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虚拟建造(BIM)技术在国泰艺术中心项目中的运用

发布时间:2017-05-23 浏览:1264

虚拟建造(BIM)技术在国泰艺术中心项目中的运用
曾强 邓祖祥 白瑞华 钟鸣

1.概述
      传统的土木工程学定义为运用数学、物理、化学等基础学科知识,力学、材料等技术科学知识和土木工程相关技术知识来研究、设计、建造、使用维修各种建筑和构筑物的学科。
       建筑工程施工是一项将设计图纸建造成实物的复杂工作。其施工方法和组织程序都存在多样性、多变性。目前对施工方法和施工组织优化主要建立在施工经验的基础上。依靠施工经验对工程施工进行控制和优化具有一定局限性,可能由于思维惯性而忽略重要结果,更无法开展定量分析。
       虚拟建造(Building Information Model),是实际建造过程在计算机上的映射。因此可以通过计算机虚拟建造环境来模拟和估览建筑的外观、功能和施工性能等各方面可能存在的问题。在高性能计算机等设备和先进软件环境的支持下,在计算机上群组协同工作,对施工建造活动中的人、财、物、信息流动过程进行全面的仿真再现,以发现施工中可能出现的问题,以便在实际投资、设计或施工活动之前就采取预防措施,从而达到项目的可控性,并降低成本、缩短工期、减少风险,增强施工过程中的决策、优化与控制能力。
       虚拟建造不消耗现实资源和能量,所进行的过程是虚拟过程,因而能为工程施工建造提供有益的经验,使施工建造技术走出主要依靠经验的狭小天地,发展到建造概念形成、设计到施工全过程的三维可视信息建造模型环境,全方位预估的新阶段。


2.虚拟建造模型的分类
       根据PDCA管理循环理论,我们可以从设计、施工和管理控制三个层次来理解虚拟建造。虚拟建造系统的模型与真实实体或过程一一对应,主要表现在以下几方面。
1.1以设计为中心的虚拟建造
       虚拟建造把施工信息引入到设计全过程,利用虚拟仿真(FEM)技术来优化建筑和结构设计。在设计阶段对设计的建筑构件的制作、安装进行可行性分析。分析内容包括施工过程的力学分析、工艺分析,甚至包括运动学分析和动力学分析。以设计为中心的虚拟建造主要解决“设计建筑是怎样实现”的问题。
1.2以施工为中心的虚拟建造
       以施工为中心的虚拟建造是在施工过程模型中融入虚拟仿真技术,以此来评估和优化施工过程,优化施工方案、材料需求规划,工期计划等,主要是评判施工的合理性。以施工为中心的虚拟建造主要解决“施工组织是否经济合理”的问题。
1.3以管理为中心的虚拟建造
       以管理为中心的虚拟建造是将控制模型应用于实际处理程序中。利用智能化网络和于虚拟控制模型对应的数值化传感器,建立信息收集和处理的功能。以管理为中心的虚拟建造主要解决“如何管理和控制”的问题。

       因此虚拟建造模型可分为三类:①施工力学模型;②施工信息模型;③虚拟信息管理模型。


3.虚拟建造技术在国泰艺术中心项目中的运用
       国泰艺术中心位于重庆市解放碑城市CBD的核心区,西北临临江支路,东南临姜家巷路。国泰艺术中心主要功能为大戏院和美术馆,总建筑面积约30463m2,其中:国泰大戏院11650m2、重庆美术馆7650m2、地下车库及附属用房11550m2,建筑高度 42.00m。 整体建筑共10层,地下3层,地上7层,其中地下1~2层为小剧场,地下3层停车库,地上1~4层为大戏院,5~7层为美术馆。结构体系主要采用框架剪力墙结构,局部区域采用大跨重型转换桁架和悬挑空间桁架的钢骨混凝土结构,小题凑设计为顶部持力的悬挂结构。

       国泰艺术中心建筑设计新颖独特,导致结构构件空间关系、节点形式及类型复杂,对结构设计、钢结构零构件加工精度及现场安装精度都提出了很高的要求。在西侧大题凑钢结构施工设计中采用了虚拟建造模型技术。在工程实施过程中,技术工程师利用软件平台建立结构信息模型、自动生成图纸、自动统计料表及自动生产数控文件等诸多优点,提高了钢结构施工深化设计工作效率和图纸的质量,很大程度上降低了错误率。
       国泰艺术中心运用的虚拟建造技术主要有以下几方面:①复杂SRC结构的施工力学数值模拟分析技术(施工过程力学分析);②复杂场地条件下大型钢结构桅杆吊装技术(施工建造模型分析);③钢骨混凝土(SRC)穿筋技术(施工建造模型分析);④Semi-Rigid Suspending Structure半刚性悬挂结构体系的施工技术(施工建造模型分析)。
3.1复杂SRC结构的施工力学数值模拟分析技术
3.1.1复杂大跨度空间钢、混凝土组合结构协同变形模拟分析及施工动态控制技术
       剧院大厅顶部大跨钢结构桁架转换层承载局部三层的美术馆展厅为混凝土框架结构,属于高大空间钢结构转换混凝土结构的组合结构工程,施工方法及施工措施稍有不当,将会造成上部三层砼框架开裂、破坏,美术馆无法使用。
       通过施工过程分析和常规分析方法之间的计算结果对比发现,按照施工过程分析的变形结果,转换桁架的跨中竖向位移大于常规分析的数值;施工过程分析内力结果,转换桁架的跨中弯矩大于常规分析的数值。同时大跨度钢结构桁架桁架的最大变形量为67.1mm 。通过计算分析确定钢结构转换桁架起拱量为50mm。为保证结构整体变形和结构内力变化相对稳定采用“先起拱,后预压,最终释放的方案”进行结构施工。
       2009年9月,施工单位完成了国泰艺术中心大跨度钢桁架转换层与上部砼框架的施工专项技术方案。原方案采用“一次加载、多次卸载,保证桁架受力相对稳定,上部框架支座相对位移在控制范围内”的方法进行预压施工。
       根据专家会的建议,施工单位重新建立整体空间有限元模型(Ansys),对预变形施工进行了模拟分析。最终确定了“首先起拱,一次加载,一次卸载”的方法进行施工预压。施工过程中技术人员根据模拟计算数据和现场监测结果,对国泰艺术中心大跨度钢桁架转换层与上部砼框架组合结构施工过程和最终的卸载,进行了应力应变和结构变形的连续跟踪监测。

       施工模拟计算精确度较高,其中模拟计算的数值与实测数据的比约为70%。预压施工从2009年12月开始,到2011年4月结束,共经历一年零五个月的时间,三榀大跨度钢结构转换桁架一直保持着2700吨的预压荷载,因此预变形施工也同时检验了大跨钢桁架的工作性能。最终卸载后大跨度钢桁架与上部混凝土框架的变形都控制在规范和设计的允许范围,圆满完成了既定目标。
3.2复杂场地条件下大型钢结构桅杆吊装技术(施工建造模型分析)
       由于现场和运输条件限制,模拟方案分析、比较以“剪力墙留槽,构件分节转运,现场拼装焊接,双桅杆抬吊,整体提升,旋转就位,考虑环境温度实施结构固结”的方式进行安装。利用钢骨柱作为桅杆式起重机的支撑,利用风缆进行主桅杆的固定构成了桅杆吊装系统的外部约束条件。桅杆吊装体系包括了:悬臂起重杆、主桅杆、起伏滑车、回转底座。

3.3钢骨混凝土(SRC)穿筋技术(施工建造模型分析)
       钢骨混凝土施工中,钢筋与钢骨结构的穿筋和连接质量是关系到SRC结构安全的关键问题。国泰艺术中心工程利用虚拟建造技术在深化设计阶段考虑混凝土结构与钢骨结构的相互关系,提高了施工中穿筋的准确性,保证了施工质量。

3.4 Semi-Rigid Suspending Structure半刚性悬挂结构体系的施工技术(施工建造模型分析)
       国泰艺术中心装饰性题凑(小题凑)设计新颖,属世界首创,同时其结构设计理念大胆创新,采用了复杂的悬挂结构体系。小题凑体系外形上大下小,覆盖穿行于整个建筑,如一颗参天的黄桷树,枝繁叶茂饱含着旺盛的生命力。小题凑是整个国泰艺术中心建筑的点睛之笔,是艺术灵魂的淋漓展现。从力学角度分析,小题凑体系顶部的3层的持力层结构悬挂下部多达29层的题凑荷载,总重量1370吨左右。因此小题凑的安装是整个项目施工的关键。
       国泰艺术中心工程中的小题凑建设施工,是一个建设难题,主要是小题凑在施工过程中与施工结束时的变形难以控制,且受多种因素的影响,小题凑每层施工过程中和施工后都会对上面的小题凑的变形产生影响,因此就必须先算出小题凑在自重和施工情况下变形,然后在施工的时候先对小题凑进行起拱,当施工完成后,小题凑在自重下保持水平,并呈微微上翘之势。
为了能是小题凑在施工完成后达到预期的效果,在小题凑施工的过程中,应随时保持对小题凑的施工过程进行监测,以防止小题凑施工完成后与设计目标形成过大的偏差。
小题凑(32层)按照受力情况的不同分为两类:①结构持力层题凑(1-3层);②悬挂层题凑(4-32层)。小题凑施工的关键在于结构持力层题凑(1-3层)的起拱控制。

       根据虚拟模型分析以型钢支承和碗扣式脚手架组成的混合支承体系作为题凑主要支承系统。按照先上后下,先结构层后悬挂层的顺序分层安装。上部结构层安装完成后与型钢支承共同持力,脚手架降低标高形成工作转运平台,利用加固后的上部结构层分段吊装下部悬挂题凑。悬挂题凑安装完成后,进行型钢支承的卸载。整体变形稳定后,将室内题凑与悬挂题凑连接完成小题凑安装施工。

 

4.0虚拟建造技术的开发和展望
       BIM信息建造模型技术、有限元(FEM)技术和经典施工力学计算分析在工本程施工项目中的应用,加强了国泰艺术中心复杂结构施工过程的安全性和施工方案的经济性,为其它类似复杂结构施工过程的力学分析提供了参考的内容和研究方法。国泰艺术中心工程施工技术研究为在结构分析和施工方法之间架设一座高效畅通的“桥梁”,为施工学科研究从“经验”向“经验与数据相结合”的转变进行了探索和研究。
       虚拟建造技术是对传统建造方式的全面变革,带来了建筑施工企业组织、管理及生产方式等多方面的变化,提出了更高的要求,对此我们也要有足够的重视。现阶段包括企业科研经费紧缺、科研能力薄弱、一些先进的技术还不易取得立竿见影的实际效果等等现状,都影响了企业应用先进建造技术的热情。如何在现有的国外虚拟建造软件平台基础上进行二次开发,使其更加符合我国建筑企业的工作流程和信息交流,是值得将来重点研究的问题。

 

 

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