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基于BIM的楼盖模板优化设计方法研究

季璇  
【摘要】:建筑模板是混凝土的成型模具,是现浇钢筋混凝土结构工程的重要组成部分,直接关系到工程的质量、安全、进度以及经济效益,据统计,模板工程所需用工量占总用工量的30%~40%,所需费用占钢筋混凝土总造价的20%~30%,是建筑施工中的重要环节。改革开放以来,随着我国建筑业的蓬勃发展,模板工程成本高、浪费严重、施工混乱、智能化程度低等问题越来越突出,已成为整个建筑行业面向绿色施工发展的掣肘,追究其根本原因有以下几点:(1)模板工程设计主观性强,对设计人员的经验依赖性大;(2)设计过程中重复性工作多,智能化程度低,传统软件仅仅解决设计结果的图形表达问题,却无法根据设计人员的表达自动生成设计结果;(3)传统设计方案表达方式较抽象,对于文化程度不高的现场施工人员来说,理解这些抽象的设计方案的表达较为困难,常常导致施工脱离设计的情况。而近年来发展的BIM技术为解决这一难题提供了良好的契机。BIM(Building Information Model)技术是利用计算机及数字化技术建立一座三维立体建筑模型以及一个关于这个建筑模型全生命周期所需要的数据库,为建筑设计、结构设计、施工设计构筑了一个统一的工作平台,可以为施工的某一工序单独提供相对简单但正确的目标函数从而实现该工序的优化设计,只要有适合的设计软件,施工技术人员就可以操作计算机实现,并且具有缩短项目工期、加强项目责任方写作交流、节约成本、提高项目管理效率等优点。目前在我国一些大型建设项目如:奥运会水立方工程、上海世博会德国馆、青岛海湾大桥、上海国际金融中心等都采用了BIM技术进行项目及施工管理,不仅在缩短工期及降低成本方面取得了显著的效果,并且在设计与施工协调方面也有突出的成效。目前,在我国BIM已逐步涉及建筑行业的各个施工关节,辅助建筑项目的设计、施工及管理,并且取得了不错的效果,未来,BIM必然是整个建筑行业的发展方向。因此,将BIM与模板工程相结合,必然是未来模板行业发展的新趋势。本文结合我国模板体系的结构特点,以节约楼板模板施工费用、提高模板设计的科学化、智能化的目的入手,分别从理论推导、现场试验、数据整理和计算机模拟四大方面出发对模板体系的下部支撑体系及上部板面排布两部分进行研究。首先,一方面总结模板下部支撑体系的结构设计及性能特点,基于支撑结构设计方法及结构稳定承载力分析方法对模板支撑体系的结构安全性进行初步研究。另一方面,针对模板上部结构——板面排布的研究主要从排布特点及施工要点出发,总结优化排样理论的适用范围及求解方法,根据模板板面排布的特点,将板面排布问题抽象为多种零件排放的矩形排样问题,从而引入优化排样理论作为板面优化排布的基础理论;然后,对轮扣式模板支撑体系进行了现场试验,分析轮扣式支撑体系在荷载加载过程中的受力特点,总结支撑体系受力随时间的变化规律,同时,将试验测得的轮扣式支撑体系稳定承载力与设计值进行比较,确定扣件式支撑体系设计规范对于轮扣式支撑体系的不适用之处,并提出修改系数;利用数值模拟研究极限破坏模式下支撑体系的失稳模式、杆件之间的应力、位移的发展变化情况,并将轮扣式支撑体系极限承载力模拟值与规范设计值进行比较,就此通过试验及数值模拟确定轮扣式模板支撑体系的可优化的范围;建立模板支撑体系优化设计模型,并以具体工程实例为基础,将优化模型运用至工程实际中,并与传统设计方案对比,验证模型的可行性。同时,根据板面排布施工特点及技术要求,在启发式算法的基础上,创建有针对性的模板板面优化排布寻优算法,通过计算机辅助模板优化排布,提高板面排布设计的经济性和智能性;在理论模型的机床上,基于BIM技术开发智能模板优化与设计软件(Intelligent Formwork Optimization and Design Software,IFOD),该软件将优化模型程序化,不但具有传统模板设计软件的数值计算和图形处理能力,又具有知识处理能力,能够在降低模板施工费用的基础上,提供模板设计全过程智能化的计算机支持,完成模板体系优化设计从理论到实际应用的转化。全文获得了以下研究成果:(1)本文通过现场试验,得到新型轮扣式支撑体系在荷载加载过程中的受力特点,同时,结合数值模拟,得到轮扣式支撑体系的极限承载力,为轮扣式支撑体系优化设计提供依据。(2)本文从楼盖模板支撑体系结构优化角度出发,构建支撑体系优化设计模型,发现了模板支模费用与楼板长宽比成正比、主次肋的选择类型与模板支模费用的关系等规律,同时,应用具体工程实例验证模型在降低施工成本方面的可行性,解决了模板施工费用居高不下的问题。(3)在模板上部板面排布优化设计方面,本文提出了针对不同种类模板板面优化设计方法的寻优过程,从而得到不同种类模板板面排布优化方案,该方法不仅有效的解决模板切割、剪裁浪费等问题,节约了施工成本,而且通过计算机智能实现优化设计过程,自动生成设计方案,大大提高设计者的工作效率。(4)本文通过C#语言,基于BIM技术开发智能模板优化与设计软件。该软件不仅可以实现模板上部各类板面的优化设计,以及模板下部不同类型的支撑体系优化设计,降低模板施工成本,还可以自动生成优化设计结果,并利用BIM的模拟演示功能为设计者进行设计交底,有效的解决了模板施工与设计脱节的问题。本文的创新点如下:(1)通过现场试验和理论分析,获得了现场施工过程中,轮扣式模板支撑体系受力随时间变化规律,并以支撑体系施工费用最低为优化目标,提出了楼板模板下部支撑体系优化模型,该模型可应用于包括新旧各种类型支撑体系的优化设计。(2)将模板板面排布问题抽象为矩形排样过程,以楼板剩余面积最小为寻优目标,提出针对模板板面优化设计方法的寻优过程,该方法不仅适用于不同规格的模板板面同时排布的情况,也适用于不同类型的板面(如胶合模板、木模板、塑料模板等)的排布设计。(3)基于BIM技术开发了智能模板优化与设计软件,该软件将支撑体系优化模型及板面排布寻优算法作为系统的主要功能模块。同时,还开发了BIM数据提取模块、设计方案自动生成模块及材料清单输出模块。该软件不但能进行优化分析,同时具有将结果三维立体展示的能力,方便现场人员理解贯彻优化结果。


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