BIM虚拟建造技术在超高层建筑核心筒施工教学中的应用

张冰涵 杨彬 喻泽良

摘要：超高层建筑工程量大、施工周期长、施工工序复杂，其核心筒施工工艺是建造过程的重点，也是建筑工程施工课程的重点和难点，因此有必要在教学过程中采用可视化教学辅助方法。文章以某工程为例，通过建立基于BIM的超高层结构核心筒施工虚拟仿真，作为课堂教学及实践教学的有益补充和创新，拓展实践教学的深度和广度，提高了学生解决工程问题的能力。

关键词：BIM;虚拟建造;核心筒施工;教学应用

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）40-0001-02

一、超高层建筑施工特点

随着我国城市化建设的高速发展，各大中型城市兴建了大批高层、超高层建筑和大跨度公共建筑。其结构形式向着超高、复杂和巨型化方向发展，特别是超高层建筑在国内进入了高速发展期。它的施工具有以下特点：

1.工程量巨大。土木工程的服务对象是建筑物、桥梁、隧道，一般体量巨大。进行这些结构或构件的实体实验几乎是不可能的，即使是缩尺实验，也存在实验构件及加载设备体量大、实验环境恶劣、实验费用高的问题。

2.施工周期长。土木工程的建设周期一般比较长，上海中心大厦的建设历时6年，通常一幢普通的住宅楼施工工期也需要1年以上。由于时间的限制，学生的认识实习和生产实习无法得到工程施工全过程的体验。

3.施工工序复杂。超高层建筑施工过程中往往存在多工种交叉，核心筒同外框架施工不同步，施工过程中钢平台及垂直运输体系需要自动提升，加强层桁架施工还需要对钢平台进行改造等问题需要解决，依靠平面图纸往往难以较好地发现所有隐患，稳妥解决所有问题。

4.危险性高。由于施工现场工序复杂、人员众多，而很多学生又缺乏施工经验和对危险源的判别能力，这使得很多施工单位在安排学生的认识实习和生产实习时存在顾虑。

这给超高层结构工程施工的教学工作带来了很大难题。超高层建筑的结构体系主要由核心筒、伸臂桁架和巨柱组成，核心筒结构是超高层结构体系的重要组成部分。核心筒的施工通常采用爬升钢平台配合大模板技术展开，这是施工的难点和重点，因此也是教学的主要关注点，因此有必要在教学过程中采用可视化技术进行辅助。

二、BIM虚拟建造技术介绍

建筑信息模型（Building Information Modeling）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有可视化、协调性、模拟性等特点。在BIM建筑信息模型中，我们可以通过构件之间互动性和反馈性的可视对各专业的碰撞问题进行协调，最终形成建筑结构施工阶段可以进行4D模拟，也就是根据施工的组织设计模拟实际施工，从而来确定合理的施工方案来指导施工。建筑物在BIM模型上的虚拟建造实现，为解决超高层施工这一教学难题提供了很好的方案[1]。教师向学生教授超高层结构核心筒施工时，通过建立基于BIM的超高层结构核心筒及钢平台施工虚拟仿真，构建具有高度真实感、直观性和精确性的虚拟仿真实验模型，可以作为课堂教学及实践教学的有益补充和创新，解决超高层施工课程中传统教学方法与学生工程化培养之间的矛盾，拓展實践教学的深度和广度，提高了学生解决工程问题的能力。同时，通过BIM模型良好的数据兼容性，可以将超高层核心筒BIM模型导入各类专业课程虚拟产品库中，为课程教学提供丰富的虚拟教学资源。王廷魁等人[2]分析了BIM技术在施工现场培训中的作用，结合BIM与增强现实技术可以取得较好的培训效果。杨太华等人[3]和刘成[4]则开展了针对基于BIM的工程管理虚拟教学平台的研究。这一虚拟平台可以解决课程教学中实践薄弱的问题，结合理论与实践，提高教学效果。蒋博雅[5]则实现了针对装配式建筑的BIM虚拟教学。

三、BIM虚拟建造技术在某超高层核心筒施工教学中的应用

1.工程概况。虚拟教学中所采用的案例地上共计60层，为带有巨型角柱框架核心筒结构，建筑高度249.65米，标准层高为4000mm，核心筒墙体厚度随层数增高而不断减小。该工程核心筒外墙采用JFYM150型外墙液压爬模架，核心筒采用JFYM100型和JFYM150型物料平台液压爬模架。爬模架的提升可分段、分片或整体完成。该工程共布置了67个液压爬模架机位，共计15组架体。其中核心筒外墙布置了24个JFYM150液压爬模架机位，核心筒内布置17个JFYM100物料平台液压爬模架和10个JFYM150液压爬模架机位。在实际教学中，主要通过BIM虚拟建造技术实现对爬模在标准层施工中的爬升——浇筑过程进行模拟，使学生可以直观地了解爬模的爬升过程和爬模施工的技术要点。

2.核心筒标准层施工。核心筒标准层的施工主要可以分为以下四个步骤：①浇筑墙体混凝土，绑扎上层墙体钢筋;②退模，安装附墙装置;③爬升架体;④合模，浇筑上层墙体混凝土。当墙厚改变而导致截面改变时，爬模可以通过上层附墙装置的前调节三角架使导轨向内倾斜，并爬升入位。图1所示为爬升模拟所用的爬模的BIM模型与支撑桁架的示意模型，这些模型可以有效地帮助学生认识爬模结构。核心筒和爬模均采用Autodesk Revit建模。

完成建模后，通过Autodesk Navisworks进行标准层施工过程中的爬升动画模拟，为了更加清晰地展示爬模爬升地流程，在这里只选取一片爬架进行演示。图2为爬模的爬升过程动画演示。动画展示虚拟建造流程可以有效地提高教学的直观性，可视化的流程展示具有更好的教学效果。

四、结束语

通过基于BIM的超高层结构工程施工虚拟仿真，实现了建筑工程施工课程建设的“虚实结合、以实促需”的目的。“实”体现为通过现场实践和BIM模型的4D模拟，让学生真实参与超高层施工过程模拟及仿真分析等教学环节，提高学生解决工程实际问题的能力。“虚”体现在专业课程BIM虚拟实验产品开发方面，以学生应用为中心，在建筑工程施工课程的学习和实践过程中，逐渐实现专业课程BIM虚拟建造产品开发，构建高度仿真的虚拟实验或虚拟工艺过程，切实解决实践教学不足，为课程教学提供丰富的虚拟教学资源。

参考文献：

[1]杨春燕.BIM虚拟仿真技术在建筑工程施工技术教学中的应用[J].电子技术与软件工程，2017，（16）：150.

[2]王廷魁，杨喆文.案例对比分析BIM与AR在施工现场培训中的应用[J].施工技术，2016，45（06）：44-48.

[3]杨太华，汪洋，赖小玲.基于BIM技术的工程管理综合实验虚拟教学平台的构建[J].实验室研究与探索，2017，36（08）：108-111+132.

[4]刘成.基于BIM的工程项目管理沙盘模拟实践教学研究[J].实验室研究与探索，2012，31（10）：433-437.

[5]蒋博雅.基于BIM技术的工业化预制装配虚拟实验教学平台的构建[J].实验室研究与探索，2018，37（08）：83-87+210.