基于BIM技术的超高层钢结...以深港开放创新中心项目为例_郑琦.pdf
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1、46建筑科技2023 年 第 3 期建筑工业化Building Industrializayion基于BIM技术的超高层钢结构内力监测与模拟研究以深港开放创新中心项目为例Research on Internal Force Monitoring and Simulation of Super Tall Steel Structure Based on BIM Technology:A Case study of Shenzhen Hong Kong Open Innovation Center Project郑琦1,林栩杰2,黄金帜2(1.深圳深港科技创新合作区发展有限公司,广东 深圳 518
2、000;2.中建八局第一建设有限公司,山东 济南 250000)摘要:为有效解决超高层建筑钢结构施工与使用的安全问题,尽量避免安全事故的发生,同时提高施工与运营监测效率,基于 BIM 技术的钢结构内力监测与模拟系统应运而生。通过 BIM 三维技术对超高层建筑进行建模,再对其进行动态模拟,结合传感器对超高层钢结构内力进行监测,能为钢结构的设计、安装、施工与运营提供支持,从而提高施工的质量和准确率,确保超高层建筑钢结构的安全性与稳定性,为建筑的信息化与智能化管理打下基础。关键词:BIM 技术;超高层钢结构;内力监测;模拟分析中图分类号:TU973+.13 文献标识码:A 文章编号:2096-381
3、5(2023)03-0046-040 引言现阶段,由于城市人口相对集中、市区建设用地供应紧张,超高层建筑的数量逐渐增多,其结构与造型的设计也越来越复杂,造成超高层建筑施工难度大、持续时间长、安全隐患大,施工阶段安全事故频频发生1。而发生事故的主要原因就是施工前未按照施工方案进行结构力学行为的施工阶段模拟研究以及未对在建项目进行施工阶段的内力监测。因此,对当前超高层建筑开展内力监测与模拟的研究具有重要意义。目前BIM技术在工程建设各项工作中均有广泛的应用,可用BIM技术对建筑进行可视化建模,同时伴随施工进展可进行各项模拟工作,体现出其强大的能力和宝贵的应用价值。部分项目已运用Navisworks
4、(可视化和仿真软件)和Revit(Autodesk公司的系列软件)等BIM软件进行三维建模和一些三维动态模拟、碰撞检测等工作。但是,目前还没有将BIM技术与超高层内力监测结合运用的案例。BIM技术具有良好的可视化能力,同时具有其他技术无法比拟的协调性、模拟性和优化性。本文基于BIM技术将超高层内力监测与模拟相结合,搭建结构内力监测系统,可顺利解决目前内力监测工作的技术难题。同时,基于BIM技术的超高层内力监测与模拟可以直观、实时地展示结构应力情况,且可视化程度高、理解简单,极大地降低了工作难度,提高了工作效率,解决了超高层建筑钢结构节点复杂、施工难度大等痛点,为以后类似的超高层建筑钢结构施工与
5、模拟工作提供了良好的借鉴。1 项目概况深港开放创新中心施工总承包项目位于深圳市福田保税区,总用地面积约为26 168 m2,总建筑面积为209 920 m2,由7座塔楼和变电站组成。结构形式为框架剪力墙结构,有局部竖向钢管柱、水平钢筋桁架楼承板、钢楼梯及钢连廊47建筑科技2023 年 第 3 期建筑工业化Building Industrializayion等装配式构件,主要为办公楼、产业研发用房、配套商业楼和110 kV变电站,项目整体效果如图1所示。图1 项目整体效果项目部分钢结构最大跨度为15 m,最大重量为30 t,结构施工较为复杂,因此钢结构的内力监测是本项目施工的重难点。2 基于BI
6、M的钢结构内力监测模型搭建2.1内力监测模型架构本项目的内力监测模型架构是一个集BIM模型、传感器、数据采集系统、数据存储设备、数据分析与可视化软件于一体的体系结构。通过对钢结构进行精确的建模、实时监测和数据分析,可以预测结构的内力变化趋势,并及时发现异常情况,提高结构的安全性和可靠性。基于BIM技术的内力监测模型架构由数据源、接口层、数据层、平台层、模型层和应用层组成,BIM技术架构分层展示图如图2所示。图2 BIM技术架构分层展示图在项目开始施工之前,需要对钢结构进行三维建模,将现有的项目信息存入到模型中,为后续的内力监测与模拟提供数据源。模型建立完成后将其导出成IFC格式的文件,方便其他
7、软件使用,如进行动画演示、三维交底等工作。在钢结构内力监测的架构中,各部分的分工如下。(1)BIM模型。它是一个数字化的三维建筑模型,包含建筑的几何形状、构件属性、空间关系、材料信息和施工进度等方面的信息2。在钢结构内力监测模型中,BIM模型可以提供结构的几何形状、构件位置和连接方式等信息。(2)传感器。传感器可以测量结构的应力、应变、温度等物理量,是监测结构内力的重要工具。常用的传感器有应力计、应变计和温度计等,传感器的数据采集可以通过有线或无线的方式进行。(3)数据采集系统。数据采集系统可以将传感器测量得到的数据进行采集和处理,实时监测结构的内力变化。数据采集系统可以通过有线或无线的方式与
8、传感器连接,将采集到的数据传输到数据存储设备。(4)数据存储设备。数据存储设备可以存储采集到的结构内力数据,并提供长期的数据存储和备份。数据存储设备可以采用本地存储或云存储。(5)数据分析与可视化软件。数据分析与可视化软件可以对存储在数据存储设备中的数据进行分析和可视化,将结构内力的变化通过BIM模型呈现出来。数据分析与可视化软件可以对结构进行实时监测、对历史数据进行分析和异常报警。2.2钢结构核心模型的建立BIM模型的建立是钢结构内力监测与模拟的基础,可借助BIM系列软件建立钢结构的三维模型。首先,需要确定建模的范围和尺寸,包括建筑结构的外形、尺寸和层数等参数。然后,通过收集相关设计文献、施
9、工图纸、CAD图纸和现场勘测等的数据和资料,获取结构的几何和物理参数。利用BIM软件建立钢结构的三维模型,根据结构形式和材料特性,选择适当的建模工具和方法进行建模,包括平面布置、立面展开和杆件建模等。将收集到的数据和资料添加到模型中,包括材料属性、荷载信息、节点坐标、截面尺寸等信息。最后,进行模型的检查和修正,确保模型的准确性和完整性。利用模型进行结构分析和优化,对模型进行静态和动态载荷的分析,以确定结构的受力情况。进行模型的内力分析,对各构件的内力进行计算和分析,以确定结构的承载能力和稳定性。模型的可视化展示便于设计人员和工程师对模型的理解和分析。根据需要,利用BIM软件输出结构图纸和分析报
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