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(diǎn)，也是建筑工程施工課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，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(shí)踐教學(xué)的有益補(bǔ)充和創(chuàng)新，拓展實(shí)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(hào)：G642.41? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）40-0001-02

一、超高層建筑施工特點(diǎn)

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(jìn)入了高速發(fā)展期。它的施工具有以下特點(diǎn)：

1.工程量巨大。土木工程的服務(wù)對(duì)象是建筑物、橋梁、隧道，一般體量巨大。進(jìn)行這些結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實(shí)體實(shí)驗(yàn)幾乎是不可能的，即使是縮尺實(shí)驗(yàn)，也存在實(shí)驗(yàn)構(gòu)件及加載設(shè)備體量大、實(shí)驗(yàn)環(huán)境惡劣、實(shí)驗(yàn)費(fèi)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(shí)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(shí)間的限制，學(xué)生的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)無法得到工程施工全過程的體驗(yàn)。

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(tái)及垂直運(yùn)輸體系需要自動(dòng)提升，加強(qiáng)層桁架施工還需要對(duì)鋼平臺(tái)進(jìn)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(xiǎn)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(yàn)和對(duì)危險(xiǎn)源的判別能力，這使得很多施工單位在安排學(xué)生的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)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(tái)配合大模板技術(shù)展開，這是施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)，因此也是教學(xué)的主要關(guān)注點(diǎn)，因此有必要在教學(xué)過程中采用可視化技術(shù)進(jìn)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(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)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(shí)信息。它具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等特點(diǎn)。在BIM建筑信息模型中，我們可以通過構(gòu)件之間互動(dòng)性和反饋性的可視對(duì)各專業(yè)的碰撞問題進(jìn)行協(xié)調(diào)，最終形成建筑結(jié)構(gòu)施工階段可以進(jìn)行4D模擬，也就是根據(jù)施工的組織設(shè)計(jì)模擬實(shí)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(shí)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(shí)，通過建立基于BIM的超高層結(jié)構(gòu)核心筒及鋼平臺(tái)施工虛擬仿真，構(gòu)建具有高度真實(shí)感、直觀性和精確性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停梢宰鳛檎n堂教學(xué)及實(shí)踐教學(xué)的有益補(bǔ)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(shí)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(shí)，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(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(duì)基于BIM的工程管理虛擬教學(xué)平臺(tái)的研究。這一虛擬平臺(tái)可以解決課程教學(xué)中實(shí)踐薄弱的問題，結(jié)合理論與實(shí)踐，提高教學(xué)效果。蔣博雅[5]則實(shí)現(xiàn)了針對(duì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(tái)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(gè)液壓爬模架機(jī)位，共計(jì)15組架體。其中核心筒外墻布置了24個(gè)JFYM150液壓爬模架機(jī)位，核心筒內(nèi)布置17個(gè)JFYM100物料平臺(tái)液壓爬模架和10個(gè)JFYM150液壓爬模架機(jī)位。在實(shí)際教學(xué)中，主要通過BIM虛擬建造技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)爬模在標(biāo)準(zhǔn)層施工中的爬升——澆筑過程進(jìn)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(diǎn)。

2.核心筒標(biāo)準(zhǔn)層施工。核心筒標(biāo)準(zhǔn)層的施工主要可以分為以下四個(gè)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(dāng)墻厚改變而導(dǎo)致截面改變時(shí)，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(rèn)識(shí)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)層施工過程中的爬升動(dòng)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(jìn)行演示。圖2為爬模的爬升過程動(dòng)畫演示。動(dòng)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(shí)現(xiàn)了建筑工程施工課程建設(shè)的“虛實(shí)結(jié)合、以實(shí)促需”的目的?！皩?shí)”體現(xiàn)為通過現(xiàn)場實(shí)踐和BIM模型的4D模擬，讓學(xué)生真實(shí)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(shí)際問題的能力?！疤摗斌w現(xiàn)在專業(yè)課程BIM虛擬實(shí)驗(yàn)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(xí)和實(shí)踐過程中，逐漸實(shí)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(shí)驗(yàn)或虛擬工藝過程，切實(shí)解決實(shí)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(xiàn)：

[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(duì)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(shí)驗(yàn)虛擬教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（08）：108-111+132.

[4]劉成.基于BIM的工程項(xiàng)目管理沙盤模擬實(shí)踐教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（08）：83-87+210.