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基于BIM技术在施工支撑安全体系建模中的研究分析
「在国内施工过程中,施工支撑系统倒塌导致的施工安全事故比重较高,学界日益重视探讨施工支撑体系的安全性。文章把BIM与3D技术结合起来,并运用到分析施工期支撑体系安全方面来,由于它优势显著,值得深入研究和分析。(2021-8-6)」
关键词:3D 技术;施工支撑体系;BIM;安全分析
  1  引言
  从相关统计来看,项目施工期支撑体系已经连续多次发生倒塌事故主因是整体失稳或者支撑失稳,施工过程中不注重支撑体系方面的安全验算。因为支撑体系的建模与空间分析比较麻烦,当前所开展的支撑体系极限稳定承载力分析方法与计算模式存在着不足,未能有效地表明支撑体系空间结构的相关力学特点,所以对推广运用这种计算方法与理论产生了较大影响。所以,文章把BIM与3D技术结合起来,并运用到分析施工期支撑体系安全方面来,由于它优势显著,值得深入研究和分析。
  2  以3D施工安全信息模型为基础的支撑体系3D建模
  以3D与BIM的结合为基础,将项目的相关信息与外轮廓特征提取出来,借助自动化、简化话的方式,构建模板与支撑的3D模型,在和建筑构件的相关冲突检测过程中,摒弃自动生成算法过程的诸多不合理布置点,对支撑体系进行及时建模。
  在针对支撑体系进行快速建模的相关算法中,牵涉到两个方面,模板建模与支撑杆件建模。鉴于可能楼板本身的外轮廓涵盖了不规则的各种多边形,所以模板涵盖了两种建模方式:首先是以真实的楼板外形轮廓为基础进行建模(可以称之为实形建模);其次是按照支撑点进行简化式建模。
  3  支撑杆件的3D建模
  本研究以AutoCAD平台为基础,实施二次开发,快速对支撑杆件进行建模。在该快速建模模式中,以下是它的核心算法流程:预设竖向、横向的支撑杆件均处于正交布置,而且竖直、水平方向的间距保持不变,首先按照楼板轮廓,求出外包矩形框;其次,按照支撑间距等相关参数,决定可能布置点(在常规性的xy平面内);再次,预判各个支撑点有没有处于楼板轮廓中,剔除处于轮廓之外的相关布置点;最后,按照合格支撑点,垂直与纵横方向的支撑杆件。
  4  基于3D施工安全信息模型的支撑体系安全分析
  4.1  支撑体系的3D结构计算模型
  笔者认为,应该编制轻量级的相关程序。以计算支撑体系的有关结构。然而鉴于以后要扩展为将安全分析与主体时变结构相结合的要求,本研究将ANSYS当作支撑体系方面的有限元计算平台。在这其中,因为通常情况下支撑杆件会采取圆形钢管(要求截面对称),在模拟时应该采取梁单元“BEAM188”。与此同时,在模拟过程中不必关注横向、竖向支撑之间的连续性,要从交点处断开(涵盖了竖向、横向支撑之间的相关交点、横向支撑之间的交点),而且将其划分成若干个小单元予以计算。、而且,应该采取壳单元“SHELL65”,对大面积横向的模板进行模拟,而且按照竖向支撑与模板之间的交点,将其划分成若干个小模板块,分别予以模拟计算。
  4.2  支撑体系失稳分析
  在支撑体系本身承受的荷载处于某极限数值的情况下,如果稍微增加荷载,应变与应力就不再按照相应比例变化,而是出现了明显的增长态势,此类内部抗力的猛然崩溃,意味着失稳或者屈曲。众所周知,施工过程支撑机制本身的安全问题,重点出现在整体失稳或者支撑失稳方面。所以,如何方便而准确地分析支撑体系自身的稳定性,是分析施工安全活动的重中之重。以有限元方式求解支撑体系的结构稳定性,一般情况下会采取下列两种方式,分别是非线性屈曲分析与特征值屈曲分析。
  (1)首先是特征值屈曲分析。它是指线性屈曲,也就是说结构达到了平衡状态,荷载增量只要一个微量,它就会出现很大的位移增量。利用数学转换,可以把特征值屈曲分析转变成求解矩阵的相关特征值问题。这种方法可以用来判断理想弹性结构状况的理论屈曲强度,也就是所谓的欧拉临界荷载。
  在ANSYS中开展特征值屈曲分析的过程中,涵盖了三个步骤:依据静力方式,将静力解求出来,然后依据屈曲方式,将特征值屈曲解求出来,最后依据扩展求解方式,将扩展解求出来。
  (2)非线性屈曲分析。它是大挠度全过程弹塑性有限元的方法,利用逐级加大位移或者荷载的方法,持续地修正单元本身的刚度矩阵(分析位移与应力效应),对相关结构实施必要的非线性静力学分析,以此为基础,找到它的临界点。
  4.3  以三维施工安全信息模型为基础的支撑体系安全分析流程与步骤
  它的主要步骤涵盖了下列方面:(1)构建三维施工安全信息模型;(3)模拟支撑体系的具体施工过程;(2)对支撑体系进行必要的安全分析。
  (1)构建三维施工安全信息模型。对支撑体系中的三维施工安全信息进行建模,是对支撑体系的施工过程进行安全分析的必要前提。第一,按照楼板轮廓,采取以上三维建模方法,建立支撑体系的三维模型,对结构构建与支撑构件实施必要的碰撞检测,排除相应的冲突支撑。第三,把WBS工序接电与支撑体系三维模型关联起来,完成了WBS工序与三维模型的3D关联,而且赋予了模板、支撑等支撑体系构件的相关工程属性,比如材料属性、支撑属性、以工序为基础的荷载效应。上述属性利用支撑实体这个对象,进行必要的管理与连接。
  (2)支撑体系3D施工过程模拟。在模拟主体结构的三维施工过程中,支撑体系可以采取三维动态的方式,模拟施工过程。区别于主体结构的三维动态模拟的是,支撑体系仅仅涵盖了两道工序,分别是拆除与架设,工序持续时间非常短暂,是临时性使用的实体构件。所以,从架设好支撑体系到拆除支撑体系的过程中,不必采取各种颜色,区分不同工序,只需要表明它的“存在”。
  (3)支撑体系安全分析。它重点涵盖了下列内容:第一,在三维模拟支撑体系的施工过程中,应该设定模拟进度中的任何时间点,分析计算与导出它的支撑体系,也就是说,依据现今所模拟的施工进度情况、支撑体系的实际支撑状况,及其承载情况等,合理地构建计算模型,并要把握支撑构件具备了哪些工程属性,按照分析模型导出相关计算结果,把可供有限元分析计算的相关数据与模型自动导出来,存储到数据库或者文本文件中。然后经由数据接口,把导出的相关数据与模型,导入到相关结构分析系统,以分析与计算支撑体系在这个时间的安全性能。在此过程中,因为整体弯曲或者局部弯曲对支撑体系自身的安全性问题起着主导性的作用,所以应该结合支撑体系的具体结构形式,单独对支撑体系进行屈曲分析,以得出屈曲临界的荷载。分析计算的相关结果,也就是这个时点的位移、应变、应力和屈曲临界的荷载等多种数据,能够以中介文件的面目,提供给设计支撑体系的相关人员,当然也能够经由数据接口,返回到三维施工安全信息模型中,呈现出动态的3D形象。最后,对支撑体系的相关评价模型与安全分析,能够求出支撑体系在这个时点的安全性能指标,而且可以开展预警预报,评价其安全性能。
  5  结论
  综上所述,针对现行的施工期支撑体系安全分析手段的局限与不足,引入BIM与3D技术,构建了三维施工安全信息模型,它可以有效地提取主体的施工与结构信息,借助三维进度模拟,自动地生成与进度变化相吻合的计算模型与支撑结构机制。希望这种方式能够尽快地从理论走向实践,更好地提升该领域的稳定性分析,准确地计算力学性能,削减支撐体系分析过程中的数据、建模工作量,增强安全分析的效率与精度。
  参考文献:
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  [3] 敖鸿斐,李国强.双排扣件式钢管脚手架的极限稳定承载力研究[J].力学季刊,2003,25(2):213~218.
  作者简介:
  尹水寿(1983—,男,南京工业大学(南京),本科,工程师,研究方向:建筑工程施工,BIM技术应用。
(00@k)
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