基于BIM技術(shù)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(guó)內(nèi)施工過程中，施工支撐系統(tǒng)倒塌導(dǎo)致的施工安全事故比重較高，學(xué)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(shù)結(jié)合起來，并運(yùn)用到分析施工期支撐體系安全方面來，由于它優(yōu)勢(shì)顯著，值得深入研究和分析。

關(guān)鍵詞：3D 技術(shù);施工支撐體系;BIM;安全分析

1? 引言

從相關(guān)統(tǒng)計(jì)來看，項(xiàng)目施工期支撐體系已經(jīng)連續(xù)多次發(fā)生倒塌事故主因是整體失穩(wěn)或者支撐失穩(wěn)，施工過程中不注重支撐體系方面的安全驗(yàn)算。因?yàn)橹误w系的建模與空間分析比較麻煩，當(dāng)前所開展的支撐體系極限穩(wěn)定承載力分析方法與計(jì)算模式存在著不足，未能有效地表明支撐體系空間結(jié)構(gòu)的相關(guān)力學(xué)特點(diǎn)，所以對(duì)推廣運(yùn)用這種計(jì)算方法與理論產(chǎn)生了較大影響。所以，文章把BIM與3D技術(shù)結(jié)合起來，并運(yùn)用到分析施工期支撐體系安全方面來，由于它優(yōu)勢(shì)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(chǔ)的支撐體系3D建模

以3D與BIM的結(jié)合為基礎(chǔ)，將項(xiàng)目的相關(guān)信息與外輪廓特征提取出來，借助自動(dòng)化、簡(jiǎn)化話的方式，構(gòu)建模板與支撐的3D模型，在和建筑構(gòu)件的相關(guān)沖突檢測(cè)過程中，摒棄自動(dòng)生成算法過程的諸多不合理布置點(diǎn)，對(duì)支撐體系進(jìn)行及時(shí)建模。

在針對(duì)支撐體系進(jìn)行快速建模的相關(guān)算法中，牽涉到兩個(gè)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(guī)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(shí)的樓板外形輪廓為基礎(chǔ)進(jìn)行建模（可以稱之為實(shí)形建模）;其次是按照支撐點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化式建模。

3? 支撐桿件的3D建模

本研究以AutoCAD平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)施二次開發(fā)，快速對(duì)支撐桿件進(jìn)行建模。在該快速建模模式中，以下是它的核心算法流程：預(yù)設(shè)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(guān)參數(shù)，決定可能布置點(diǎn)（在常規(guī)性的xy平面內(nèi)）;再次，預(yù)判各個(gè)支撐點(diǎn)有沒有處于樓板輪廓中，剔除處于輪廓之外的相關(guān)布置點(diǎn);最后，按照合格支撐點(diǎn)，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(jié)構(gòu)計(jì)算模型

筆者認(rèn)為，應(yīng)該編制輕量級(jí)的相關(guān)程序。以計(jì)算支撐體系的有關(guān)結(jié)構(gòu)。然而鑒于以后要擴(kuò)展為將安全分析與主體時(shí)變結(jié)構(gòu)相結(jié)合的要求，本研究將ANSYS當(dāng)作支撐體系方面的有限元計(jì)算平臺(tái)。在這其中，因?yàn)橥ǔＧ闆r下支撐桿件會(huì)采取圓形鋼管（要求截面對(duì)稱），在模擬時(shí)應(yīng)該采取梁?jiǎn)卧癇EAM188”。與此同時(shí)，在模擬過程中不必關(guān)注橫向、豎向支撐之間的連續(xù)性，要從交點(diǎn)處斷開（涵蓋了豎向、橫向支撐之間的相關(guān)交點(diǎn)、橫向支撐之間的交點(diǎn)），而且將其劃分成若干個(gè)小單元予以計(jì)算。、而且，應(yīng)該采取殼單元“SHELL65”，對(duì)大面積橫向的模板進(jìn)行模擬，而且按照豎向支撐與模板之間的交點(diǎn)，將其劃分成若干個(gè)小模板塊，分別予以模擬計(jì)算。

4.2? 支撐體系失穩(wěn)分析

在支撐體系本身承受的荷載處于某極限數(shù)值的情況下，如果稍微增加荷載，應(yīng)變與應(yīng)力就不再按照相應(yīng)比例變化，而是出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，此類內(nèi)部抗力的猛然崩潰，意味著失穩(wěn)或者屈曲。眾所周知，施工過程支撐機(jī)制本身的安全問題，重點(diǎn)出現(xiàn)在整體失穩(wěn)或者支撐失穩(wěn)方面。所以，如何方便而準(zhǔn)確地分析支撐體系自身的穩(wěn)定性，是分析施工安全活動(dòng)的重中之重。以有限元方式求解支撐體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，一般情況下會(huì)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(jié)構(gòu)達(dá)到了平衡狀態(tài)，荷載增量只要一個(gè)微量，它就會(huì)出現(xiàn)很大的位移增量。利用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，可以把特征值屈曲分析轉(zhuǎn)變成求解矩陣的相關(guān)特征值問題。這種方法可以用來判斷理想彈性結(jié)構(gòu)狀況的理論屈曲強(qiáng)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(gè)步驟：依據(jù)靜力方式，將靜力解求出來，然后依據(jù)屈曲方式，將特征值屈曲解求出來，最后依據(jù)擴(kuò)展求解方式，將擴(kuò)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(jí)加大位移或者荷載的方法，持續(xù)地修正單元本身的剛度矩陣（分析位移與應(yīng)力效應(yīng)），對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)實(shí)施必要的非線性靜力學(xué)分析，以此為基礎(chǔ)，找到它的臨界點(diǎn)。

4.3? 以三維施工安全信息模型為基礎(chǔ)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(gòu)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(duì)支撐體系進(jìn)行必要的安全分析。

（1）構(gòu)建三維施工安全信息模型。對(duì)支撐體系中的三維施工安全信息進(jìn)行建模，是對(duì)支撐體系的施工過程進(jìn)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(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建與支撐構(gòu)件實(shí)施必要的碰撞檢測(cè)，排除相應(yīng)的沖突支撐。第三，把WBS工序接電與支撐體系三維模型關(guān)聯(lián)起來，完成了WBS工序與三維模型的3D關(guān)聯(lián)，而且賦予了模板、支撐等支撐體系構(gòu)件的相關(guān)工程屬性，比如材料屬性、支撐屬性、以工序?yàn)榛A(chǔ)的荷載效應(yīng)。上述屬性利用支撐實(shí)體這個(gè)對(duì)象，進(jìn)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(jié)構(gòu)的三維施工過程中，支撐體系可以采取三維動(dòng)態(tài)的方式，模擬施工過程。區(qū)別于主體結(jié)構(gòu)的三維動(dòng)態(tài)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(shè)，工序持續(xù)時(shí)間非常短暫，是臨時(shí)性使用的實(shí)體構(gòu)件。所以，從架設(shè)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(qū)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(diǎn)涵蓋了下列內(nèi)容：第一，在三維模擬支撐體系的施工過程中，應(yīng)該設(shè)定模擬進(jìn)度中的任何時(shí)間點(diǎn)，分析計(jì)算與導(dǎo)出它的支撐體系，也就是說，依據(jù)現(xiàn)今所模擬的施工進(jìn)度情況、支撐體系的實(shí)際支撐狀況，及其承載情況等，合理地構(gòu)建計(jì)算模型，并要把握支撐構(gòu)件具備了哪些工程屬性，按照分析模型導(dǎo)出相關(guān)計(jì)算結(jié)果，把可供有限元分析計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)與模型自動(dòng)導(dǎo)出來，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫或者文本文件中。然后經(jīng)由數(shù)據(jù)接口，把導(dǎo)出的相關(guān)數(shù)據(jù)與模型，導(dǎo)入到相關(guān)結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，以分析與計(jì)算支撐體系在這個(gè)時(shí)間的安全性能。在此過程中，因?yàn)檎w彎曲或者局部彎曲對(duì)支撐體系自身的安全性問題起著主導(dǎo)性的作用，所以應(yīng)該結(jié)合支撐體系的具體結(jié)構(gòu)形式，單獨(dú)對(duì)支撐體系進(jìn)行屈曲分析，以得出屈曲臨界的荷載。分析計(jì)算的相關(guān)結(jié)果，也就是這個(gè)時(shí)點(diǎn)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和屈曲臨界的荷載等多種數(shù)據(jù)，能夠以中介文件的面目，提供給設(shè)計(jì)支撐體系的相關(guān)人員，當(dāng)然也能夠經(jīng)由數(shù)據(jù)接口，返回到三維施工安全信息模型中，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的3D形象。最后，對(duì)支撐體系的相關(guān)評(píng)價(jià)模型與安全分析，能夠求出支撐體系在這個(gè)時(shí)點(diǎn)的安全性能指標(biāo)，而且可以開展預(yù)警預(yù)報(bào)，評(píng)價(jià)其安全性能。

5? 結(jié)論

綜上所述，針對(duì)現(xiàn)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(shù)，構(gòu)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(jié)構(gòu)信息，借助三維進(jìn)度模擬，自動(dòng)地生成與進(jìn)度變化相吻合的計(jì)算模型與支撐結(jié)構(gòu)機(jī)制。希望這種方式能夠盡快地從理論走向?qū)嵺`，更好地提升該領(lǐng)域的穩(wěn)定性分析，準(zhǔn)確地計(jì)算力學(xué)性能，削減支撐體系分析過程中的數(shù)據(jù)、建模工作量，增強(qiáng)安全分析的效率與精度。

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作者簡(jiǎn)介：

尹水壽（1983—，男，南京工業(yè)大學(xué)（南京），本科，工程師，研究方向：建筑工程施工，BIM技術(shù)應(yīng)用。