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BIM专题


    注:本专题并非是对国内外BIM技术研究和应用的综述,其内容全部来源于清华大学土木工程系张建平教授团队(包括本人)十多年的研发成果,是我们团队对BIM的概念、技术和应用的思考,所列举的应用也是我们团队的实际工作。


BIM在施工阶段的应用

【4D-BIM 施工管理】

    基于BIM的4D施工管理系统(4D-GCPSU)是以BIM理论为基础,综合应用4D模型理论,以IFC为工程数据表达与交换标准,研究建筑信息模型建模机制,建立相应工程信息集成机制,支持建筑生命周期不同阶段和应用系统之间的数据交换与共享,实现工程信息的集成化管理。基于IFC标准和工程信息模型,开发面向建筑施工的4D施工管理系统。同时,通过引入施工进度与资源分配的优化理论和过程模拟技术,实现施工进度、资源、成本的优化控制、动态管理和4D可视化模拟,以及生命周期管理的可视化(Visualization),集成化(Integration)和自动化(Automation),为制定施工计划,进行施工管理和估算工程成本提供决策依据。系统可以提高工程质量、降低成本、优化资源、节约能源和保护环境。
    4D-GCPSU系统综合应用4D-CAD、工程数据库、人工智能、虚拟现实、网络通讯以及计算机软件集成技术,引入建筑业国际标准IFC,通过建立基于IFC的4D施工管理扩展模型4DSMM++,将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度计划相链接,并与施工资源和场地布置信息集成一体,实现了施工进度、人力、材料、设备、成本、质量和场地布置的4D动态集成管理以及整个施工过程的4D可视化模拟。遵循IFC标准,系统实现了建筑设计与施工管理的数据交换和共享,可以直接导入设计阶段定义的建筑物三维模型,并用于4D施工管理,在很大程度上减少了数据的重复输入,提高了数据的利用效率,减少了人为产生的信息歧义和错误。为提高施工水平、确保工程质量,提供了科学、有效的管理手段。
    其中,4DSMM++是在IFC工程数据对象模型的基础上所建立的数值和逻辑模型,遵循IFC标准描述和组织数据,采用Express语言定义数据。模型数据采用面向对象的方法、模块化的方式加以组织,具有完整而严密的数据结构,便于计算机对数据进行分析和管理。模型以文本文件(.ifc文件)或关系型数据库的形式存在,数据按照IFC大纲(IFC Schema)定义的数据结构来描述,可以很容易地转换为IFC文本文件。根据IFC2x中的ifcXML规范所规定的Express语言与XML模式定义语言的映射关系,也可以将模型转换为XML文档格式。

    4DSMM++模型

    4D进度管理


4D施工过程模拟


    工程信息查询

    4D资源管理

    4D场地管理

【施工过程结构安全分析】

    目前,国内外对建筑施工期结构的安全分析多采用基于概率的分段静态计算方法,即将施工期的结构按照施工流程进行时间点划分(如架设支撑体系、浇筑混凝土等),并假设结构构件的应力和强度在此固定时刻均不随时间变化,其应力与强度可以取为随机变量,即符合一定的概率模型分布规律。再对每个时间点进行静态的结构受力分析,计算过程中不考虑混凝土刚度和强度随时间进程而增大所导致的结构受力重分配。最后通过引入失效概率以评价结构的可靠度。然而,这种静态的计算方法在对建筑施工期这一连续时变时期的描述和计算精度方面还存在着不足和局限,难以满足当前大型、复杂工程施工安全分析的需求。随着混凝土早龄期的强度和刚度变化,以及时变结构受力体系的研究,施工过程中时变结构的安全分析也逐渐成为了研究热点,并有了一定程度的理论和实测数据的积累。国内外众多研究表明,将时变结构引入到施工期结构安全分析,能更准确地评价建筑结构的安全性能,减少施工事故的发生。
    施工期时变结构模型的抗力、荷载效应、结构形式,以及相应的支撑体系状态均随时间而变化,与4D技术有着“几何模型+时间”的共通模式。另一方面,通过引入BIM技术来解决信息共享和高效利用的问题,能为上述的应用困难问题提供方法和手段。
    实际上,在施工过程中所建立的4D-BIM,既包含了建筑构件和支撑体系的三维几何信息,也包含了WBS划分中的工序状态信息,还包含结构分析中所需要的材料属性和荷载工况信息。因此,4D-BIM可以为实现施工期时变结构的全过程分析,提供随进度变化的计算模型、完整的数据支持和可视化表现。
    具体而言,基于4D-BIM的时变结构安全分析具有以下特点。
    1. 数据共享与传递
    可从设计系统直接读取安全分析计算所需要的三维模型等设计信息,减少了数据的重复输入,避免信息传输过程中的错误和丢失。
    2. 自动生成时变结构体系
    4D-BIM可以以施工进度为时间因素进行建造过程的三维可视化模拟。模拟过程中可以表现出整体结构、分层分段结构乃至每个构件在建造过程中的施工状态,主要包括未施工、施工中和施工完毕三种。这些施工状态描述了整体结构三维模型随进度变化的动态形成过程,通过基于BIM技术的模型双向转换机制,可自动生成施工期的时变结构。
    3. 自动生成时变结构分析模型
    4D-BIM还包括结构施工中的工序状态信息,而工序状态反应了时变结构的动态受力状况,包括施工期的荷载效应、支撑作用和结构抗力等,因此可自动生成相应的时变结构分析模型,实现随进度变化的受力状况计算和分析。
    4. 计算模型随方案调整而自动调整
    基于BIM的模型关联特性,一旦施工方案调整,4D-BIM将随之变化,从而保证时变结构计算模型在施工方案调整后,能保持一致且无需重新录入数据。
    5. 针对各种施工工序进行安全分析和评价
    获取4D-BIM中所包含的相关信息,可针对各种施工工序对时变结构进行力学分析、性能验算和安全性识别,从而进行安全分析和评价。
    其分析过程主要包括如下步骤。
      1)4D建模。可以利用快速建模工具建立建筑物的三维模型,也可以通过导入IFC文件、导入Etabs文件等各种方式生成三维模型。同时,根据预先编排的施工方案,创建WBS及进度计划。最后,将三维模型和相应的WBS进度信息链接,完成4D建模。
     2)建立4D-BIM。在4D模型的基础上,添加资源属性、定额模板、场地属性等工程属性,给建筑构件添加材料属性、指定节点容差、指定风向、控制网格划分参数、给施工工序添加荷载效应等,从而建立4D-BIM。
     3)4D施工过程模拟及管理。基于4D-BIM,可以进行4D施工过程模拟,按不同的时间间隔对施工进度进行正序模拟或逆序模拟,形象反映施工计划进度和实际进度。在4D施工工程模拟过程中,4D-BIM能自动统计相关信息。同时,进度管理人员可以对施工进度进行调整和控制。
     4)时变结构安全分析。其中又包括如下几步:
      a)在4D施工模拟过程中,可以针对模拟进度中的任意时间点进行结构导出和计算分析,即按照当前施工进度模拟情况、已完成的三维模型、资源利用情况等所致的计算模型,并考虑建筑构件的材料属性,以及设计规范的施工荷载取值,自动导出可供结构分析的模型和数据,存储到文本文件或数据库中;
      b)通过数据接口,将导出的模型和数据导入到结构分析系统进行该时点结构计算以及安全性能分析;
      c)结构分析的结果,即该时点的应力应变等力学性能指标,可以通过数据文件的形式提供给施工管理人员或设计人员,也可以通过数据接口返回到4D施工安全信息模型中进行三维形象的动态表现,为施工安全管理提供决策依据;
      d)根据结构分析所得的力学性能指标值,可以进行结构安全性能分析和评价。通过安全分析和评价模型可以计算该时点结构的安全性能指标,并进行安全性能评价和预警预报;
      e)若能获得实测安全数据,可以进一步对安全性能指标的预测值进行调整,实现结构安全性能全过程跟踪。

    施工过程时变结构安全分析
    另一方面,建筑在施工过程中需要临时的支撑体系。一直以来,建筑施工期支撑体系倒塌在我国建筑工程施工安全事故中占有很大比例,伤亡事故时有发生。若深究其原因,则是对于支撑体系的极限稳定承载力,传统的计算和分析方法中存在着一些局限性,从而很大程度上影响了支撑体系结构安全性验算的普及应用。实际施工过程中,通常是在没有计算依据的前提下,根据经验进行支撑体系的架设和拆除。因此,提出更加方便快捷而准确的支撑体系计算方法,推广支撑系统结构验算和安全分析的应用,是必要且迫切的。
    基于4D-BIM的支撑体系安全分析主要包括以下步骤。
      1)建立支撑体系的4D-BIM模型
    首先,根据楼板轮廓,应用上述3D建模方法创建支撑体系3D模型,如图5.2(a)所示。然后对支撑构件和结构构件进行碰撞检测,排除冲突支撑,如图5.2(b)所示。再将支撑体系3D模型与WBS工序节点关联,实现3D模型与WBS工序的4D关联,并赋予支撑、模板等支撑体系构件工程属性,包括:支撑属性、材料属性、基于工序的荷载效应。这些属性通过统一的对象——支撑实体,进行连接和管理,如图5.2 (c)所示。

    支撑体系4D施工安全信息建模
      2)支撑体系4D施工过程模拟
    随着主体结构进行4D施工过程模拟,支撑体系也能实现施工过程的4D动态模拟。与主体结构的4D动态模拟不同的是,支撑体系只有架设与拆除两道工序,而且工序持续时间较短,并且是临时存在的实体构件。因此,支撑体系在架设后至拆除期间,不需要用不同的颜色对不同工序进行区分,而只需要表现出“存在”即可。
      3)支撑体系安全分析
    进行支撑体系的安全分析具体包括:1)在支撑体系的4D施工模拟过程中,可以针对模拟进度中的任意时间点进行支撑体系的导出和计算分析,即按照当前施工进度模拟情况、支撑体系的支撑情况、支撑体系的承载情况等所构建的计算模型,并考虑支撑构件的工程属性,自动导出可供有限元计算分析的模型和数据,存储到文本文件或数据库中。2)通过数据接口,将导出的模型和数据导入到结构分析系统进行该时点支撑体系安全性能计算与分析,其中,由于主导支撑体系安全性问题的因素是局部屈曲或整体屈曲,因此需要根据支撑体系的结构形式,对支撑体系进行额外的屈曲分析,求得屈曲临界荷载。3)计算分析的结果,即该时点的应力、应变、位移以及屈曲临界荷载等数据,可以通过中介文件的形式提供给支撑体系设计人员,也可以通过数据接口返回到4D施工安全信息模型中进行3D形象的动态表现。
      4)通过支撑体系的安全分析和评价模型,可以计算该时点支撑体系的安全性能指标,并进行安全性能评价和预警预报。

    一层支撑体系支撑上部两层结构同时施工时的受力分析 (同时还考虑和比较了两种支撑体系的布置方案)