基于BIM技術(shù)的某混凝土框架結(jié)構(gòu)機(jī)房改造設(shè)計(jì)

(上海溧鵬建設(shè)工程集團(tuán)有限公司，上海 200333)

1 引言

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，解決業(yè)內(nèi)問(wèn)題的軟件也層出不窮，包括詳圖軟件、設(shè)計(jì)軟件、項(xiàng)目管理軟件等，雖然不同的軟件解決了建筑中遇到的不同問(wèn)題，也不同程度地提高了工作人員的效率，但這些軟件之間往往都是獨(dú)立的，就算有聯(lián)系也是很淺的，很少甚至不能保證建筑信息傳遞的可持續(xù)性,從某個(gè)角度來(lái)講，這無(wú)形中增加了從業(yè)人員的繁瑣重復(fù)的工作量，因此進(jìn)一步推動(dòng)建筑業(yè)信息化是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。為充分利用既有建筑物現(xiàn)有的條件降低能源消耗、提升建筑使用品質(zhì)、促進(jìn)既有建筑整體綜合性能改造等目的，以及檢查加固改造中，管道與梁、柱碰撞等問(wèn)題來(lái)達(dá)到優(yōu)化方案、降低施工周期、降低成本等目的，故提出利用BIM技術(shù)對(duì)既有建筑物進(jìn)行加固改造。

近幾十年來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)與城鎮(zhèn)更新進(jìn)程達(dá)到了史無(wú)前例的速度，在快速的城鎮(zhèn)化過(guò)程中，大建大拆的現(xiàn)象普遍存在，在拆遷建筑中就包括許多還在使用壽命之內(nèi)的既有建筑物，這不僅造成了城市污染以及大量資源的浪費(fèi)，而且與我國(guó)追求的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相悖[2]。在我國(guó)，既有建筑物的改造更新已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注。本文以某混凝土框架結(jié)構(gòu)機(jī)房改造設(shè)計(jì)為例，闡述了利用 BIM 技術(shù)進(jìn)行加固改造，有利于優(yōu)化加固改造方案、優(yōu)化管道的布置，從而降低能源消耗；利用 BIM 技術(shù)改造既有建筑物，有利于施工單位安排合理的施工過(guò)程、控制造價(jià)、縮短施工周期等；利用 BIM 技術(shù)改造建筑物，有利于優(yōu)化建筑物的信息管理，提高建筑物的信息精確度，以及加強(qiáng)各個(gè)軟件之間的聯(lián)系；利用 Revit 軟件，可以實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電各個(gè)專業(yè)之間的協(xié)同工作與協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息交流與共享。

2 BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)外既有建筑改造中的 應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM是以從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)、項(xiàng)目信息為基礎(chǔ)而構(gòu)建的集成流程，它具有可視化、模擬性、優(yōu)化性、協(xié)調(diào)性和可出圖性五大特點(diǎn)[3-4]。

隨著 BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)，越來(lái)越多的工程項(xiàng)目開始應(yīng)用 BIM技術(shù)。在國(guó)外較多的既有建筑物的工程中都應(yīng)用了 BIM技術(shù)，如英國(guó)再生能源系統(tǒng)有限公司的總部和房客中心、高迪設(shè)計(jì)的圣家族教堂屋頂修復(fù)工程等均展示了 BIM 技術(shù)在既有建筑改造設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與發(fā)展空間；美國(guó)自由大廈是在原有世貿(mào)大廈舊址上建設(shè)的建筑，其中應(yīng)用 BIM技術(shù)進(jìn)行了施工管理、設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)了改造工程的設(shè)計(jì)要求、建筑可持續(xù)性等[5]。臺(tái)灣以“開放式建筑”為理念，對(duì)現(xiàn)有公寓建筑進(jìn)行可持續(xù)改造，改工程通過(guò) BIM技術(shù)的評(píng)估與反饋設(shè)計(jì)方案費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了空間的靈活性，減少了成本等[6]。BIM 技術(shù)不僅應(yīng)用于既有建筑物改造的施工和設(shè)計(jì)中，在其后續(xù)使用和信息數(shù)據(jù)管理方面也得到了較廣泛的應(yīng)用，Danny V等[7]提出整合BIM技術(shù)、能源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)施管理軟件等各項(xiàng)技術(shù)，并應(yīng)用于建筑能源管理的創(chuàng)新概念與系統(tǒng)架構(gòu)以協(xié)助管理人員及時(shí)掌握建筑物的能源信息，有效地提高管理效率；Godager B A[8]以醫(yī)院改造項(xiàng)目為例，建立了滿足后續(xù)使用功能(如消防安全、通用設(shè)計(jì)、日常運(yùn)營(yíng)等)BIM模型，并以此為基礎(chǔ)對(duì)其他改造項(xiàng)目的信息數(shù)據(jù)模型、管理人員實(shí)施策略等進(jìn)行討論；Ergen E等[9]從歷史文化建筑的可持續(xù)改造項(xiàng)目入手，對(duì)BIM技術(shù)的協(xié)同數(shù)據(jù)管理平臺(tái)對(duì)管理和完善的設(shè)計(jì)、組織和改造項(xiàng)目建設(shè)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了探討。

BIM技術(shù)引進(jìn)初期，其在中國(guó)主要應(yīng)用于復(fù)雜、大型的建筑上，而后逐漸應(yīng)用于既有建筑物的改造、建筑運(yùn)營(yíng)維護(hù)以及古建筑保護(hù)等方面[10]。BIM技術(shù)在既有建筑中的功能應(yīng)用與研究，西安建筑科技大學(xué)主要研究基于BIM技術(shù)的古建筑建模技術(shù)，并將其應(yīng)用于古建筑的修復(fù)與保護(hù)方面；北京交通大學(xué)側(cè)重于BIM技術(shù)的數(shù)字化建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于北京四合院的修復(fù)與更新設(shè)計(jì)中[11-12]。BIM技術(shù)在既有建筑改造實(shí)施應(yīng)用過(guò)程中，中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院參與設(shè)計(jì)的基于保護(hù)與復(fù)原性質(zhì)的北京故宮、敦煌的數(shù)字化工程等項(xiàng)目中的BIM應(yīng)用均代表了當(dāng)前BIM技術(shù)在我國(guó)建筑改造項(xiàng)目中的應(yīng)用成就[13]。

從前人的研究中，可以清楚地發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)在既有建筑物的改在中得到廣泛的應(yīng)用，但他們的研究大都是從整個(gè)項(xiàng)目上表達(dá)BIM技術(shù)在既有建筑物改造設(shè)計(jì)、施工、后期運(yùn)營(yíng)等上面的應(yīng)用，沒(méi)有具體到某個(gè)軟件、某個(gè)功能上。本文某混凝土框架結(jié)構(gòu)機(jī)房改造設(shè)計(jì)為例，利用Revit建模，將具有建筑物的資料進(jìn)行信息化保存，為后續(xù)的運(yùn)營(yíng)提供參考，接著利用其碰撞檢測(cè)功能及可視化功能實(shí)現(xiàn)加固改造方案的優(yōu)化、減少變更、縮短周期等，再利用其光照模擬功能實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

2.1 改造項(xiàng)目的Revit模型搭建

在運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)既有建筑物加固改造設(shè)計(jì)前，需要將既有建筑物的信息導(dǎo)入到Revit軟件中，因此根據(jù)既有建筑物的信息，在Revit中搭建改造項(xiàng)目的模型，如圖1是建模流程圖，圖2是根據(jù)流程圖的建模過(guò)程。

2.2 應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行改造方案的設(shè)計(jì)

BIM技術(shù)實(shí)際上是三維模型技術(shù)的拓展，在傳統(tǒng)三維模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)專業(yè)在同一個(gè)平臺(tái)上的協(xié)同設(shè)計(jì)[3]。本論文主要是采Revit軟件對(duì)改造方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用盈建科軟件。

2.2.1 梁與管線的碰撞處理

利用Revit軟件和盈建科軟件的互通功能，將在Revit中建好的機(jī)房模型導(dǎo)入盈建科軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示梁的強(qiáng)度不足，需要進(jìn)行加固。加固的方法既可以采用增大截面法，也可以采用粘貼碳纖維法等方法。首先在Revit模型中采用增大截面法對(duì)梁進(jìn)行加固(如圖3是改造前梁與管線的位置)，然后利用Revit軟件的碰撞檢測(cè)功能對(duì)加固改造后的建筑物進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)梁與管線發(fā)生了碰撞(如圖4是改造后梁與管線的位置)，要解決此問(wèn)題，可以采取以下方法：

(1)在改造后的建筑平面圖中重新計(jì)算管線放置位置，顯然這種在二維平面圖上解決管線位置布置的方法計(jì)算量大、費(fèi)時(shí)、受人為因素的影響較大、容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，有的甚至還可能導(dǎo)致返工等，所以此方法不合理；

(2)在運(yùn)用BIM技術(shù)建好的模型中修改管線的位置，然后導(dǎo)出施工圖紙，通過(guò)模型和圖紙共同指導(dǎo)施工。由于BIM技術(shù)修改模型的優(yōu)點(diǎn)是一處更改，處處更新，這就減少了人工操作時(shí)遺漏等錯(cuò)誤的產(chǎn)生。運(yùn)用BIM技術(shù)還可以對(duì)改造后的管線與梁的位置進(jìn)行碰撞檢查，這就避免了施工后發(fā)現(xiàn)碰撞，拆除重新安裝，進(jìn)而縮短了施工周期、減少材料的浪費(fèi)等。

(3)運(yùn)用BIM技術(shù)發(fā)現(xiàn)用增大截面法加固梁后，梁與管線發(fā)生碰撞，可以選擇其他合理的加固方法，如粘貼碳纖維、粘剛法等。圖5為BIM模型中采用粘貼碳纖維的方法加固梁后梁與管線的位置。通過(guò)圖4與圖5相比較，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)梁既可以采用增大截面法加固，又可以采用粘貼碳纖維的方法加固時(shí)，一般選擇粘貼碳纖維法，因?yàn)閺哪Ｐ偷娜S中，能夠明顯知道采用粘貼碳纖維的方法加固梁對(duì)原有結(jié)構(gòu)的改動(dòng)小，管線也不需要有變動(dòng)，避免了拆除裝置的浪費(fèi)，以及重新布置管線位置的工作，節(jié)約了時(shí)間。因此采用此方法最佳。

圖1 建模流程圖 圖2 根據(jù)流程圖的建模過(guò)程

圖3 改造前梁與管線的位置圖 圖4 采用增大梁截面法改造梁后，梁阻礙管線的放置 圖5 采用粘貼碳纖維的方法加固梁后，梁與管線的位置

2.2.2 柱與管道及窗子的碰撞處理

將在Revit中建好的機(jī)房模型導(dǎo)入盈建科軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示柱的強(qiáng)度不足，需進(jìn)行加固。通常情況下，當(dāng)對(duì)柱進(jìn)行加固改造時(shí)，設(shè)計(jì)人員會(huì)在施工前對(duì)柱與管道、窗是否發(fā)生碰撞進(jìn)行檢測(cè)，但由于圖紙的局限性不能夠全面反應(yīng)各種狀況，造成一些柱與管道、窗發(fā)生碰撞。為了避免這些不必要的問(wèn)題，利用BIM技術(shù)的可視化功能進(jìn)行柱與管道、窗的碰撞檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)漏洞并反饋給設(shè)計(jì)人員，提早解決實(shí)際問(wèn)題，以最迅速的方式解決問(wèn)題、提高效率、減少浪費(fèi)。圖6是在BIM模型中柱與管道、墻在改造加固前的位置。圖7是采用增大截面法加固柱后，柱與管道、窗的位置，從此圖中，我們能夠明顯的看到柱與管道、窗發(fā)生了碰撞。圖8是采用粘貼碳纖維加固柱后，柱與管線、窗的位置。當(dāng)柱既可以采用增大截面法加固又可以采用粘貼碳纖維加固時(shí)，從圖7和圖8可知，采用粘貼碳纖維加固柱的方案最優(yōu)。采用這種方法可以減少對(duì)既有建筑構(gòu)件的擾動(dòng)，不會(huì)破壞建筑的整體結(jié)構(gòu)，避免了對(duì)管道的重新布置。

圖6 柱加固改造前與管道、窗的位置

圖7 采用增大截面法加固柱后，柱與管道、窗發(fā)生碰撞

圖8 采用碳纖維加固柱后，柱與管道、窗的位置

2.2.3 隔墻改造后進(jìn)行房屋的光照模擬分析

在Revit中，用日照分析可以模擬建筑物靜態(tài)的陰影位置，也可以動(dòng)態(tài)模擬一天和多天的建筑陰影走向，以可視的方式展示來(lái)自地勢(shì)和周圍建筑物對(duì)場(chǎng)地的影響，以及自然光在一天或一年中的特定時(shí)間會(huì)從哪些位置攝入建筑物內(nèi)。通過(guò)Revit中的日照分析，可以分析出建筑物每個(gè)房間的采光效果，可以幫助設(shè)計(jì)者對(duì)隔墻的改造。圖9在北京時(shí)間2016年夏至10月21日9點(diǎn)，隔墻未改造時(shí)房間的光照情況。圖10為在北京時(shí)間2016年夏至10月21日9點(diǎn)隔墻由磚墻改為玻璃墻后，房間的光照情況。由這兩幅圖，可以明顯地發(fā)現(xiàn)在此處將磚墻改為玻璃墻更好，這可以提高房間的采光效果。因此在對(duì)原有建筑隔墻進(jìn)行改造設(shè)計(jì)時(shí)，可以運(yùn)用BIM技術(shù)幫助設(shè)計(jì)者合理的選擇隔墻的材質(zhì)、隔墻的放置位置，以達(dá)到各個(gè)房間的采光要求。運(yùn)用BIM技術(shù)可以模擬建筑物各個(gè)時(shí)間段的日照情況，通過(guò)日照模擬分析有助于合理的放置窗、隔墻的位置，有助于選擇合適的窗戶大小、隔墻材質(zhì)等，有助于合理地布置各個(gè)房間的功能。

圖9 隔墻為基本磚墻時(shí)房間光線

圖10 隔墻改為玻璃墻后房間光線

3 結(jié)論與展望

以某混凝土框架結(jié)構(gòu)機(jī)房加固改造為背景，首先論述了為什么將BIM技術(shù)引用到既有建筑物的改造設(shè)計(jì)中，接著論述了BIM技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展，最后論述了將BIM技術(shù)運(yùn)用于既有建筑物的改造設(shè)計(jì)中。得到以下的結(jié)論：

(1)在機(jī)房的加固改造設(shè)計(jì)中，可以運(yùn)用BIM技術(shù)將改造方案在建筑模型中可視表達(dá)，然后檢查加固后的梁與管道、柱與管道和窗等是否發(fā)生碰撞，從而優(yōu)化加固改造的設(shè)計(jì)方案，縮短施工周期，降低成本。

(2)運(yùn)用BIM技術(shù)建成的既有建筑物加固后的模型，包含了既有建筑物的所有信息，有助于信息的保存及該建筑物后期的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。