劉 潔,崔寶玉,郭安寧,黃健飛,吳 陽

(1.鄭州航空工業(yè)管理學院 土木建筑學院，河南 鄭州 450000；2.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000)

隨著城市經(jīng)濟的高速發(fā)展，現(xiàn)代城市的人口集中，經(jīng)濟的集約化程度高，造成了現(xiàn)在城市地震災害損失越來越嚴重的現(xiàn)象。為了減少城市地震帶來的嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失，提高建筑的抗震性能對抵抗地震有非常重要的作用。而現(xiàn)有的BIM三維模型包含了大量的與項目有關的參數(shù)化信息，在建設項目的設計過程、施工過程、運營維護等建筑的整個生命周期中,為保證建筑質(zhì)量、提高設計效率、節(jié)約造價、縮短施工工期等發(fā)揮出巨大的作用[1]，可以借助它自身的可視化、模擬化等優(yōu)勢獲取建筑物的全部信息。CHEN等[2]通過對文獻的綜合分析，提出了建筑信息模型與現(xiàn)實過程中實際建筑的信息實時同步的重要性，使建筑信息模型成為一個更為有用的系統(tǒng)。 目前，我國在BIM的工程應用方面，例如施工企業(yè)、設計院、業(yè)主方、咨詢單位、政府、學校等，已經(jīng)取得了初步的進展。高路[3]提出了將BIM模型、綠色施工、裝配式三者的閉環(huán)設計。梁競之[4]提出利用BIM技術(shù)與裝配式建筑施工的結(jié)合。胡德軍等[5]提出將BIM技術(shù)的虛擬施工應用于實際。BIM在預制裝備式結(jié)構(gòu)中的應用非常廣泛[6]，BIM技術(shù)節(jié)省時間，提高生產(chǎn)效率。李海燕等[7]提出基于BIM技術(shù)的綠色建筑工程造價快速估算模型等，與BIM結(jié)合的綠色建筑、預制裝配式建筑、虛擬施工、工程估價等技術(shù)已被大多數(shù)單位應用，并且部分技術(shù)得到了推廣，發(fā)展前景不錯。同時，由于國內(nèi)缺少精通BIM技術(shù)的人才以及人們對BIM的認識不足，使得BIM還有很大的發(fā)展空間。COSTIN等[8]通過對現(xiàn)有的建筑信息模型進行整理分析，總結(jié)了建筑信息模型在應用中的前景、益處、挑戰(zhàn)和局限性，并得出需要學術(shù)界和工業(yè)界合作，才能充分發(fā)揮BIM在現(xiàn)實中的應用潛力。由于結(jié)構(gòu)專業(yè)在分析模型方面的特殊性，BIM在地震工程中的分析應用尚處于起步階段。那么，充分利用好建筑信息模型在地震工程領域中的應用，進一步提高結(jié)構(gòu)的防災減災能力，具有重要的意義。本文從與BIM技術(shù)相結(jié)合的建筑的震后損失評估、對老舊建筑的翻新加固、以及新舊建筑的抗震驗算和非線性有限元分析等幾方面，對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行分析，并提出一些建議。

1 基于BIM技術(shù)的震后損失評估

地震災害損失評估是以地震危險性分析和結(jié)構(gòu)易損性分析為基礎，其評估結(jié)果可作為地震后救援、修復等工作的參考數(shù)據(jù),也可作為地震預案的基礎數(shù)據(jù)使用。同時，通過對震害損失的計算和研究[9],可以了解目標工程在地震中受到的影響。目前，對該領域的研究取得了較大的進展。隨著地震災害損失評估理論的不斷完善以及建筑信息模型技術(shù)的快速發(fā)展，地震災害損失評估的發(fā)展又進入了新的階段。

MA等[10]早幾年提出了一種資訊模式，來促進鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)震后評估的資料流通。模式開發(fā)基于典型的損壞模式和現(xiàn)有的行業(yè)基礎類(Industry Foundation Class，IFC)模式。并借助兩個地震事件中受損結(jié)構(gòu)的例子，使用一個實驗性損傷建模軟件編譯，說明了數(shù)據(jù)模型的使用。該文的一個獨特特點是能夠用二叉樹(binary tree)結(jié)構(gòu)對損傷過程進行建模。還討論了使用IFC導出損壞實例模型的方法。

陸新征[11]團隊利用建筑信息模型與FEMAP-58方法相結(jié)合，評估建筑震害損失。此方法需要詳細的建筑物信息。陸新征團隊針對信息不足的問題，提出了一種新的信息提取方法。在Revit建立的BIM三維模型中，Revit內(nèi)有預先定義的構(gòu)件，其信息可以直接使用。對于沒有的構(gòu)建信息，提出了定義族子類型和手動建立映射，使信息詳細化。建筑信息越詳細，地震損失評估的準確性越高，不確定性越低。

董國慶等[12]采用BIM技術(shù)，對不同抗震設防烈度下的工程造價進行分析，得出提高抗震設防烈度的方法。

VITIELLO等[13]在BIM模型中提出了基于半概率方法的簡化方法，以評估有地震風險的建筑物的經(jīng)濟性能和經(jīng)濟損失。BIM模型可以顯示建筑物的經(jīng)濟狀況，并成為可以隨時查詢的更新數(shù)據(jù)庫，以獲得有關結(jié)構(gòu)的信息；優(yōu)化結(jié)構(gòu)改造；并在處理地震造成的經(jīng)濟損失時評估成本。

胡瑛等[14]從4個方面分析建筑砌體結(jié)構(gòu)抗震性能提升的條件，構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能評估的BIM體系；用實例分析，利用建筑結(jié)構(gòu)倒塌率測試建筑砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能；并利用評估結(jié)果與實際結(jié)果的擬合度測試方法的準確性。

陸新征[15]團隊利用Revit建立三維模型,由于Revit中組件已經(jīng)預先定義好，組件識別存在困難，選擇將所建立的模型轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)模型，選擇盈建科插件，將模型簡化。最后，利用Revit API實現(xiàn)模型的損傷和損失的三維可視化和虛擬漫游。可視化是用戶在Revit中可看到地震損傷和可修復性的空間分布；虛擬漫游可使用戶了解地震損傷和損失的空間分布，從而制定合理的修復策略。

ZOU等[16]提出了一種快速建模和地震損失分析的方法，BIM-Octree-FEM-SBFEM method (BOFSM)，即八叉樹(octree)和比例邊界有限元法(scaled boundary FEM，SBFEM)相結(jié)合的方法進行建模，將復雜的幾何模型簡化為分析模型。該方法主要用于大型工程結(jié)構(gòu)在遭受地震作用后的損傷預測，可以對損傷預測進行預處理，估計比傳統(tǒng)方法快幾十倍。

綜上可見，將建筑信息模型(BIM)與震后損失評估相結(jié)合，基于現(xiàn)有的行業(yè)基礎類(IFC)模式與FEMAP-58方法相結(jié)合，通過經(jīng)濟損失評估程序的集成，八叉樹(octree)和比例邊界有限元法相結(jié)合的方法等結(jié)合起來對震害進行損失評估。這些技術(shù)的突破和應用，為地震后救援、災后修復提供了參考，同時提供了地震預案的基礎數(shù)據(jù)，將為我國在地震方面的防災減災提供有價值的參考。

2 基于BIM技術(shù)的建筑翻新與加固

地震災害逐年發(fā)生，給人類帶來的損失慘重。因此，建筑領域的抗震設計得到重視。新的建筑結(jié)構(gòu)采取了更為有效的抗震設計與構(gòu)造措施來降低地震的損害。 對于不滿足抗震設防要求的既有建筑，拆除重建會造成一定的環(huán)境污染與資源浪費[17]，所以對既有建筑的翻新與加固成為主要的解決辦法。

傳統(tǒng)的加固方式，一般需要入戶施工，且施工周期較長。而隨著BIM建筑信息建模方法的發(fā)展，基于BIM加固的技術(shù)也在改進，一種基于BIM的裝配式外套加固的技術(shù)也逐漸成為研究的熱點[18]。同時，隨著BIM建筑信息建模方法的發(fā)展，使得在一個集成的協(xié)作平臺上開發(fā)不同的項目成為可能，也可促進生命周期評估的繼承[19]。因此，基于BIM設計的翻新方案已被證實有足夠的安全保障，翻新現(xiàn)有的建筑，對一個老建筑進行正確的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固，有利于減少新建建筑的資源消耗以及對環(huán)境的影響。

張世玉[18]在2016年提出基于BIM的建筑裝配式外套加固技術(shù)，借助Revit平臺以及裝配式外套加固體系，開發(fā)一套相應的外套加固族庫，達到參數(shù)化設計以及自適應構(gòu)件的標準。結(jié)果表明，通過建立成套Revit加固族庫,可以更快地建立加固設計的BIM模型。 此方法相較于一般的砌體結(jié)構(gòu)抗震加固措施有諸多優(yōu)點，并通過具體事例分析其高效性、環(huán)保性和適用性，具有極高的應用價值。

BIAGINI等[20]提出了利用BIM建模解決歷史建筑的修復和改造的新方法,用來處理歷史建筑遺產(chǎn)的更新和修復，解決傳統(tǒng)方法的耗時長、效率低等問題。JOBLOT等[21]歸納總結(jié)了法國的部分建筑數(shù)據(jù)庫中的現(xiàn)有信息，深入地闡述了翻新一詞的概念，提出建筑在翻新行業(yè)的發(fā)展空間及其優(yōu)點。

GIGLIARELLI等[19]通過在意大利弗里根托老城進行的遺產(chǎn)BIM、數(shù)值模擬和決策支持系統(tǒng)領域的技術(shù)支持，并利用ICT技術(shù)將操作步驟簡化，提出了改進歷史建筑的最佳解決方案。

RAPOSO等[22]利用建筑信息建模和生命周期評估兩種方法，對新建建筑預制構(gòu)件和現(xiàn)有建筑的構(gòu)件進行抗震加固及拆除，對比其經(jīng)濟效果。在Revit中建立三維模型，從模型中獲取建筑構(gòu)件的信息及所用材料的數(shù)量?？紤]抗震加固，要注意各構(gòu)件之間的連接，將翻新建筑與新建建筑的成本以及能耗進行對比，得出結(jié)果最有利的方案，并且翻新建筑能保證恢復建筑功能性，以及構(gòu)件的耐久性和安全性。

吳研[23]提出基于BIM技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)抗震加固強度自動檢測方法，采用BIM技術(shù)進行建筑結(jié)構(gòu)抗震加固強度參數(shù)融合處理，優(yōu)化并實現(xiàn)抗震加固強度的自動檢測。檢測的精度較高，提高了建筑結(jié)構(gòu)的抗震強度和加固能力。

BIM不僅僅是物理模型的三維信息表達，同時也是建造過程各專業(yè)以及建筑物的全生命周期信息的表達，而這些信息又可以在各專業(yè)之間共享、互用與交流。綜上可見，基于BIM對舊建筑進行翻新設計方案的優(yōu)化取得了較大的進展，而基于BIM進行加固裝置的設計、加固檢測等在提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震強度和加固能力方面也有突破。這些技術(shù)的發(fā)展為我國在舊城改造技術(shù)提升方面將提供很好的支持。

3 基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)模型計算的抗震分析

隨著建筑行業(yè)及建筑信息模型的快速發(fā)展，加強建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能具有很重要的意義。而結(jié)構(gòu)專業(yè)在 BIM 實施的過程中一直處于一種很尷尬的境地[24]，這是由于結(jié)構(gòu)專業(yè)在分析模型方面的特殊性，Revit軟件本身并不能對建筑結(jié)構(gòu)做出準確的分析，所以一般需要結(jié)合專業(yè)的結(jié)構(gòu)分析軟件來配合使用。而同時，由于BIM模型的信息集成量過大，想要依托 BIM相關工具來達到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析軟件的準確分析也是不現(xiàn)實的，這就給前期的設計過程造成了一定的阻礙。如何打破結(jié)構(gòu)工程師在 BIM 信息交互過程中出現(xiàn)的阻礙，則是迫切需要解決的問題。

因此，如何利用建筑信息模型的信息化、可視化等優(yōu)點建立三維模型，并借助三維BIM模型建立精細化的有限元模型，對其在地震作用下的性能進行模擬，進而討論結(jié)構(gòu)的抗震性能，成為國內(nèi)外專家研究的又一熱點。

BARAZZETTI等[25]對歷史建筑的仿真和模擬提出新的解決方法，提出了一種新的兩步方法(云到BIM到FEM)。從云到BIM的生成是通過一項精確的調(diào)查進行的，然后將BIM轉(zhuǎn)化為具有幾何合理化的有限元模型(BIM-FEM)。該模型保留了不規(guī)則和異常，尊重歷史建筑的唯一性和真實性，但不會對形狀進行典型的過度幾何簡化；同時，提到云到BIM到FEM方法的潛力是顯著的，可以考慮不同作用下的新研究，如風或地震；目的是將所提出的云到BIM到有限元的方法轉(zhuǎn)化為一種用于模擬恢復前后以及用于風險管理和災害預防的模擬的操作工具。

非結(jié)構(gòu)單元的抗震性能是基于性能的抗震設計中的一個關鍵問題。PERRONE等[26]為提高現(xiàn)存的非結(jié)構(gòu)單元的抗震性能，提出了一個利用建筑信息模型進行非結(jié)構(gòu)單元抗震設計的概念框架，并建立了一個簡單的基于Excel的自動噴水滅火系統(tǒng)抗震設計工具SAPIS-BIM。以此為基礎，可以進一步開發(fā)類似的BIM兼容工具，以便對其他類型的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行自動抗震設計，使其將來都可自動進行抗震設計或驗證。

陳庭威[27]從以往的地震中得出框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點較易發(fā)生破壞，因而提出一種新型梁柱連接器，其功能是能夠消能減震，并建立相應的有限元模型進行模擬。為提高管理水平，將方案建立在BIM模型中，利用可視化，從構(gòu)造、材料等方面得出抗震的最佳效果。

TAFRAOUT等[28]提出了一種基于遺傳算法的創(chuàng)新方法。此方法能夠在IFC格式或BIM平臺中獲取給定建筑配置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并用鋼筋混凝土墻板系統(tǒng)做研究。此方法對應匹配一組通用的結(jié)構(gòu)設計原則和抗震設計規(guī)則。結(jié)果表明，該方法能夠生成最優(yōu)結(jié)構(gòu)，符合預定準則，滿足結(jié)構(gòu)設計要求。

REN等[29]在建筑信息模型中建立三維實體模型，其根據(jù)幾何特征將模型進行減維，將建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)件從力學角度進行簡化，轉(zhuǎn)化為線和面，進行有限元分析，并進行社區(qū)建筑的模擬，證明了此方法的可行性，以便研究者更好地利用數(shù)據(jù)，評價模擬地震對建筑的危害。

ZOU等[16]通過對復雜框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值進行模擬，證明其所提出方法是一種實用、高效的建模與仿真方法。此方法減輕了現(xiàn)有的BIM與結(jié)構(gòu)分析軟件相結(jié)合的困難，提出的SBFEM與有限元法相比，線性單元具有較高的精度。因此，八叉樹與比例邊界有限元結(jié)合的方法可以推廣到更廣泛的領域，例如城市災害模擬、地下結(jié)構(gòu)地震分析和主要土木工程結(jié)構(gòu)等。

綜上可見，近幾年國內(nèi)外專家在打破結(jié)構(gòu)工程師在 BIM 信息交互過程中出現(xiàn)的阻礙，做出了很多的努力，分別提出從云到BIM到有限元的方法、基于Excel的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設計工具SAPIS-BIM、基于遺傳算法的創(chuàng)新方法、對建筑物的結(jié)構(gòu)從力學角度進行簡化、以及SBFEM等方法，從不同角度進行不同的嘗試，并取得了較好的結(jié)果。使其基于BIM對在地震作用下結(jié)構(gòu)的性能進行模擬，取得了較大的進展，為進一步基于BIM來討論結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了一定的支持，增強了BIM在抗震分析方面應用的信心。但是BIM技術(shù)與結(jié)構(gòu)分析的結(jié)合還有很大的提升空間，還需要更多的專家和技術(shù)人員進行創(chuàng)新性的研究，使其能夠更好地結(jié)合。

4 結(jié)果和發(fā)現(xiàn)

建筑信息模型(BIM)具有高度信息集成的特點，它包含了大量的與項目有關的參數(shù)化信息，在建筑的整個生命周期中,可以借助它自身的可視化、模擬化等優(yōu)勢獲取建筑物的全部信息。建筑信息模型與現(xiàn)實過程中實際建筑的信息實時同步，使建筑信息模型成為一個更為有用的系統(tǒng)。 因此，BIM不僅是物理模型的三維信息表達，同時也是建造過程各專業(yè)以及建筑物的全生命周期信息的表達，而這些信息又可以在各專業(yè)之間共享、互用與交流。

本文針對與BIM技術(shù)相結(jié)合的建筑的震后損失評估，對老舊建筑的翻新加固，新舊建筑的抗震驗算和非線性有限元分析等幾方面對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行分析。由于結(jié)構(gòu)專業(yè)在分析模型方面的特殊性，BIM在地震工程中的分析應用尚處于起步階段，總體來說文獻數(shù)量較少。從文獻的發(fā)表年份來看，大部分集中在2019年；從文獻發(fā)表的地域來看，主要的研究還是集中在國外。從目前的分析來看，對于BIM技術(shù)在地震工程相關領域的研究還是個難點，但是也取得了不少的突破。不少專家從不同的角度切入進行創(chuàng)新性的研究，尤其國內(nèi)開始的相對較晚，但是也有很出色的表現(xiàn)。由于BIM自身的優(yōu)勢，我國建筑行業(yè)各個層面開始對BIM技術(shù)非常的重視。當前我國的建筑行業(yè)發(fā)展迅速，建設體量巨大，通過BIM技術(shù)可以有效地進行建筑的全生命周期管理，同時亦能滿足國家對于資源規(guī)劃管理信息化的需求[4]。充分利用好建筑信息模型在地震工程領域中的應用，對震害進行損失評估，為地震后救援、災后修復提供了參考，同時提供了地震預案的基礎數(shù)據(jù)。而舊建筑進行翻新設計方案的優(yōu)化以及基于BIM進行加固裝置的設計、加固檢測等，在目前我國特別重視的舊城改造方面也將會給予強有力的支持。 近幾年國內(nèi)外專家在打破結(jié)構(gòu)工程師在BIM信息交互過程中出現(xiàn)的阻礙，使其基于BIM對在地震作用下結(jié)構(gòu)的性能進行模擬，也給國內(nèi)的專家在BIM與結(jié)構(gòu)結(jié)合方面提供了一定的信心，為進一步基于BIM來討論結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了一定的支持。這些領域的創(chuàng)新性突破和進一步發(fā)展，對進一步提高結(jié)構(gòu)的防災減災能力有重要的意義。

5 未來工作

BIM在地震工程領域已經(jīng)取得了一定的進展， 而隨著一些相關技術(shù)的發(fā)展，例如RAMAJI等[30]研究了一種新機制的發(fā)展，目的在于使信息交換過程所需的轉(zhuǎn)換、修改、添加操作自動化，解決工業(yè)基礎類(IFC)在BIM工程分析應用方面的空白，并且引入了一個工具來自動化已開發(fā)的信息交換(IIE)機制來證明其實施的可行性。 YARMOHAMMADI等[31]在改進原有BIM模型獲取數(shù)據(jù)的基礎上提出了一種新的基于API的方法，能實時地從BIM軟件中自動收集詳細的模型開發(fā)數(shù)據(jù)，計算建筑性能等指標。目前也有學者研究了其他類似的新技術(shù)，這些技術(shù)的發(fā)展也將會進一步推動和促進BIM技術(shù)在地震工程領域的應用和發(fā)展。