基于BIM 技術的高層民用住宅中的應用

劉禮

（安徽科技學院，安徽 蚌埠233000）

1 BIM 簡介

BIM(Building Information Modeling)技術作為促進我國建筑領域創新發展的重要技術手段之一, 是目前社會建筑行業的發展的一門新技術,其體現出的信息化、工業化和綠色化特點,推動了建筑行業信息化的發展。BIM 技術最早由美國的Chunk Eastman 博士提出,他也是現在公認的“BIM之父”。BIM技術通過在參數化的設計后,在計算機中建立出一個虛擬的建筑,其中包括項目的各類圖紙、3D 模型、數據模型等,這些信息之間是共同關聯的[1]。通過整合工程各專業的相關信息,支持建設、設計、施工等機構對該項目信息進行反饋修改, 實現在整個工程生命周期信息的共享, 使各部門技術人員對各個階段工程建造過程中出現的問題作出正確而高效的應對, 為建筑施工運營單位等在內的各方建設人員單位提供協同化施工的基礎, 從而達到提升效率、減低成本以及縮短工期等方面的目的。在工程的造價管理、3D 模型的交流、建設成本控制等方面起到重大作用[2]。BIM技術曾在《2011-2015 年建筑業信息化發展綱要》中多次被提出,并在建筑業的科技進步和創新成果中產生了巨大的影響。在完成整個項目的過程中,BIM 技術所提供的數據都能在建造和后期的運營管理方面發揮著重大作用[3]。

2 基于BIM 高層建筑設計技術的優勢

2.1 BIM的可視化

傳統的施工圖紙,都是基于二維平面所繪制的,對于一些復雜的節點, 二維圖紙并不能很好地表達出各構件之間的關系。BIM 技術是一種可將平面CAD 圖紙轉化為可以進行交流的模型,從而可以使人更直觀的了解建筑物的體塊關系。利用BIM技術可以在施工前對各專業的圖紙進行碰撞檢查,從而提高實際生產過程中的效率。

2.2 BIM的模擬性

在關鍵節點和復雜節點中, 利用BIM技術可模擬出其生產流程,從實體的角度出發,可以多維度觀察模型生產狀況,在進行技術交接過程中,可注明易出錯的地方,盡量減少施工過程中因圖紙表達不明確而引起的工序返工以及工期滯后等現象。BIM技術還可在施工前對各專業之間進行模擬生產, 提前解決生產過程中所遇到的工程問題。

2.3 BIM的優化性

利用BIM技術可以對不同的方案進行篩選優化, 既可以調高方案實施的高效性,又能縮短工期和減少造價。通過對比各方案的優缺點,選取最優的方案進行施工,有助于項目順利的順利實施。

2.4 BIM的協調性

前期在利用BIM技術建模的過程中,需要與結構專業、機電專業、綠建專業、暖通專業等各專業之間進行協調,在完成各專業之間的碰撞后,生成對應的解決方案。通過BIM技術,可解決專業內部的空間交叉、凈空設計等問題。

2.5 BIM的可出圖性

利用BIM技術建模,可根據模型生成各類圖紙,其中也包括各專業碰撞檢查后的綜合圖紙。在經過圖模會申后,生成最終的施工方案圖。

研究方法:BIM 需要三大技術支柱支撐——IFC(Industry Foundation Class) 數據儲存標準、IDM (Information Delivery Manual) 數據傳遞標準、IFD (International Framework for Dictionaries)信息語義標準。信息交換的標準由IFC 提供,信息交換的內容由IDM提供, 而交換信息的唯一性則由IFD 提供、三者共同進行信息交換,也是BIM技術價值最大化的三大法寶。

3 高層建筑建模的主要內容

運用BIM實現工程設計的關鍵技術表現為協同作業、可視化設計和碰撞檢查口。具體內容如下:

3.1 工程概況

某項目位于市區郊區,是一棟小區的高層住宅。總占地面積為5647m2,非建筑面積(廣場、綠地)面積約占65%-75%,建筑面積在10000m2-20000m2之間,結構類型為剪力墻結構。設計使用年限為50 年,耐火等級為一級,抗震設防烈度為7 度。為了使住宅的各個區功能互不相同,建筑過程中使用了BIM技術。

3.2 建筑模型構建

首先,工人們需要對該地段進行勘查測量,之后將所得的數據輸入IBM系統平臺,對模型進行初步構建。跟國內很多事務所BIM 設計流程相同,工作人員在bim 技術的基礎上,將不同專業、不同樓層的圖紙進行分類,然后分析各類圖紙,最后將CAD圖紙導入PKPM-BIM建模軟件中。通過了解分析所構建模型的圖紙, 對模型進行初步的軸網定位。后續模型便以此為參照依據。根據圖紙標注的梁、柱、板等在軸網上依次建模,將整體的模型框架搭建好之后,在墻體上開設門、窗和洞口,也可布置幕墻等。由于軟件自帶相應的門窗尺寸,所以可依據不同的墻體和建筑外形要求對門窗進行尺寸設置,并且滿足參數化等要求。按照專業樓層建立三維模型,在建好模型的基礎上,進行交叉分工檢查,最終完善整個模型。在模型搭建成功后可以對室內外進行詳細的裝修, 并可以導出bimx 模型, 可結合圖紙進行漫游動畫展示,實現由圖紙- 模型- 圖紙的模式,逐步提高模型數據的精確度。

3.3 結構模型構建

3.3.1 結構模型的參數設置

主要包括:荷載情況、荷載組合、分析模型設置、和邊界條件。在創建實體模型的同時,BIM會自動創建結構模型, 并且可以實現兩者之間的相互轉化。用戶通過設置屬性,便可以檢查結構配筋是否合理。最終我們要將所搭建的模型導出來, 具體包括軸線、結構梁、結構板、結構柱、以及相關的洞口和樓板。而相關的一些荷載結構部分也要導出來,包括恒荷載、活荷載、地震荷載等。一些特殊的結構節點需要設置對應的偏心,以滿足結構安全的需要。根據該民用建筑物的一層建筑、結構、機電、暖通圖,建立三維模型。

3.3.2 模態分析

模態是建筑中結構部分固有的振動特性,每一個模態都有一個固定的頻率、阻尼比和模態振型。要使得結構能夠達到標準,必須要對模態進行數據分析,以確定結構的振動特性,與此同時,模態也是后續風荷載、地震分析的前提。在此過程中,多自由度體系的運動方程多使用直接平衡法,參考D'Alember 原理

其中{fI}- 結構慣性力,{fD}- 結構阻尼力,{fS}- 結構彈性恢復力,{pt}- 外力荷載;模態振形可分為:Y 向平動、X 向平動、繞Z 轉動、X 向平動略帶扭轉、主扭轉帶X 向平動、主Y 向平動等。了解這些可能的振形形態可以幫助解決施工過程所出現的相關問題。

3.3.3 碰撞分析檢查經過配筋優化后的方案最終設計確定,繪制了施工圖。整合首層的建筑、結構、機電、暖通圖紙,并進行碰撞分析檢查,消除各專業之間的可能發出的沖突,提高各個專業的之間的協同配合能力。

4 結論

本文對BIM技術在高層民用住宅中的應用研究中從建筑模型的構建、結構模型構建、碰撞分析檢查等三個方面進行了探討,可以得到一些結論,在建模前需要分析剪力墻結構設計的特點,使用PKPM-BIM軟件建立三維的結構模型,最后轉為建筑部分,為建筑部分提供參照。在進行高層建筑建設的過程中,充分考慮結構的X- 方向、Y- 方向風荷載、抗震能力、結構位移等建設過程可能出現的任何問題。技術人員還應該對BIM技術的優勢有著充分的理解,并且能夠投入到具體的工程應用中。通過與結構、機電、暖通等部門進行多方面的溝通,不斷地優化設計方案,在確保建筑物質量的同時,實現建筑的工行的進一步發展。