建筑信息模型(BIM)在地震工程领域的研究进展

刘 洁,崔宝玉,郭安宁,黄健飞,吴 阳

(1.郑州航空工业管理学院 土木建筑学院，河南 郑州 450000；2.中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000)

随着城市经济的高速发展，现代城市的人口集中，经济的集约化程度高，造成了现在城市地震灾害损失越来越严重的现象。为了减少城市地震带来的严重的人员伤亡和经济损失，提高建筑的抗震性能对抵抗地震有非常重要的作用。而现有的BIM三维模型包含了大量的与项目有关的参数化信息，在建设项目的设计过程、施工过程、运营维护等建筑的整个生命周期中,为保证建筑质量、提高设计效率、节约造价、缩短施工工期等发挥出巨大的作用[1]，可以借助它自身的可视化、模拟化等优势获取建筑物的全部信息。CHEN等[2]通过对文献的综合分析，提出了建筑信息模型与现实过程中实际建筑的信息实时同步的重要性，使建筑信息模型成为一个更为有用的系统。 目前，我国在BIM的工程应用方面，例如施工企业、设计院、业主方、咨询单位、政府、学校等，已经取得了初步的进展。高路[3]提出了将BIM模型、绿色施工、装配式三者的闭环设计。梁竞之[4]提出利用BIM技术与装配式建筑施工的结合。胡德军等[5]提出将BIM技术的虚拟施工应用于实际。BIM在预制装备式结构中的应用非常广泛[6]，BIM技术节省时间，提高生产效率。李海燕等[7]提出基于BIM技术的绿色建筑工程造价快速估算模型等，与BIM结合的绿色建筑、预制装配式建筑、虚拟施工、工程估价等技术已被大多数单位应用，并且部分技术得到了推广，发展前景不错。同时，由于国内缺少精通BIM技术的人才以及人们对BIM的认识不足，使得BIM还有很大的发展空间。COSTIN等[8]通过对现有的建筑信息模型进行整理分析，总结了建筑信息模型在应用中的前景、益处、挑战和局限性，并得出需要学术界和工业界合作，才能充分发挥BIM在现实中的应用潜力。由于结构专业在分析模型方面的特殊性，BIM在地震工程中的分析应用尚处于起步阶段。那么，充分利用好建筑信息模型在地震工程领域中的应用，进一步提高结构的防灾减灾能力，具有重要的意义。本文从与BIM技术相结合的建筑的震后损失评估、对老旧建筑的翻新加固、以及新旧建筑的抗震验算和非线性有限元分析等几方面，对国内外的研究现状进行分析，并提出一些建议。

1 基于BIM技术的震后损失评估

地震灾害损失评估是以地震危险性分析和结构易损性分析为基础，其评估结果可作为地震后救援、修复等工作的参考数据,也可作为地震预案的基础数据使用。同时，通过对震害损失的计算和研究[9],可以了解目标工程在地震中受到的影响。目前，对该领域的研究取得了较大的进展。随着地震灾害损失评估理论的不断完善以及建筑信息模型技术的快速发展，地震灾害损失评估的发展又进入了新的阶段。

MA等[10]早几年提出了一种资讯模式，来促进钢筋混凝土结构震后评估的资料流通。模式开发基于典型的损坏模式和现有的行业基础类(Industry Foundation Class，IFC)模式。并借助两个地震事件中受损结构的例子，使用一个实验性损伤建模软件编译，说明了数据模型的使用。该文的一个独特特点是能够用二叉树(binary tree)结构对损伤过程进行建模。还讨论了使用IFC导出损坏实例模型的方法。

陆新征[11]团队利用建筑信息模型与FEMAP-58方法相结合，评估建筑震害损失。此方法需要详细的建筑物信息。陆新征团队针对信息不足的问题，提出了一种新的信息提取方法。在Revit建立的BIM三维模型中，Revit内有预先定义的构件，其信息可以直接使用。对于没有的构建信息，提出了定义族子类型和手动建立映射，使信息详细化。建筑信息越详细，地震损失评估的准确性越高，不确定性越低。

董国庆等[12]采用BIM技术，对不同抗震设防烈度下的工程造价进行分析，得出提高抗震设防烈度的方法。

VITIELLO等[13]在BIM模型中提出了基于半概率方法的简化方法，以评估有地震风险的建筑物的经济性能和经济损失。BIM模型可以显示建筑物的经济状况，并成为可以随时查询的更新数据库，以获得有关结构的信息；优化结构改造；并在处理地震造成的经济损失时评估成本。

胡瑛等[14]从4个方面分析建筑砌体结构抗震性能提升的条件，构建建筑结构的抗震性能评估的BIM体系；用实例分析，利用建筑结构倒塌率测试建筑砌体结构的抗震性能；并利用评估结果与实际结果的拟合度测试方法的准确性。

陆新征[15]团队利用Revit建立三维模型,由于Revit中组件已经预先定义好，组件识别存在困难，选择将所建立的模型转化为结构模型，选择盈建科插件，将模型简化。最后，利用Revit API实现模型的损伤和损失的三维可视化和虚拟漫游。可视化是用户在Revit中可看到地震损伤和可修复性的空间分布；虚拟漫游可使用户了解地震损伤和损失的空间分布，从而制定合理的修复策略。

ZOU等[16]提出了一种快速建模和地震损失分析的方法，BIM-Octree-FEM-SBFEM method (BOFSM)，即八叉树(octree)和比例边界有限元法(scaled boundary FEM，SBFEM)相结合的方法进行建模，将复杂的几何模型简化为分析模型。该方法主要用于大型工程结构在遭受地震作用后的损伤预测，可以对损伤预测进行预处理，估计比传统方法快几十倍。

综上可见，将建筑信息模型(BIM)与震后损失评估相结合，基于现有的行业基础类(IFC)模式与FEMAP-58方法相结合，通过经济损失评估程序的集成，八叉树(octree)和比例边界有限元法相结合的方法等结合起来对震害进行损失评估。这些技术的突破和应用，为地震后救援、灾后修复提供了参考，同时提供了地震预案的基础数据，将为我国在地震方面的防灾减灾提供有价值的参考。

2 基于BIM技术的建筑翻新与加固

地震灾害逐年发生，给人类带来的损失惨重。因此，建筑领域的抗震设计得到重视。新的建筑结构采取了更为有效的抗震设计与构造措施来降低地震的损害。 对于不满足抗震设防要求的既有建筑，拆除重建会造成一定的环境污染与资源浪费[17]，所以对既有建筑的翻新与加固成为主要的解决办法。

传统的加固方式，一般需要入户施工，且施工周期较长。而随着BIM建筑信息建模方法的发展，基于BIM加固的技术也在改进，一种基于BIM的装配式外套加固的技术也逐渐成为研究的热点[18]。同时，随着BIM建筑信息建模方法的发展，使得在一个集成的协作平台上开发不同的项目成为可能，也可促进生命周期评估的继承[19]。因此，基于BIM设计的翻新方案已被证实有足够的安全保障，翻新现有的建筑，对一个老建筑进行正确的结构构件加固，有利于减少新建建筑的资源消耗以及对环境的影响。

张世玉[18]在2016年提出基于BIM的建筑装配式外套加固技术，借助Revit平台以及装配式外套加固体系，开发一套相应的外套加固族库，达到参数化设计以及自适应构件的标准。结果表明，通过建立成套Revit加固族库,可以更快地建立加固设计的BIM模型。 此方法相较于一般的砌体结构抗震加固措施有诸多优点，并通过具体事例分析其高效性、环保性和适用性，具有极高的应用价值。

BIAGINI等[20]提出了利用BIM建模解决历史建筑的修复和改造的新方法,用来处理历史建筑遗产的更新和修复，解决传统方法的耗时长、效率低等问题。JOBLOT等[21]归纳总结了法国的部分建筑数据库中的现有信息，深入地阐述了翻新一词的概念，提出建筑在翻新行业的发展空间及其优点。

GIGLIARELLI等[19]通过在意大利弗里根托老城进行的遗产BIM、数值模拟和决策支持系统领域的技术支持，并利用ICT技术将操作步骤简化，提出了改进历史建筑的最佳解决方案。

RAPOSO等[22]利用建筑信息建模和生命周期评估两种方法，对新建建筑预制构件和现有建筑的构件进行抗震加固及拆除，对比其经济效果。在Revit中建立三维模型，从模型中获取建筑构件的信息及所用材料的数量。考虑抗震加固，要注意各构件之间的连接，将翻新建筑与新建建筑的成本以及能耗进行对比，得出结果最有利的方案，并且翻新建筑能保证恢复建筑功能性，以及构件的耐久性和安全性。

吴研[23]提出基于BIM技术的建筑结构抗震加固强度自动检测方法，采用BIM技术进行建筑结构抗震加固强度参数融合处理，优化并实现抗震加固强度的自动检测。检测的精度较高，提高了建筑结构的抗震强度和加固能力。

BIM不仅仅是物理模型的三维信息表达，同时也是建造过程各专业以及建筑物的全生命周期信息的表达，而这些信息又可以在各专业之间共享、互用与交流。综上可见，基于BIM对旧建筑进行翻新设计方案的优化取得了较大的进展，而基于BIM进行加固装置的设计、加固检测等在提高建筑结构的抗震强度和加固能力方面也有突破。这些技术的发展为我国在旧城改造技术提升方面将提供很好的支持。

3 基于BIM技术的结构模型计算的抗震分析

随着建筑行业及建筑信息模型的快速发展，加强建筑结构的抗震性能具有很重要的意义。而结构专业在 BIM 实施的过程中一直处于一种很尴尬的境地[24]，这是由于结构专业在分析模型方面的特殊性，Revit软件本身并不能对建筑结构做出准确的分析，所以一般需要结合专业的结构分析软件来配合使用。而同时，由于BIM模型的信息集成量过大，想要依托 BIM相关工具来达到传统结构分析软件的准确分析也是不现实的，这就给前期的设计过程造成了一定的阻碍。如何打破结构工程师在 BIM 信息交互过程中出现的阻碍，则是迫切需要解决的问题。

因此，如何利用建筑信息模型的信息化、可视化等优点建立三维模型，并借助三维BIM模型建立精细化的有限元模型，对其在地震作用下的性能进行模拟，进而讨论结构的抗震性能，成为国内外专家研究的又一热点。

BARAZZETTI等[25]对历史建筑的仿真和模拟提出新的解决方法，提出了一种新的两步方法(云到BIM到FEM)。从云到BIM的生成是通过一项精确的调查进行的，然后将BIM转化为具有几何合理化的有限元模型(BIM-FEM)。该模型保留了不规则和异常，尊重历史建筑的唯一性和真实性，但不会对形状进行典型的过度几何简化；同时，提到云到BIM到FEM方法的潜力是显著的，可以考虑不同作用下的新研究，如风或地震；目的是将所提出的云到BIM到有限元的方法转化为一种用于模拟恢复前后以及用于风险管理和灾害预防的模拟的操作工具。

非结构单元的抗震性能是基于性能的抗震设计中的一个关键问题。PERRONE等[26]为提高现存的非结构单元的抗震性能，提出了一个利用建筑信息模型进行非结构单元抗震设计的概念框架，并建立了一个简单的基于Excel的自动喷水灭火系统抗震设计工具SAPIS-BIM。以此为基础，可以进一步开发类似的BIM兼容工具，以便对其他类型的非结构构件进行自动抗震设计，使其将来都可自动进行抗震设计或验证。

陈庭威[27]从以往的地震中得出框架结构的梁柱节点较易发生破坏，因而提出一种新型梁柱连接器，其功能是能够消能减震，并建立相应的有限元模型进行模拟。为提高管理水平，将方案建立在BIM模型中，利用可视化，从构造、材料等方面得出抗震的最佳效果。

TAFRAOUT等[28]提出了一种基于遗传算法的创新方法。此方法能够在IFC格式或BIM平台中获取给定建筑配置的最优结构，并用钢筋混凝土墙板系统做研究。此方法对应匹配一组通用的结构设计原则和抗震设计规则。结果表明，该方法能够生成最优结构，符合预定准则，满足结构设计要求。

REN等[29]在建筑信息模型中建立三维实体模型，其根据几何特征将模型进行减维，将建筑物的结构构件从力学角度进行简化，转化为线和面，进行有限元分析，并进行社区建筑的模拟，证明了此方法的可行性，以便研究者更好地利用数据，评价模拟地震对建筑的危害。

ZOU等[16]通过对复杂框架结构的数值进行模拟，证明其所提出方法是一种实用、高效的建模与仿真方法。此方法减轻了现有的BIM与结构分析软件相结合的困难，提出的SBFEM与有限元法相比，线性单元具有较高的精度。因此，八叉树与比例边界有限元结合的方法可以推广到更广泛的领域，例如城市灾害模拟、地下结构地震分析和主要土木工程结构等。

综上可见，近几年国内外专家在打破结构工程师在 BIM 信息交互过程中出现的阻碍，做出了很多的努力，分别提出从云到BIM到有限元的方法、基于Excel的非结构构件抗震设计工具SAPIS-BIM、基于遗传算法的创新方法、对建筑物的结构从力学角度进行简化、以及SBFEM等方法，从不同角度进行不同的尝试，并取得了较好的结果。使其基于BIM对在地震作用下结构的性能进行模拟，取得了较大的进展，为进一步基于BIM来讨论结构的抗震性能提供了一定的支持，增强了BIM在抗震分析方面应用的信心。但是BIM技术与结构分析的结合还有很大的提升空间，还需要更多的专家和技术人员进行创新性的研究，使其能够更好地结合。

4 结果和发现

建筑信息模型(BIM)具有高度信息集成的特点，它包含了大量的与项目有关的参数化信息，在建筑的整个生命周期中,可以借助它自身的可视化、模拟化等优势获取建筑物的全部信息。建筑信息模型与现实过程中实际建筑的信息实时同步，使建筑信息模型成为一个更为有用的系统。 因此，BIM不仅是物理模型的三维信息表达，同时也是建造过程各专业以及建筑物的全生命周期信息的表达，而这些信息又可以在各专业之间共享、互用与交流。

本文针对与BIM技术相结合的建筑的震后损失评估，对老旧建筑的翻新加固，新旧建筑的抗震验算和非线性有限元分析等几方面对国内外的研究现状进行分析。由于结构专业在分析模型方面的特殊性，BIM在地震工程中的分析应用尚处于起步阶段，总体来说文献数量较少。从文献的发表年份来看，大部分集中在2019年；从文献发表的地域来看，主要的研究还是集中在国外。从目前的分析来看，对于BIM技术在地震工程相关领域的研究还是个难点，但是也取得了不少的突破。不少专家从不同的角度切入进行创新性的研究，尤其国内开始的相对较晚，但是也有很出色的表现。由于BIM自身的优势，我国建筑行业各个层面开始对BIM技术非常的重视。当前我国的建筑行业发展迅速，建设体量巨大，通过BIM技术可以有效地进行建筑的全生命周期管理，同时亦能满足国家对于资源规划管理信息化的需求[4]。充分利用好建筑信息模型在地震工程领域中的应用，对震害进行损失评估，为地震后救援、灾后修复提供了参考，同时提供了地震预案的基础数据。而旧建筑进行翻新设计方案的优化以及基于BIM进行加固装置的设计、加固检测等，在目前我国特别重视的旧城改造方面也将会给予强有力的支持。 近几年国内外专家在打破结构工程师在BIM信息交互过程中出现的阻碍，使其基于BIM对在地震作用下结构的性能进行模拟，也给国内的专家在BIM与结构结合方面提供了一定的信心，为进一步基于BIM来讨论结构的抗震性能提供了一定的支持。这些领域的创新性突破和进一步发展，对进一步提高结构的防灾减灾能力有重要的意义。

5 未来工作

BIM在地震工程领域已经取得了一定的进展， 而随着一些相关技术的发展，例如RAMAJI等[30]研究了一种新机制的发展，目的在于使信息交换过程所需的转换、修改、添加操作自动化，解决工业基础类(IFC)在BIM工程分析应用方面的空白，并且引入了一个工具来自动化已开发的信息交换(IIE)机制来证明其实施的可行性。 YARMOHAMMADI等[31]在改进原有BIM模型获取数据的基础上提出了一种新的基于API的方法，能实时地从BIM软件中自动收集详细的模型开发数据，计算建筑性能等指标。目前也有学者研究了其他类似的新技术，这些技术的发展也将会进一步推动和促进BIM技术在地震工程领域的应用和发展。