基于BIM技術在施工支撐安全體系建模中的研究分析

尹水壽 劉博

摘? ? 要：在國內施工過程中，施工支撐系統倒塌導致的施工安全事故比重較高，學界日益重視探討施工支撐體系的安全性。文章把BIM與3D技術結合起來，并運用到分析施工期支撐體系安全方面來，由于它優勢顯著，值得深入研究和分析。

關鍵詞：3D 技術;施工支撐體系;BIM;安全分析

1? 引言

從相關統計來看，項目施工期支撐體系已經連續多次發生倒塌事故主因是整體失穩或者支撐失穩，施工過程中不注重支撐體系方面的安全驗算。因為支撐體系的建模與空間分析比較麻煩，當前所開展的支撐體系極限穩定承載力分析方法與計算模式存在著不足，未能有效地表明支撐體系空間結構的相關力學特點，所以對推廣運用這種計算方法與理論產生了較大影響。所以，文章把BIM與3D技術結合起來，并運用到分析施工期支撐體系安全方面來，由于它優勢顯著，值得深入研究和分析。

2? 以3D施工安全信息模型為基礎的支撐體系3D建模

以3D與BIM的結合為基礎，將項目的相關信息與外輪廓特征提取出來，借助自動化、簡化話的方式，構建模板與支撐的3D模型，在和建筑構件的相關沖突檢測過程中，摒棄自動生成算法過程的諸多不合理布置點，對支撐體系進行及時建模。

在針對支撐體系進行快速建模的相關算法中，牽涉到兩個方面，模板建模與支撐桿件建模。鑒于可能樓板本身的外輪廓涵蓋了不規則的各種多邊形，所以模板涵蓋了兩種建模方式：首先是以真實的樓板外形輪廓為基礎進行建模（可以稱之為實形建模）;其次是按照支撐點進行簡化式建模。

3? 支撐桿件的3D建模

本研究以AutoCAD平臺為基礎，實施二次開發，快速對支撐桿件進行建模。在該快速建模模式中，以下是它的核心算法流程：預設豎向、橫向的支撐桿件均處于正交布置，而且豎直、水平方向的間距保持不變，首先按照樓板輪廓，求出外包矩形框;其次，按照支撐間距等相關參數，決定可能布置點（在常規性的xy平面內）;再次，預判各個支撐點有沒有處于樓板輪廓中，剔除處于輪廓之外的相關布置點;最后，按照合格支撐點，垂直與縱橫方向的支撐桿件。

4? 基于3D施工安全信息模型的支撐體系安全分析

4.1? 支撐體系的3D結構計算模型

筆者認為，應該編制輕量級的相關程序。以計算支撐體系的有關結構。然而鑒于以后要擴展為將安全分析與主體時變結構相結合的要求，本研究將ANSYS當作支撐體系方面的有限元計算平臺。在這其中，因為通常情況下支撐桿件會采取圓形鋼管（要求截面對稱），在模擬時應該采取梁單元“BEAM188”。與此同時，在模擬過程中不必關注橫向、豎向支撐之間的連續性，要從交點處斷開（涵蓋了豎向、橫向支撐之間的相關交點、橫向支撐之間的交點），而且將其劃分成若干個小單元予以計算。、而且，應該采取殼單元“SHELL65”，對大面積橫向的模板進行模擬，而且按照豎向支撐與模板之間的交點，將其劃分成若干個小模板塊，分別予以模擬計算。

4.2? 支撐體系失穩分析

在支撐體系本身承受的荷載處于某極限數值的情況下，如果稍微增加荷載，應變與應力就不再按照相應比例變化，而是出現了明顯的增長態勢，此類內部抗力的猛然崩潰，意味著失穩或者屈曲。眾所周知，施工過程支撐機制本身的安全問題，重點出現在整體失穩或者支撐失穩方面。所以，如何方便而準確地分析支撐體系自身的穩定性，是分析施工安全活動的重中之重。以有限元方式求解支撐體系的結構穩定性，一般情況下會采取下列兩種方式，分別是非線性屈曲分析與特征值屈曲分析。

（1）首先是特征值屈曲分析。它是指線性屈曲，也就是說結構達到了平衡狀態，荷載增量只要一個微量，它就會出現很大的位移增量。利用數學轉換，可以把特征值屈曲分析轉變成求解矩陣的相關特征值問題。這種方法可以用來判斷理想彈性結構狀況的理論屈曲強度，也就是所謂的歐拉臨界荷載。

在ANSYS中開展特征值屈曲分析的過程中，涵蓋了三個步驟：依據靜力方式，將靜力解求出來，然后依據屈曲方式，將特征值屈曲解求出來，最后依據擴展求解方式，將擴展解求出來。

（2）非線性屈曲分析。它是大撓度全過程彈塑性有限元的方法，利用逐級加大位移或者荷載的方法，持續地修正單元本身的剛度矩陣（分析位移與應力效應），對相關結構實施必要的非線性靜力學分析，以此為基礎，找到它的臨界點。

4.3? 以三維施工安全信息模型為基礎的支撐體系安全分析流程與步驟

它的主要步驟涵蓋了下列方面：（1）構建三維施工安全信息模型;（3）模擬支撐體系的具體施工過程;（2）對支撐體系進行必要的安全分析。

（1）構建三維施工安全信息模型。對支撐體系中的三維施工安全信息進行建模，是對支撐體系的施工過程進行安全分析的必要前提。第一，按照樓板輪廓，采取以上三維建模方法，建立支撐體系的三維模型，對結構構建與支撐構件實施必要的碰撞檢測，排除相應的沖突支撐。第三，把WBS工序接電與支撐體系三維模型關聯起來，完成了WBS工序與三維模型的3D關聯，而且賦予了模板、支撐等支撐體系構件的相關工程屬性，比如材料屬性、支撐屬性、以工序為基礎的荷載效應。上述屬性利用支撐實體這個對象，進行必要的管理與連接。

（2）支撐體系3D施工過程模擬。在模擬主體結構的三維施工過程中，支撐體系可以采取三維動態的方式，模擬施工過程。區別于主體結構的三維動態模擬的是，支撐體系僅僅涵蓋了兩道工序，分別是拆除與架設，工序持續時間非常短暫，是臨時性使用的實體構件。所以，從架設好支撐體系到拆除支撐體系的過程中，不必采取各種顏色，區分不同工序，只需要表明它的“存在”。

（3）支撐體系安全分析。它重點涵蓋了下列內容：第一，在三維模擬支撐體系的施工過程中，應該設定模擬進度中的任何時間點，分析計算與導出它的支撐體系，也就是說，依據現今所模擬的施工進度情況、支撐體系的實際支撐狀況，及其承載情況等，合理地構建計算模型，并要把握支撐構件具備了哪些工程屬性，按照分析模型導出相關計算結果，把可供有限元分析計算的相關數據與模型自動導出來，存儲到數據庫或者文本文件中。然后經由數據接口，把導出的相關數據與模型，導入到相關結構分析系統，以分析與計算支撐體系在這個時間的安全性能。在此過程中，因為整體彎曲或者局部彎曲對支撐體系自身的安全性問題起著主導性的作用，所以應該結合支撐體系的具體結構形式，單獨對支撐體系進行屈曲分析，以得出屈曲臨界的荷載。分析計算的相關結果，也就是這個時點的位移、應變、應力和屈曲臨界的荷載等多種數據，能夠以中介文件的面目，提供給設計支撐體系的相關人員，當然也能夠經由數據接口，返回到三維施工安全信息模型中，呈現出動態的3D形象。最后，對支撐體系的相關評價模型與安全分析，能夠求出支撐體系在這個時點的安全性能指標，而且可以開展預警預報，評價其安全性能。

5? 結論

綜上所述，針對現行的施工期支撐體系安全分析手段的局限與不足，引入BIM與3D技術，構建了三維施工安全信息模型，它可以有效地提取主體的施工與結構信息，借助三維進度模擬，自動地生成與進度變化相吻合的計算模型與支撐結構機制。希望這種方式能夠盡快地從理論走向實踐，更好地提升該領域的穩定性分析，準確地計算力學性能，削減支撐體系分析過程中的數據、建模工作量，增強安全分析的效率與精度。

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作者簡介：

尹水壽（1983—，男，南京工業大學（南京），本科，工程師，研究方向：建筑工程施工，BIM技術應用。