BIM技术在某商业综合体土木结构设计中的工程应用

2018年1月30日10:46:25BIM技术在某商业综合体土木结构设计中的工程应用已关闭评论 8 阅读

文章类型: 土木工程论文 结构设计 抗浮设计 双向数据链接
第 1 章 绪论

1.1 研究背景
国内工程界较为认可的翻译是“建筑信息模型”,是指以建筑工程项目的计算机各类信息数据为基础建立的建筑信息三维模型,通过信息数据仿真模拟建筑中所具有的真实信息,建筑是研究对象,信息是核心内容,模型是表现形式。美国国家 BIM 标准(NBIMS)指出,BIM 的定义涵盖有三个部分[1]:(1)BIM 是一个设施(建设项目)物理和功能特性的数字表达;(2)BIM 是一个共享的信息资源,是一个分享有关这个设施的信息,为该设施从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程[2];(3)在项目的不同阶段,不同利益相关方通过在 BIM 中编辑、提取、更新和传递信息,以支持和反映其各自职责的协同工作[3]。BIM 技术有三个内涵特点:参与方可协同性,项目可优化性,全生命周期可模拟性[4]。(1)参与方可协同性:可协同性可以分为大协同和小协同,大协同是指通过 BIM 技术协同模式让业主运营方、项目设计方和施工建造方相互协调配合工作;小协调只是指项目设计方的建筑、结构、水电、设备等专业在设计过程中相互协同配合,避免不必要的错误和重复修改返工[5]。(2)项目可优化性:项目推进的整个规划、设计、施工、运维的过程是一个不断优化的过程,利用 BIM 技术的信息统一传递和专业间无缝协同设计我们可以全过程进行项目优化。BIM 核心总装模型提供了建筑物现实存在的参数化信息,包括空间几何信息、材料属性信息、物理规则信息,以及建筑变化过程中的数据信息等,这些都是项目可优化性的信息基础。(3)全生命周期可模拟性:模拟性不仅仅只是模拟演示出的建筑物三维物理模型,还能够模拟可能发生的,与建筑物相关的具体事件,在项目的设计阶段,BIM 可以根据需要进行一些针对性的模拟演示,例如:人员紧急疏散、建筑节能、建筑外墙热传导等;在施工阶段可以进行 BIM4D 模拟(3D+时间),根据施工组织设计模拟现场实际施工,确定合理的施工计划来指导实际施工。通过BIM5D 模拟(3D+造价信息),实现成本控制[6]。
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1.2 BIM 应用基础
早在 1997 年,IAI(International Alliance for Interoperability,即国际协同联盟)组织发布了 IFC(Industry Foundation Classes)数据交换标准的首个完整版本。IFC 标准其实一套计算机数据交换标准,与 BIM 软件平台无关的开放数据格式,它是计算机识别、处理和交换建筑数据的基础。IFC 层级体系是 IFC 标准的主要内容[8]。IFC 层级体系(图 1.1)整体一共可划分为四个层级,分别是资源层、核心层、共享层和应用层 4 个层次构建。领域层,是 IFC 标准体系的最高层级,这个层级中的每个数据模型分别对应不同领域,独立地应用,深入到各个应用领域的内部,形成相对应的专门信息,比如说,建筑结构的空间顺序信息等;共享层,属于 IFC 标准体系中的第三层级,主要是服务领域层的。领域层的数据信息在该层进行交互和处理,这个层级中的信息表达着不同领域的共性信息,为领域间的信息共享提供空间,通过定义各类建筑领域的通用概念来实现不同领域间的信息交换;核心层,作为 IFC 标准体系中的第二层级,可被共享层和领域层引用。该层将资源层的信息组织起来,形成一个整体,用来反映建筑物的实际结构。资源层,IFC 标准体系架构的最底层,可以被其他三层引用。描述 IFC 标准需要使用的基本信息,不区分具体的专业类型。包含了一些独立于具体建筑的通用信息实体,如物质属性、数量单位、空间位置等信息。目前,IFC 标准(IFC 2x platform. 版本)已被 ISO 组织收录为 ISO 标准(ISO/PAS 16739,可出版应用版本),成为建筑、工程、施工、设备管理等领域中的信息传递和数据提取的统一标准。BIM 技术的运用,首先就是要创建一个 BIM 数据库,所有的参与者都可以从数据库中调取数据,并能将修订后的数据保存在数据库内,这个过程需要一个统一的数据交换标准,从读取数据、用软件工作、完成数据成果,到项目的全生命周期,这种聚和信息,反复调用过程就是 BIM 技术运用的过程,实现这个过程的基础就是有一套完整统一的数据交换标准。基于 IFC 标准构架建立的 BIM 数据库建立,有利于解决建筑业的软件数据不兼容的问题。在 BIM 技术应用过程中往往需要多个不同类型的软件来配合完成项目任务,它们可能来自不同的软件供应商,每种软件可能都有自身的图元文件、数据格式,这给 BIM 技术建筑全寿命期的运用和数据交互和自由流通带来障碍。如今,各大 BIM 软件供应商:Autodesk、Bentley 等均宣称自家开发的软件产品对 IFC 标准的支持。
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第 2 章 BIM 技术应用于建筑主体结构设计的工程实例

2.1 高层剪力墙的传统设计概况
本章用一个实习期间参与的商业综合体项目(图 2.1)为实例,应用 BIM 技术进行结构设计。该工程实例为位于某城市市中心某小区的一栋 30 层高层住宅,地上建筑为 1 层架空层加 29 层住宅(剪力墙结构),地下有一层地下车库,高层住宅主体结构采用纯剪力墙结构,设计使用年限 50 年,主体结构高度 91.5 米。本工程±0.000m 相当于绝对标高(黄海高程):38.600m。剪力墙是很好的抗侧力构件,在布置合理时,剪力墙能够形成一种有效抵抗水平作用的结构体系,同时还能满足建筑设计对空间上的分割要求。通常来说,剪力墙和整个建筑物的高度是一致的,从基础直到屋顶,动辄几十上百米;其宽度则视建筑平面布置而定,一般为几米到十几米。相比高度和宽度而言,其厚度很薄,一般为 200~300mm,规范规定最小值为 160mm。因此,剪力墙的抗侧刚度呈现平面内大,平面外小的特点,一般将墙身平面外的抗侧刚度忽略不计。
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2.2 BIM 应用于结构设计
为提高建筑行业设计效率,探索 BIM 技术在结构设计领域的应用方法,尝试运用 BIM 和 BIM 结构设计软件进本工程案例进行设计。以国内外 BIM 相关技术标准为基础,选用 Revit 平台作为统一工作平台。BIM 的合理应用,前提是在统一的 BIM 工作平台,各利益相关方共同参与搭建一个 BIM 总装信息模型,依据《建筑工程设计信息模型交付标准》的相关规定,要求 BIM 工作团队在项目一开始就制定项目的 BIM 策略书,策略书内容应涵盖项目中 BIM 设计流程相关的原则与规定。依据《建筑工程信息模型应用统一标准》的相关要求,结合现有 BIM 软件的实际情况,初步建立的 BIM 技术应用建筑结构设计的工作流程图,如图 2.5 所示。可以看到,整个流程从方案设计阶段,到初步设计阶段、建筑结构细节设计,以及最后的设计成果交付,充分利用 BIM 可视化、数据信息参数化、统一数据交互标准等特性,将高效率、可优化、易协同、全寿命期可用的 BIM 技术优势和内涵特点得以实现。
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第 3 章 工程实例中的抗浮锚杆优化设计......39
3.1 基于 BIM 技术的抗浮工况模拟............40
3.2 基于 BIM 技术的抗浮锚杆布置方案优化........42
3.3 基于 ANSYS 的有限元分析验证...........45
3.4 基于 BIM 技术的的上部方案联动修改............47
3.5 本章小结..............49
第 4 章 BIM 技术应用和传统设计模式对比.............53
4.1 工作流程和协作方式的对比......53
4.2 信息编辑方式和信息层次的对比..........55
4.3 设计成果及价值和输出方式的对比......57
4.4 工程实例的主要参数指标和计算结果对比......59
4.5 本章小结..............64
第 5 章 结论与展望......67
5.1 结论..........67
5.2 展望..........67

第 4 章 BIM 技术应用和传统设计模式对比

在传统设计模式中,有着明显的专业上下游先后工作次序关系,从建筑专业是结构专业的上游专业,结构设计跟建筑设计有着本质的区别。建筑师关心建筑的平立面造型与使用功能,而结构工程师更关心的是建筑的受力性能和可靠度。建筑师在提交设计成果时更注重三维模型的渲染细腻程度,视觉效果直观感受,而结构工程师更关心结构计算软件的计算精细程度和结构优化程度。显然,两者关注点的不同决定了两者的不同专业特点和设计中合作的局限性。BIM 技术的核心在于计算机信息模型中信息的共享与传递,其应用基础和理论依据源于 IFC标准框架和 BIM 规范标准,IFC 框架提供了建筑工程全寿命期内所处理的各类型信息描述和定义的统一标准[50]。因此,BIM 技术可以采用统一的信息标准描述一个真实的物体、一个抽象的概念或者是一种命令行为,这打破了软件数据不兼容的难题,使不同专业运用不同软件进行工作时也能进行信息传递和共享,在具体的实际 BIM 软件应用中具体表现为基于数据访问接口的数据共享和 IFC 文件的数据交互方案[51]。

4.1 工作流程和协作方式的对比
在传统设计中,结构专业对建筑专业的初步方案设计参与度较低,小学教育论文很难摆脱“先建筑后结构”的被动局面,建筑专业按照自己的空间构想绘制出基于 CAD的二维平面建筑图,结构专业要凭借自己对二维平面建筑图的理解和与建筑师的反复沟通来还原建筑师的建筑空间构想,从而搭建结构有限元分析计算软件中的结构分析模型,结构专业实际上对建筑专业提供的图纸利用程度比较低,完成结构计算和优化调整后还要重新绘制结构施工图。若建筑方案发生变动,结构专业可能面临结构布置大幅度改动,结构计算重新计算,结构施工图重绘的情况[52]。如图 4.1 所示,传统设计工作模式中的建筑专业和结构专业的合作是基于双方设计人员的配合式沟通,建筑师先将自己的建筑三维构想绘制成二维建筑平面图提供给结构设计人员,结构设计人员再将二维的建筑平面图通过自己的理解和空间想象搭建成结构三维模型,计算分析后再绘制出二维的结构施工图提供给下游专业和施工方,最终施工方需要拿着二维的施工图建造出现场的实体三维建筑物。可以看到,在整个设计到施工的过程中,一个建筑工程项目从三维建筑模型到二维建筑图再到三维结构模型和二维结构施工图,最终再回归到了项目的实体三维建筑物,在不同专业在衔接和配合时的设计成果表达形态的多次转变,几乎是不可避免的会发生误差并产生大量繁琐重复的工作。设计阶段的这些模型数据也仅仅只能被设计人员所利用,由于没有统一的工作平台和数据传递处理标准,后期的施工、运营维护等阶段不能利用设计阶段已有的模型数据信息。

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结论

本文通过查阅大量国内外文献,对 BIM 技术的国内标准和研究应用现状进行了概述,从结构设计人员的角度,对 BIM 技术设计模式的概念和内涵进行了总结,将 BIM 技术结构设计方法在实习期间的工程实例做初步应用,尝试利用BIM 技术解决实习期间采用传统方式设计某商业综合体时遇到的问题,展示了BIM 技术应用于结构设计的基本流程,对比总结了 BIM 技术应用相对于传统设计模式的优势所在,为 BIM 技术在结构设计的实际应用提供一定经验。本文的结论和工程应用成果具体体现在以下几个方面:
1. 通过查阅文献和理论研究,阐述 BIM 技术在建筑设计领域的应用价值,概述和国内外 BIM 技术的研究和应用现状,总结了国际通用的 IFC 数据交换标准和国家最新审核通过的几部 BIM 标准,分析 BIM 技术的发展趋势,为后文的应用和实践提供指导。
2. 实现 BIM 平台与结构软件数据模型的双向链接,完成了 BIM 技术应用于某工程实例的基本流程,将建筑师的三维建筑构想直观地传递给结构设计师,较大程度上降低了由于沟通不畅可能出现错误的几率,较大程度上减少了二次建模和模型修改的工作量,使得整个设计流程更为简洁高效。
3. 通过对比分析传统设计方式和 BIM 技术应用设计的计算结果指标,发现结果误差在可接受的范围内,验证了 BIM 链接导入建立结构模型的方法在结构设计中是有效可行的,同时利用 BIM 技术解决在结构设计中遇到的问题,总结梳理 BIM 设计成果应用价值,体现了 BIM 设计成果的全寿命期价值。
4. 针对传统抗浮锚杆布置方法存在弊端进行了优化,利用 BIM 可视化优势模拟不同水位下基础上浮位移变化情况,并定点优化抗浮锚杆布置,达到了节约成本,降低工程风险的优化设计目的,一定程度上消除了传统抗浮锚杆方法的弊端;针对实际设计中的建筑方案变更问题,基于 BIM 协同修改和数据联动的优势,完成建筑方案修改到结构布置变更以及抗浮锚杆重新优化布置的全过程。
5. 分别从工作方式层次、信息编辑层次和设计成果层次多方面对比传统设计模式和 BIM 技术设计模式的差异性,总结 BIM 应用于结构设计的优势所在,为结构设计人员学习 BIM 在建筑结构设计中的应用提供一定的实践经验和参考。
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参考文献(略)

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