建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果BIM建模研究

王彩雪

摘 要：建筑幕墻結(jié)構(gòu)建模工作由計算機完成，需要進行參數(shù)化設(shè)計，避免建模費用以及復(fù)雜度增加，提高建模效率，提出一種建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果BIM建模方法。結(jié)合Autodesk Revit平臺，分析建筑幕墻結(jié)構(gòu)加固成果，建立一套全新的外套加固族庫進行參數(shù)化設(shè)計，設(shè)定自適應(yīng)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)。同時結(jié)合Revit進行二次開發(fā)，通過參數(shù)驅(qū)動建模進行程序編譯，將結(jié)構(gòu)分析模型轉(zhuǎn)換為Revit模型，組建建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果BIM模型，完成后續(xù)的項目管理以及加固效果分析。仿真實驗結(jié)果表明，建模速率接近于100%，同時還能夠降低建模費用和復(fù)雜度。

關(guān)鍵詞：建筑幕墻;結(jié)構(gòu)密封膠;參數(shù)化設(shè)計;加固成果;BIM建模

中圖分類號：TU746.3? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0124-05

Research on BIM Modeling of Building Curtain Wall Structure Sealant Reinforcement Results

Wang Caixue

（Xi an Eurasia University， Xi an 710065， China）

Abstract：Building curtain wall structure modeling is completed by computer， which needs parametric design to avoid the increase of modeling cost and complexity and improve modeling efficiency. A BIM modeling method for building curtain wall structure reinforcement results is proposed. Combined with Autodesk Revit platform， this paper analyzes the reinforcement results of building curtain wall structure， establishes a new set of coat reinforcement family library， carries out parametric design， and sets adaptive component standards. At the same time， combined with the secondary development of Revit， the program was compiled through parameter driven modeling， and the structural analysis model was transformed into the Revit model. The BIM model of building curtain wall structural sealant reinforcement results was established to complete the follow-up project management and reinforcement effect analysis. The simulation results show that the modeling speed is close to 100%， and the modeling cost and complexity can be reduced.

Key words：building curtain wall; structural sealant; parametric design; reinforcement results; BIM modeling

0 引言

結(jié)合目前的形勢來看，建筑行業(yè)專業(yè)技術(shù)水準(zhǔn)較高，綜合管理模式較為先進[1-2]。但是，效率十分低下，同時增長方式一直為粗放型這一根本問題也是從來沒有發(fā)生改變的。針對可持續(xù)發(fā)展的國情而言，建筑行業(yè)具有高能耗特點，且能效較低，因而發(fā)展緩慢。如何快速有效對建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果進行分析成為現(xiàn)階段研究的熱點話題。

國內(nèi)外相關(guān)專家針對該方面的內(nèi)容展開了大量的研究，例如王菊等人[3]將BIM技術(shù)和有限元技術(shù)相結(jié)合，對加固后的橋梁進行受力過程仿真分析。紀(jì)凡榮等人[4]通過施工組織規(guī)范設(shè)計規(guī)范，全面分析BIM技術(shù)的工程概況以及進度計劃，結(jié)合細度等級進行建模。以上兩種建模方法雖然現(xiàn)階段取得了較為滿意的研究成果，但是由于未能對建筑幕墻結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計，造成建模費用以及復(fù)雜度上升，建模效率降低。

為此，提出一種建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果BIM建模方法。仿真實驗結(jié)果表明，所提方法可以提升建模速率，同時還能夠減少建模復(fù)雜度和費用。

1 建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果BIM建模

1.1 基于BIM的建筑幕墻結(jié)構(gòu)分析

信息化高速發(fā)展環(huán)境下，建筑信息模型（BIM）表征建筑業(yè)信息化成果。BIM表征一種技術(shù)以及理念，不同于傳統(tǒng)建筑業(yè)交互運作的模式，BIM涉及建造業(yè)的多個方面。

在目前的設(shè)計過程中，建筑運營階段初期，相對于設(shè)計以及建設(shè)階段，處于脫節(jié)狀態(tài)較多，相對于設(shè)計以及建設(shè)階段，后期運營階段投入過多，傳統(tǒng)建筑業(yè)不包括竣工管理，問題根源性問題無法解決。建設(shè)工程主體缺乏全局全期考慮問題的方式，生命周期理念不健全，單次投資成本上升，后期運營維護成本增加[5-6]。在目前階段需要通過BIM技術(shù)有效解決上述問題，通過建筑信息集成，設(shè)定載體模型表述真實建筑，BIM中包括建筑尺寸、輪廓信息，同時還包括設(shè)計元素以及建筑生命周期信息[7]，依據(jù)信息集成技術(shù)，高效傳遞建筑信息。在不同建筑平臺中，BIM起到協(xié)同作用，數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)以及構(gòu)建命名具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。同時BIM模型能夠通過不同的專業(yè)需求，將平臺中的三維模型轉(zhuǎn)換為2D施工圖，其中基于BIM技術(shù)的信息平臺如圖1所示。

信息間的相互作用主要是指多個不同的參與者以及軟件平臺之間，在同一個項目內(nèi)進行數(shù)據(jù)共享以及交換。針對于建筑行業(yè)而言，項目的信息量十分大，種類也十分復(fù)雜，分別來自不同的建筑項目參與方對應(yīng)的專業(yè)。

Revit的前身是一種能夠全面應(yīng)用于建筑業(yè)的參數(shù)化引擎產(chǎn)品。基于Revit進行設(shè)計理念以及思維方式的轉(zhuǎn)變，降低由于溝通不當(dāng)造成的損失，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計各個方面全面協(xié)作發(fā)展。

通過BIM技術(shù)能夠及時對復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)進行分析，并且將研究對象進行數(shù)字化，通過代碼表示相關(guān)的建筑參數(shù)，大部分參數(shù)是預(yù)先設(shè)定的，同時也遵循相關(guān)的BIM標(biāo)準(zhǔn)。建筑結(jié)構(gòu)的屬性主要是由設(shè)計過程中的參數(shù)所組成的[8-9]，其中建筑模型信息共享分類如圖2所示。

項目是單一的項目設(shè)計信息模型數(shù)據(jù)庫，它含有一個建筑項目從幾何圖形到組建數(shù)據(jù)的全部信息，其中重點包含三維模型以及構(gòu)件等信息，全部信息之間均是存在關(guān)聯(lián)的。在任意視圖修改項目，整個項目隨機視圖均會受到影響，避免圖紙之間由于關(guān)聯(lián)失誤引發(fā)的設(shè)計變更以及返工損失，有效增強建筑設(shè)計和施工兩者之間的協(xié)作效率。

參數(shù)化建模并不是單純地對幾何模型進行組建和分析，模型和參數(shù)之間能夠形成聯(lián)動，模型會隨著參數(shù)的變動而變動。參數(shù)化建模表征方式為圖形生成模式，通過幾何規(guī)則生成圖像，基于建筑業(yè)相關(guān)知識加以建模。針對于BIM而言，無需參數(shù)化建模，BIM應(yīng)用即可完成[10]?；诮ㄖa(chǎn)業(yè)化需求，參數(shù)化建模屬于重要環(huán)節(jié)。

現(xiàn)階段BIM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑研究中，基于BIM軟件平臺，設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)組建階段流程，如圖3所示。

在模型建立初期，建筑師可以通過BIM模型中的軟件Revit在方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑幕墻結(jié)構(gòu)給出專業(yè)的意見，優(yōu)化設(shè)計方案。充分考慮布置構(gòu)件、工程預(yù)算，解決不同專業(yè)技術(shù)問題，初步設(shè)計文件形成，具體的操作步驟如下：

（1）對BIM模型進行加載處理。當(dāng)對建筑幕墻結(jié)構(gòu)對應(yīng)的加固效果進行分析時，需要重點圍繞構(gòu)件的主體受力點展開設(shè)計，并且確保最終的展示效果以及基本功能不會受到影響。將研究對象設(shè)定為樣本文件，將建筑模型導(dǎo)入到樣本文件中。由于在結(jié)構(gòu)樣本空間內(nèi)無法進行模型修正，需要結(jié)合相關(guān)技術(shù)對模型的可見性進行調(diào)整，確保最終結(jié)果的實現(xiàn)[11-12]。

（2）受力構(gòu)件的布置。大部分的BIM模型均是通過三維模式呈現(xiàn)給用戶，但是建筑的整體格局需要在平面繪制中獲取。BIM核心平面構(gòu)圖參數(shù)與三維模型參數(shù)互相關(guān)聯(lián)，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)建過程中，三維圖同樣位置出現(xiàn)相同構(gòu)件。

（3）檢測模型同時導(dǎo)入有限元分析軟件。結(jié)構(gòu)模型的建立是通過BIM核心建模技術(shù)實現(xiàn)的，并且完成建模后需要結(jié)合有限元對相關(guān)參數(shù)進行計算。

1.2 建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果BIM建模

Revit是一種較為常用的建模軟件，但是通過Revit自身是無法進行計算和建筑結(jié)構(gòu)分析，為此，在形成物理模型的同時還需要引入分析模型。在分析模型中還包含結(jié)構(gòu)的邊界條件和約束等。Revit邊界條件主要包含固定、鉸支等，用戶主要根據(jù)六個不同的自由度進行邊界控制。

在加固的基礎(chǔ)上，需要進行載荷定義。優(yōu)先對載荷工況分析，根據(jù)添加載荷性質(zhì)能夠定義其它載荷[13]，結(jié)合相關(guān)的規(guī)定，進行如下計算：

（1）S表示載荷效應(yīng)組合對應(yīng)的設(shè)計值，具體計算方式如下：

通過下述載荷組合選取不利值。

1）通過可變載荷效應(yīng)進行組合控制，即：

2）通過永久載荷進行組合控制，即：

其中，γG代表建筑結(jié)構(gòu)中對應(yīng)的永久載荷分項系數(shù);γQI代表第i個能夠?qū)崟r變動的分項系數(shù);SGK代表根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)載荷計算獲取的載荷效應(yīng)值;SQIK代表通過可變載荷計算獲取的載荷效應(yīng)值;ψci代表組合系數(shù)。

為了確保建筑幕墻結(jié)構(gòu)的綜合有效性，需要分別針對各個載荷值進行計算，通過Revit能夠獲取多個不同可編輯的載荷組合。另外，添加載荷的過程中，可以通過三維或者可視化分析圖進行展示，及時在視圖中添加所需要的構(gòu)件。

當(dāng)模型完成一致性檢測后，需要將模型放置到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析模型進行計算。其中模型在發(fā)送的過程中，需要進行基本選項以及附加選項的設(shè)定。對建筑幕墻結(jié)構(gòu)進行分析的過程中，需要優(yōu)先設(shè)置模型的范圍，確保其是在正確的尺寸下進行計算。

通過子菜單能夠查看導(dǎo)入的載荷工況設(shè)置是否正確，同時不同工況需要分別顯示在不同的模型中，查看建筑幕墻結(jié)構(gòu)不同梁以及板等構(gòu)件上的載荷值，方便后續(xù)設(shè)計師及時對載荷進行修改以及重置。

當(dāng)在Revit軟件中完成載荷工況的定義以及組合，在Revit軟件中，不管是結(jié)構(gòu)表面還是幾何形狀，系統(tǒng)幾乎能夠自動對板以及殼進行劃分，進而對網(wǎng)絡(luò)進行修正和編輯。

結(jié)構(gòu)設(shè)計是進行建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果分析的重要任務(wù)[14-15]，以下采用BIM核心建模工具對建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固過程如圖4所示。

在實際應(yīng)用的過程中，需要將Revit平臺中的構(gòu)建設(shè)定為模型圖元，且圖元均是由各個不同的族組成。在創(chuàng)建幾何模型的過程中還會形成幾何模型一致的初始模型分析。在結(jié)構(gòu)分析模型中，能夠精準(zhǔn)設(shè)定各個構(gòu)件的載荷以及載荷組合等相關(guān)信息。

在上述分析的基礎(chǔ)上，程序編譯依照參數(shù)化驅(qū)動建模完成，結(jié)構(gòu)分析模型轉(zhuǎn)化為Revit模型，進而組建建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果BIM模型，通過模型完成后續(xù)的項目管理以及加固效果分析。

2 仿真實驗

為了驗證所提建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果BIM建模方法的綜合有效性，在英特爾奔騰i5-2520M處理器，運行內(nèi)存為6GB，操作系統(tǒng)是Windows XP，實驗環(huán)境為MATLAB2013軟件。

鉆孔位置選取灰縫中間位置，直徑大小根據(jù)灰縫厚度決定。鉆孔中雜物通過吹灰氣筒進行處理，使用清潔毛刷清理碎屑，重復(fù)操作2～3遍。注膠量要控制準(zhǔn)確，用量標(biāo)準(zhǔn)為鉆孔剛好溢出。

（1）建模速率/（%）。利用圖6對比3種不同方法的建模速率。

分析圖6中的實驗數(shù)據(jù)可知，隨著實驗次數(shù)的持續(xù)增加，各個方法的建模效率也在不斷發(fā)生變化，其中所提方法的建模效率一直處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，主要是因為所提方法針對建筑幕墻結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計，及時對加固結(jié)構(gòu)進行分析，促使最終的建模速率一直處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

（2）建模費用/（萬元）。為驗證方法有效性，設(shè)定評價指標(biāo)為建?；ㄙM，利用表1給出3種不同方法的建模費用對比結(jié)果。

分析表1中的實驗數(shù)據(jù)可知，所提方法的建模費用在3種方法中為最低;文獻[3]方法的建模費用次之;文獻[4]方法方法的建筑費用最高。最為主要原因是：所提方法在建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果分析的過程中，及時對整體結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)化處理，同時還加入了基本模型的變更和修正等過程，使其能夠獲取更加精準(zhǔn)的分析結(jié)果，同時也能夠確保建模費用在3種方法中為最低。

（3）建模復(fù)雜度/（%）。為了更加全面驗證所提方法的有效性，下列實驗測試主要對比3種不同方法的建模復(fù)雜度，具體的實驗對比結(jié)果如表2所示。

由表2中的實驗數(shù)據(jù)可知，由于測試對象的不同，導(dǎo)致各個方法的建模復(fù)雜度也存在十分明顯的差異性。但是和另外兩種方法相比，所提方法明顯的建模復(fù)雜度明顯更低一些，同時也證明了對建筑幕墻結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計的有效性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)方法存在的問題，提出了一種建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠加固成果BIM建模方法。仿真實驗結(jié)果表明，所提方法能夠有效降低建模費用和復(fù)雜度，同時還能夠提升建模速率。

BIM技術(shù)在建筑業(yè)應(yīng)用廣泛，但是仍然需要大量的信息進行全面認證。后續(xù)將針對以下3方面的內(nèi)容進行研究：①針對建筑幕墻結(jié)構(gòu)而言，建筑安全性、經(jīng)濟性以及實用性需要及時關(guān)注，同時也是將來不斷發(fā)展的關(guān)鍵問題之一;②對參數(shù)以及設(shè)計流程進行簡化處理;③進一步加強三維出圖以及可視化出圖方面的研究，并且給出對應(yīng)的研究標(biāo)準(zhǔn)。

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