适用于工业化钢结构的4D BIM虚拟建造方法研究文档格式.docx
《适用于工业化钢结构的4D BIM虚拟建造方法研究文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《适用于工业化钢结构的4D BIM虚拟建造方法研究文档格式.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
0 引 言
与其他结构相比，钢结构是最符合产业化生产方式的结构形式，最容易实现设计的标准化，构配件生产的工厂化，施工机械化、装配化[1]，非常符合建筑产业化的要求。
欧美地区钢结构住宅建筑已经占全部建筑总量的65%
左右，在日本占到50%
左右。
中国2002年至2013年钢结构复合增长率达13.73%[2]。
住建部将钢结构住宅体系的开发和应用作为我国建筑业用钢的突破点。
我国钢结构“十二五”发展规划提出到2015年逐步实现年建筑钢结构用材占全国钢材总产量的10%左右，钢结构住宅建设占房屋总建筑面积的15%左右的目标[3]。
随着钢结构的设计、制作和安装方面技术进步和经验积累，钢结构设计、施工、验收规范的逐步建立健全，钢结构建筑在我国还能得到进一步的发展。
当前的建筑产业化是与信息化深度融合的工业化[4]，而建筑信息模型（BIM）技术是建筑领域新兴的信息技术，钢结构中运用BIM技术，能够充分挖掘出钢结构的信息，推动钢结构的工业化发展。
BIM与钢结构结合的研究正逐步受到国内外学者的关注。
Akponanabofa
Henry
Oti等研究了在钢结构中引入BIM技术以控制能耗的方法[5]。
Lu
N
and
Korman
T分析了BIM对模块化钢结构建筑带来的机遇和挑战[6]。
崔建华通过二次开发技术，基于CATIA平台，实现了钢结构节点的自动布置[7]。
田啟良提出了基于IFC的钢结构BIM数据库的数据存储方法，得出了面向钢结构的BIM数据库设计的流程[8]。
张宏胜对钢结构施工方案进行虚拟仿真分析，创建了基于虚拟施工平台的钢结构主控式施工方案设计模式[9]。
纪颖波等人深入分析了BIM对于新型建筑工业化的价值，并提出了政策建议[10]。
然而，上述研究并未基于工业化钢结构的大背景，因此本文结合工业化钢结构的BIM应用特点，提出一套适用于工业化钢结构的4D
BIM虚拟建造方法，为工业化钢结构建造中BIM应用提供一定的指导和借鉴。
1 基于4D
BIM的工业化钢结构特点分析
1.1 传统模式与建筑工业化模式对比分析
新型建筑工业化是采用标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理为主要特征的生产方式[11]。
工业化钢结构建筑必然遵循这种部品化、模块化、预制化、装配化的建造模式。
工业化钢结构的各个构件，都是一个个独立的单元，这些单元包括零件、外购半成品和外购成品等，这些独立的单元可以统称为部品。
与传统建筑的建造模式相比，工业化钢结构建筑的建造模式具有明显的面向对象的特性，表现在其设计过程是各种部品最优组合的过程，施工过程是部品单元实际装配的过程，如图1所示。
图1 传统模式与建筑工业化模式的比较
1.2 4D
BIM下的工业化钢结构特点
1.2.1 面向部品的建模特性
从图1可以看出，新型工业化钢结构建造的关键在于部品的设计和选择。
因此，在BIM应用上，其关键也应该为部品。
在建筑设计过程中，通过直接调用或编辑使用BIM部品，遵循“一次创建，多次使用”的原则，可以大大提高BIM建模的效率。
BIM部品不仅包含模型的几何信息，还包含了大量的其他参数信息，例如：
性能参数、生产厂家、价格信息等。
随着项目经验的累积，随着工程项目的增加，BIM部品库可以不断扩增BIM虚拟构件的数量、种类和规格[12]，所以建立信息化构件库是建立BIM模型的关键所在。
参数化对象的建模方式为创建和编辑几何体提供了一种强大的途径，重复使用信息化构件库中的构件可以大大降低建模的工程量和出错率。
1.2.2 4D模拟的重要性
相对于其他类型的建筑，4D模拟对工业化钢结构建筑更为重要，这是由它装配化的特性决定的。
由于工业化钢结构采用预制装配化施工，为了保证部品安装到位，防止由于安装不当造成结构安全、建筑防水、防潮、保温等性能受损的情况出现，也为了保证安装过程能顺利进行，尽可能避免工序之间的冲突和施工安全问题，在确定施工方案和进行施工技术交底时，必须采用4D模拟可视化方法进行。
该方法具有表达直观性、可重复性、多维性等特点，可以实现多施工方案的模拟选优以及技术交底的虚拟演练，在施工之前杜绝安全隐患，优化施工方法，从而实现施工过程的预先控制。
2 基于BIM部品库的钢结构BIM建模及4D模拟方法
2.1 研究思路
新型钢结构BIM建模方法围绕BIM部品库展开，以“模型建造-模型应用”为主线，主要由三阶段构成，即BIM部品库组件与更新阶段、BIM模型构建阶段和BIM
4D应用阶段，如图2
所示。
图2 基于BIM部品库的钢结构建模方式
2.2 4D
BIM模型构建阶段
结合工业化钢结构BIM建模面向部品的特性，该阶段围绕BIM部品展开，主要包括部品规划、部品检索、部品调用、部品定义、部品布置5项关键工作。
2.2.1 部品规划
部品规划是指根据设计文件的要求，从BIM部品库中选择合适的部品进行BIM建模的工作。
由于各部品是建筑不同功能的载体，而这些功能的有机整合就形成了一个具有特定功能的建筑。
部品规划的目的就是结合不同项目的具体需求，选择最为合适的部品组合。
例如，对于节能要求较高的建筑，通常会选择导热系数较小的墙体部品，而对于施工进度要求高的建筑则选择装配式的轻质条板墙体。
部品规划最终输出的是一个对设计方案各部品要求的清单，清单中详细规定了部品的参数，包括：
几何参数、材料参数、规格参数等。
参数种类和数量需要结合不同的部品、不同的建筑、不同的设计要求确定。
2.2.2 部品检索
部品检索是根据部品需求清单判断参数化构件库中是否存在合适的部品的工作。
该过程将根据部品清单中的部品描述逐个查找部品。
如果清单中的部品存在，则进行部品调用工作，否则进行部品定义工作。
2.2.3 部品调用
部品调用是从BIM部品库中选择部品，作为建模前的准备工作。
部品调用时，为了防止对原始BIM部品文件的修改，通常需要复制一个副本以供建模之用。
2.2.4 部品定义
部品定义是针对不存在于BIM部品库的部品，通过部品建模的方式建立一个新的部品的工作。
部品定义的方式有两种：
1）基于已有类似部品进行修改，例如：
若目标建筑需要采用条板墙体，而当前BIM部品库中只由砌块墙体，则可以在砌块墙体的基础上，将其相关属性信息改为条板墙体的信息即可。
2）重新对部品进行建模，这通常针对的是建筑中数量较多，几何形状较为复杂，但是尺寸和布置具有一定规律的构建。
当新部品定义完成后，需要将其保存入信息化构件库，以备其他工程之用。
例如：
以轻质条板内墙与钢梁连接节点部品为例。
如图3和表1所示。
图3 轻质条板内墙与钢梁连接节点示意
按照设计要求，在元素参数设定中，可以从表1中看出：
L形卡的厚度（t）都是6
mm，在设定L形卡厚度参数时，直接定义为6
mm；
L形卡的宽度（B2）处理方式相同；
角钢的截面尺寸也具有规律性，当内墙厚度不大于160
mm时，角钢尺寸为63×
6；
当墙体厚度小时160
mm时，角钢尺寸为50×
可以使用与L形卡厚度（t）相似的处理方式。
L形卡的长（B1）与内墙厚度存在关系：
L形卡长=内墙厚度+10
mm。
可以在设定内墙厚度参数时，直接定义出L形卡的长度数值B1为内墙厚度+10
mm，这样可以直接通过需要输入的参数值，直接二次生成其他相关属性的参数值，减少参数的复杂性，既减少参数节点的手动编辑工作量，也可以减少出错率。
最终构造完成的节点如图4所示。
在模型参数设定时，也要充分考虑对象的空间位置联系，挖掘空间位置参数的内在关联，保证位置关系的准确性，有效性。
表1 L形卡、角钢连接金属件信息
长度B1/mm厚度t/mm内墙厚度/mm宽度B2/mm角钢规格/mm706605050×
61006905050×
613061205050×
616061505063×
621062005063×
6
注：
角钢材质为Q235B热镀锌钢材。
图4 外墙条板与钢梁连接节点
2.2.5 部品布置
部品布置是将之前定义和调用的部品按照设计要求组装成完整BIM模型的过程。
建模过程包括两部分：
首先，根据结构施工图建立轴线布置和搭建构建模型。
保证BIM部品的定位和拼装的精度。
其次，对一些较为细小和复杂的部品（在钢结构中通常为节点）进行布置。
由于通常这些节点的布置具有规律性，因此可以编写一个布置这些节点的插件，从而实现该类部品的自动布置。
插件是基于BIM部品库建模过程中必不可少的一步，良好的插件可以让建模过程更加自动化、智能化，提升建模效率。
节点定义完成后，接下来就是对节点进行布置。
节点的布置要求每隔800
mm或1
200
mm设置一个。
每个连接件长150
因此可以通过编写插件的方式实现节点的自动布置。
插件的开发环境是Microsoft
2010，编程语言为C[13]（图
5），通过引用软件安装目录下的RevitAPI.dll
和RevitAPIUI.dll，编写了一个自动识别墙长、墙厚，按照要求的间距布置合适的节点程序插件,如图5—图7所示。
图5 节点布置之前的墙体
图6 插件运行时的界面
布置完成的界面在图框中。
图7 节点布置完成的界面
2.3 4D
BIM应用
建立好的BIM模型包含了建筑的信息，只有让这些信息得到应用才能发挥BIM的价值。
由于4D模拟对于工业化钢结构建筑来说非常重要，因此需要对BIM模型进行4D施工过程模拟。
根据模拟范围的不同，4D模拟可以分为整体模拟法和重点部位模拟法两种。
4D
BIM施工虚拟建造是对整个建筑进行全过程的施工方案模拟，即在以不消耗实物的前提下，对施工过程仿真模拟，达到多次虚拟建造优化和一次实物安装建造的结合效果。
一般的做法是：
首先，将BIM模型与进度计划关联起来，从而赋予BIM模型各个构件以时间属性；
然后，通过设置不同构件、不同状态下的可视化信息，以进行施工过程的预演仿真。
由于BIM模型支持时间、空间任意角度的预览，进度计划人员和施工方案编制人员可以自由切换到任意标高、任意角度、任意时间点和时间段来查看施工状态，从而确定施工方案是否可行。
重点部位可建造性是针对建筑工程局部进行4D模拟，该工作的对象通常是施工工艺有特殊要求的节点。
该过程需要定义操作过程的先后顺序，然后将其与节点的各个部件关联。
由于重点部位可建造性可以做到工序级别的精细度，因此对于展示关键部分的施工工艺非常有用。
重点部位可建造性可以用于施工关键部分的技术交底。
3 案例分析
3.1 项目概况
低层模块化生态钢结构项目位于武汉市蔡甸区，为低层住宅建筑，房间功能分区主要包括：
卧室、客厅、车库、卫生间等，建筑高度约为6.64
m，建筑面积约为311.4
m2,共两层，一层主要为大厅庭院客厅等，二层主要为卧室等。
本建筑采用模块化施工方法、结构模块化设计、节能材料围护结构、中庭采光、太阳能热水以及太阳能光伏发电系统技术，从而达到节能示范的效果，如图8所示。
图8 中建钢构模块化生态建筑效果
3.2 基于BIM部品库的项目建模过程
本项目钢结构及部分内墙采用装配化施工，建模软件选择TEKLA和Revit，首先在TEKLA中对钢结构部分进行建模，然后导入Revit进行建筑部分建模。
部品库选择两种软件自带的部品库。
在部品规划阶段，将所有装配化的结构构件定义为部品，相关部品如表2所示。
其中，结构
升级会员 