BIM虛擬建造技術(shù)在超高層建筑核心筒施工教學(xué)中的應(yīng)用

張冰涵 楊彬 喻澤良

摘要：超高層建筑工程量大、施工周期長、施工工序復(fù)雜，其核心筒施工工藝是建造過程的重點，也是建筑工程施工課程的重點和難點，因此有必要在教學(xué)過程中采用可視化教學(xué)輔助方法。文章以某工程為例，通過建立基于BIM的超高層結(jié)構(gòu)核心筒施工虛擬仿真，作為課堂教學(xué)及實踐教學(xué)的有益補充和創(chuàng)新，拓展實踐教學(xué)的深度和廣度，提高了學(xué)生解決工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：BIM;虛擬建造;核心筒施工;教學(xué)應(yīng)用

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）40-0001-02

一、超高層建筑施工特點

隨著我國城市化建設(shè)的高速發(fā)展，各大中型城市興建了大批高層、超高層建筑和大跨度公共建筑。其結(jié)構(gòu)形式向著超高、復(fù)雜和巨型化方向發(fā)展，特別是超高層建筑在國內(nèi)進入了高速發(fā)展期。它的施工具有以下特點：

1.工程量巨大。土木工程的服務(wù)對象是建筑物、橋梁、隧道，一般體量巨大。進行這些結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實體實驗幾乎是不可能的，即使是縮尺實驗，也存在實驗構(gòu)件及加載設(shè)備體量大、實驗環(huán)境惡劣、實驗費用高的問題。

2.施工周期長。土木工程的建設(shè)周期一般比較長，上海中心大廈的建設(shè)歷時6年，通常一幢普通的住宅樓施工工期也需要1年以上。由于時間的限制，學(xué)生的認識實習和生產(chǎn)實習無法得到工程施工全過程的體驗。

3.施工工序復(fù)雜。超高層建筑施工過程中往往存在多工種交叉，核心筒同外框架施工不同步，施工過程中鋼平臺及垂直運輸體系需要自動提升，加強層桁架施工還需要對鋼平臺進行改造等問題需要解決，依靠平面圖紙往往難以較好地發(fā)現(xiàn)所有隱患，穩(wěn)妥解決所有問題。

4.危險性高。由于施工現(xiàn)場工序復(fù)雜、人員眾多，而很多學(xué)生又缺乏施工經(jīng)驗和對危險源的判別能力，這使得很多施工單位在安排學(xué)生的認識實習和生產(chǎn)實習時存在顧慮。

這給超高層結(jié)構(gòu)工程施工的教學(xué)工作帶來了很大難題。超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系主要由核心筒、伸臂桁架和巨柱組成，核心筒結(jié)構(gòu)是超高層結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分。核心筒的施工通常采用爬升鋼平臺配合大模板技術(shù)展開，這是施工的難點和重點，因此也是教學(xué)的主要關(guān)注點，因此有必要在教學(xué)過程中采用可視化技術(shù)進行輔助。

二、BIM虛擬建造技術(shù)介紹

建筑信息模型（Building Information Modeling）是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等特點。在BIM建筑信息模型中，我們可以通過構(gòu)件之間互動性和反饋性的可視對各專業(yè)的碰撞問題進行協(xié)調(diào)，最終形成建筑結(jié)構(gòu)施工階段可以進行4D模擬，也就是根據(jù)施工的組織設(shè)計模擬實際施工，從而來確定合理的施工方案來指導(dǎo)施工。建筑物在BIM模型上的虛擬建造實現(xiàn)，為解決超高層施工這一教學(xué)難題提供了很好的方案[1]。教師向?qū)W生教授超高層結(jié)構(gòu)核心筒施工時，通過建立基于BIM的超高層結(jié)構(gòu)核心筒及鋼平臺施工虛擬仿真，構(gòu)建具有高度真實感、直觀性和精確性的虛擬仿真實驗?zāi)Ｐ停梢宰鳛檎n堂教學(xué)及實踐教學(xué)的有益補充和創(chuàng)新，解決超高層施工課程中傳統(tǒng)教學(xué)方法與學(xué)生工程化培養(yǎng)之間的矛盾，拓展實踐教學(xué)的深度和廣度，提高了學(xué)生解決工程問題的能力。同時，通過BIM模型良好的數(shù)據(jù)兼容性，可以將超高層核心筒BIM模型導(dǎo)入各類專業(yè)課程虛擬產(chǎn)品庫中，為課程教學(xué)提供豐富的虛擬教學(xué)資源。王廷魁等人[2]分析了BIM技術(shù)在施工現(xiàn)場培訓(xùn)中的作用，結(jié)合BIM與增強現(xiàn)實技術(shù)可以取得較好的培訓(xùn)效果。楊太華等人[3]和劉成[4]則開展了針對基于BIM的工程管理虛擬教學(xué)平臺的研究。這一虛擬平臺可以解決課程教學(xué)中實踐薄弱的問題，結(jié)合理論與實踐，提高教學(xué)效果。蔣博雅[5]則實現(xiàn)了針對裝配式建筑的BIM虛擬教學(xué)。

三、BIM虛擬建造技術(shù)在某超高層核心筒施工教學(xué)中的應(yīng)用

1.工程概況。虛擬教學(xué)中所采用的案例地上共計60層，為帶有巨型角柱框架核心筒結(jié)構(gòu)，建筑高度249.65米，標準層高為4000mm，核心筒墻體厚度隨層數(shù)增高而不斷減小。該工程核心筒外墻采用JFYM150型外墻液壓爬模架，核心筒采用JFYM100型和JFYM150型物料平臺液壓爬模架。爬模架的提升可分段、分片或整體完成。該工程共布置了67個液壓爬模架機位，共計15組架體。其中核心筒外墻布置了24個JFYM150液壓爬模架機位，核心筒內(nèi)布置17個JFYM100物料平臺液壓爬模架和10個JFYM150液壓爬模架機位。在實際教學(xué)中，主要通過BIM虛擬建造技術(shù)實現(xiàn)對爬模在標準層施工中的爬升——澆筑過程進行模擬，使學(xué)生可以直觀地了解爬模的爬升過程和爬模施工的技術(shù)要點。

2.核心筒標準層施工。核心筒標準層的施工主要可以分為以下四個步驟：①澆筑墻體混凝土，綁扎上層墻體鋼筋;②退模，安裝附墻裝置;③爬升架體;④合模，澆筑上層墻體混凝土。當墻厚改變而導(dǎo)致截面改變時，爬?？梢酝ㄟ^上層附墻裝置的前調(diào)節(jié)三角架使導(dǎo)軌向內(nèi)傾斜，并爬升入位。圖1所示為爬升模擬所用的爬模的BIM模型與支撐桁架的示意模型，這些模型可以有效地幫助學(xué)生認識爬模結(jié)構(gòu)。核心筒和爬模均采用Autodesk Revit建模。

完成建模后，通過Autodesk Navisworks進行標準層施工過程中的爬升動畫模擬，為了更加清晰地展示爬模爬升地流程，在這里只選取一片爬架進行演示。圖2為爬模的爬升過程動畫演示。動畫展示虛擬建造流程可以有效地提高教學(xué)的直觀性，可視化的流程展示具有更好的教學(xué)效果。

四、結(jié)束語

通過基于BIM的超高層結(jié)構(gòu)工程施工虛擬仿真，實現(xiàn)了建筑工程施工課程建設(shè)的“虛實結(jié)合、以實促需”的目的?！皩崱斌w現(xiàn)為通過現(xiàn)場實踐和BIM模型的4D模擬，讓學(xué)生真實參與超高層施工過程模擬及仿真分析等教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生解決工程實際問題的能力。“虛”體現(xiàn)在專業(yè)課程BIM虛擬實驗產(chǎn)品開發(fā)方面，以學(xué)生應(yīng)用為中心，在建筑工程施工課程的學(xué)習和實踐過程中，逐漸實現(xiàn)專業(yè)課程BIM虛擬建造產(chǎn)品開發(fā)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗或虛擬工藝過程，切實解決實踐教學(xué)不足，為課程教學(xué)提供豐富的虛擬教學(xué)資源。

參考文獻：

[1]楊春燕.BIM虛擬仿真技術(shù)在建筑工程施工技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017，（16）：150.

[2]王廷魁，楊喆文.案例對比分析BIM與AR在施工現(xiàn)場培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2016，45（06）：44-48.

[3]楊太華，汪洋，賴小玲.基于BIM技術(shù)的工程管理綜合實驗虛擬教學(xué)平臺的構(gòu)建[J].實驗室研究與探索，2017，36（08）：108-111+132.

[4]劉成.基于BIM的工程項目管理沙盤模擬實踐教學(xué)研究[J].實驗室研究與探索，2012，31（10）：433-437.

[5]蔣博雅.基于BIM技術(shù)的工業(yè)化預(yù)制裝配虛擬實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建[J].實驗室研究與探索，2018，37（08）：83-87+210.