基于BIM 技术的高层民用住宅中的应用

刘礼

（安徽科技学院，安徽 蚌埠233000）

1 BIM 简介

BIM(Building Information Modeling)技术作为促进我国建筑领域创新发展的重要技术手段之一, 是目前社会建筑行业的发展的一门新技术,其体现出的信息化、工业化和绿色化特点,推动了建筑行业信息化的发展。BIM 技术最早由美国的Chunk Eastman 博士提出,他也是现在公认的“BIM之父”。BIM技术通过在参数化的设计后,在计算机中建立出一个虚拟的建筑,其中包括项目的各类图纸、3D 模型、数据模型等,这些信息之间是共同关联的[1]。通过整合工程各专业的相关信息,支持建设、设计、施工等机构对该项目信息进行反馈修改, 实现在整个工程生命周期信息的共享, 使各部门技术人员对各个阶段工程建造过程中出现的问题作出正确而高效的应对, 为建筑施工运营单位等在内的各方建设人员单位提供协同化施工的基础, 从而达到提升效率、减低成本以及缩短工期等方面的目的。在工程的造价管理、3D 模型的交流、建设成本控制等方面起到重大作用[2]。BIM技术曾在《2011-2015 年建筑业信息化发展纲要》中多次被提出,并在建筑业的科技进步和创新成果中产生了巨大的影响。在完成整个项目的过程中,BIM 技术所提供的数据都能在建造和后期的运营管理方面发挥着重大作用[3]。

2 基于BIM 高层建筑设计技术的优势

2.1 BIM的可视化

传统的施工图纸,都是基于二维平面所绘制的,对于一些复杂的节点, 二维图纸并不能很好地表达出各构件之间的关系。BIM 技术是一种可将平面CAD 图纸转化为可以进行交流的模型,从而可以使人更直观的了解建筑物的体块关系。利用BIM技术可以在施工前对各专业的图纸进行碰撞检查,从而提高实际生产过程中的效率。

2.2 BIM的模拟性

在关键节点和复杂节点中, 利用BIM技术可模拟出其生产流程,从实体的角度出发,可以多维度观察模型生产状况,在进行技术交接过程中,可注明易出错的地方,尽量减少施工过程中因图纸表达不明确而引起的工序返工以及工期滞后等现象。BIM技术还可在施工前对各专业之间进行模拟生产, 提前解决生产过程中所遇到的工程问题。

2.3 BIM的优化性

利用BIM技术可以对不同的方案进行筛选优化, 既可以调高方案实施的高效性,又能缩短工期和减少造价。通过对比各方案的优缺点,选取最优的方案进行施工,有助于项目顺利的顺利实施。

2.4 BIM的协调性

前期在利用BIM技术建模的过程中,需要与结构专业、机电专业、绿建专业、暖通专业等各专业之间进行协调,在完成各专业之间的碰撞后,生成对应的解决方案。通过BIM技术,可解决专业内部的空间交叉、净空设计等问题。

2.5 BIM的可出图性

利用BIM技术建模,可根据模型生成各类图纸,其中也包括各专业碰撞检查后的综合图纸。在经过图模会申后,生成最终的施工方案图。

研究方法:BIM 需要三大技术支柱支撑——IFC(Industry Foundation Class) 数据储存标准、IDM (Information Delivery Manual) 数据传递标准、IFD (International Framework for Dictionaries)信息语义标准。信息交换的标准由IFC 提供,信息交换的内容由IDM提供, 而交换信息的唯一性则由IFD 提供、三者共同进行信息交换,也是BIM技术价值最大化的三大法宝。

3 高层建筑建模的主要内容

运用BIM实现工程设计的关键技术表现为协同作业、可视化设计和碰撞检查口。具体内容如下:

3.1 工程概况

某项目位于市区郊区,是一栋小区的高层住宅。总占地面积为5647m2,非建筑面积(广场、绿地)面积约占65%-75%,建筑面积在10000m2-20000m2之间,结构类型为剪力墙结构。设计使用年限为50 年,耐火等级为一级,抗震设防烈度为7 度。为了使住宅的各个区功能互不相同,建筑过程中使用了BIM技术。

3.2 建筑模型构建

首先,工人们需要对该地段进行勘查测量,之后将所得的数据输入IBM系统平台,对模型进行初步构建。跟国内很多事务所BIM 设计流程相同,工作人员在bim 技术的基础上,将不同专业、不同楼层的图纸进行分类,然后分析各类图纸,最后将CAD图纸导入PKPM-BIM建模软件中。通过了解分析所构建模型的图纸, 对模型进行初步的轴网定位。后续模型便以此为参照依据。根据图纸标注的梁、柱、板等在轴网上依次建模,将整体的模型框架搭建好之后,在墙体上开设门、窗和洞口,也可布置幕墙等。由于软件自带相应的门窗尺寸,所以可依据不同的墙体和建筑外形要求对门窗进行尺寸设置,并且满足参数化等要求。按照专业楼层建立三维模型,在建好模型的基础上,进行交叉分工检查,最终完善整个模型。在模型搭建成功后可以对室内外进行详细的装修, 并可以导出bimx 模型, 可结合图纸进行漫游动画展示,实现由图纸- 模型- 图纸的模式,逐步提高模型数据的精确度。

3.3 结构模型构建

3.3.1 结构模型的参数设置

主要包括:荷载情况、荷载组合、分析模型设置、和边界条件。在创建实体模型的同时,BIM会自动创建结构模型, 并且可以实现两者之间的相互转化。用户通过设置属性,便可以检查结构配筋是否合理。最终我们要将所搭建的模型导出来, 具体包括轴线、结构梁、结构板、结构柱、以及相关的洞口和楼板。而相关的一些荷载结构部分也要导出来,包括恒荷载、活荷载、地震荷载等。一些特殊的结构节点需要设置对应的偏心,以满足结构安全的需要。根据该民用建筑物的一层建筑、结构、机电、暖通图,建立三维模型。

3.3.2 模态分析

模态是建筑中结构部分固有的振动特性,每一个模态都有一个固定的频率、阻尼比和模态振型。要使得结构能够达到标准,必须要对模态进行数据分析,以确定结构的振动特性,与此同时,模态也是后续风荷载、地震分析的前提。在此过程中,多自由度体系的运动方程多使用直接平衡法,参考D'Alember 原理

其中{fI}- 结构惯性力,{fD}- 结构阻尼力,{fS}- 结构弹性恢复力,{pt}- 外力荷载;模态振形可分为:Y 向平动、X 向平动、绕Z 转动、X 向平动略带扭转、主扭转带X 向平动、主Y 向平动等。了解这些可能的振形形态可以帮助解决施工过程所出现的相关问题。

3.3.3 碰撞分析检查经过配筋优化后的方案最终设计确定,绘制了施工图。整合首层的建筑、结构、机电、暖通图纸,并进行碰撞分析检查,消除各专业之间的可能发出的冲突,提高各个专业的之间的协同配合能力。

4 结论

本文对BIM技术在高层民用住宅中的应用研究中从建筑模型的构建、结构模型构建、碰撞分析检查等三个方面进行了探讨,可以得到一些结论,在建模前需要分析剪力墙结构设计的特点,使用PKPM-BIM软件建立三维的结构模型,最后转为建筑部分,为建筑部分提供参照。在进行高层建筑建设的过程中,充分考虑结构的X- 方向、Y- 方向风荷载、抗震能力、结构位移等建设过程可能出现的任何问题。技术人员还应该对BIM技术的优势有着充分的理解,并且能够投入到具体的工程应用中。通过与结构、机电、暖通等部门进行多方面的沟通,不断地优化设计方案,在确保建筑物质量的同时,实现建筑的工行的进一步发展。