BIM三維時代的抗震減災(zāi)法寶

BIM-三維時代的抗震減災(zāi)法寶2009年底，我們驚魂未定地從災(zāi)難大片《2012》的放映廳出來，“世界末日論”開始在全球蔓延。不過沒多久，“樂觀至上”的地球人們開始用其一貫的方式調(diào)侃災(zāi)難，聊以自慰，于是淘寶和e-Bay上開始倒賣“諾亞方舟”的船票……不知道是宿命還是巧合，新年伊始一場海地的大地震又一次觸動人類脆弱的神經(jīng)。社會學家和環(huán)保主義者開始對人類生存環(huán)境開始嚴肅的反思，建筑家和結(jié)構(gòu)師們則繼續(xù)在建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)計領(lǐng)域中探索災(zāi)難防御和自救之道，而這一次，建筑信息模型（BIM）成為現(xiàn)代建筑界防震減災(zāi)的法寶。海地地震教訓(xùn)——不容忽視的建筑抗震設(shè)計對于這樣一個缺少經(jīng)驗和準備的貧困國家來說，這次令人恐怖的自然災(zāi)難無疑會在一夜之間讓其墜入地獄。根據(jù)測震儀記錄的數(shù)據(jù)，當?shù)貢r間16點53分(格林威治標準時間的21點53分)初步測定的震級為7級。此次地震的震源距離太子港15公里，深度為8公里，由于靠近震源，太子港在更大程度上遭受破壞性力量沖擊。強烈的地震讓海地首府太子港幾乎化為一片廢墟，海地總統(tǒng)府一層以上建筑徹底坍塌，聯(lián)合國駐海地總部大樓損毀嚴重，大量聯(lián)合國員工傷亡。大地震令人們越發(fā)關(guān)注建筑抗震等安全性能。在主要工業(yè)國家，位于地震多發(fā)區(qū)的建筑均裝有阻尼系統(tǒng)，允許它們在震動中幸存下來。在遭遇與海地相同的地震時，這些建筑不但會來回晃動同時還會發(fā)生扭曲。但在海地首都太子港，簡單的混凝土結(jié)構(gòu)建筑卻會在同樣的應(yīng)力下轟然倒塌。圖1：一棟尚未完工的4層混凝土樓房倒塌。從附件的結(jié)構(gòu)分析，倒塌的原因在于柱尺寸不足、樓面板過重以及配筋不足等原因。圖2：海地太子港的總統(tǒng)宮殿。宮殿一層基本無破壞，連玻璃門窗都未損壞。但是一層以上建筑徹底坍塌。入口處的倒塌的柱子配筋少的可憐。圖3：剛建成5年左右的建筑倒塌。圖中特寫顯示：頂層柱子配筋不足。圖4：倒塌的建筑。圖中可見，圓鋼的尺寸太小。圖5：兩層樓房柱遭破壞，柱子之間有欄桿的約束，其中一根柱子因為臨近樓房的撞擊而斷裂圖6：一座5層的石建筑倒塌。倒塌的原因在于一層結(jié)構(gòu)剛度不足、二層柱體偏少以及柱體間的連接剛度不足。“建筑版太極拳”——中國古代建筑的抗震智慧以柔克剛的思想，是中華民族的傳統(tǒng)智慧。舉世聞名的太極拳就是這種思想的直接產(chǎn)物而中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑抗震防震的方法。與西方磚石結(jié)構(gòu)建筑的“以剛克剛”不同，中國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑在抵抗地震沖擊力時，采用的是“以柔克剛”的思維，通過種種巧妙的措施，其目標是以最小的代價，將強大的自然破壞力消彌至最小程度。我國許多古代建筑都成功地經(jīng)受過大地震的考驗，如天津薊縣獨樂寺觀音閣、山西應(yīng)縣木塔等建筑，千百年來均經(jīng)歷過多次地震仍然傲然屹立。當代建筑設(shè)計以抵御9度地震為目標，而我國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑基本上能達到這個要求，而且其代價遠遠小于西方的“剛”，不能不讓人嘆服“柔”的力量。柔性的框架結(jié)構(gòu)：墻倒屋不塌——中華民族不但自文明伊始就睿智地選擇了木材等有機材料作為結(jié)構(gòu)主材，而且發(fā)展形成了世界上歷史最悠久、持續(xù)時間最長、技術(shù)成熟度最高的結(jié)構(gòu)體系—柔性的框架體系。我國木結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。作為對比，西方數(shù)千年中一直采用承重墻體系，直到工業(yè)革命以來、近現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展之后，才意識到框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，遂開始大規(guī)模地普及，更值得玩味的是，這種框架體系仍然是“以剛克剛”。而中國的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，具有框架結(jié)構(gòu)的種種優(yōu)越性，如“墻倒屋不塌”的功效，但其柔性的連接，又使得它具有相當?shù)膹椥院鸵欢ǔ潭鹊淖晕一謴?fù)能力。汶川大地震中，許多文物建筑的墻體均不同程度地受損，但主體結(jié)構(gòu)仍未倒塌，就是這種柔性框架結(jié)構(gòu)抗震能力的表現(xiàn)。整體浮筏式基礎(chǔ)、斗栱、榫卯：抗擊地震的關(guān)鍵——我國古代很少建造平面復(fù)雜的建筑，主要采用長寬比小于2:1的矩形。規(guī)則的平面形態(tài)和結(jié)構(gòu)布局有利于抗震。傳統(tǒng)建筑往往是中間的一間(當心間)最大，兩側(cè)的次間、梢間等依次縮小面寬，這樣的設(shè)計非常有利于抵抗地震的扭矩。中國古代建筑一般由臺基、梁架、屋頂構(gòu)成，高等級的建筑在屋頂和梁柱之間還有一個斗栱層。中國古代建筑的臺基用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)語言描述，堪稱“整體浮筏式基礎(chǔ)”，好比是一艘大船載著建筑漂浮在地震形成的“驚濤駭浪”中，能夠有效地避免建筑的基礎(chǔ)被剪切破壞，減少地震波對上部建筑的沖擊。中國傳統(tǒng)建筑的梁架一般采用抬梁式構(gòu)造，在構(gòu)架的垂直方向上，形成下大上小的結(jié)構(gòu)形狀，實踐證明這種構(gòu)造方式具有較好的抗震性能。優(yōu)雅的大屋頂是中國古代傳統(tǒng)建筑最突出的形象特征之一，而且對提高建筑的抗震能力也做出過相當?shù)呢暙I。形成大屋頂(尤其是廡殿頂、歇山頂?shù)?需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)和大量構(gòu)件，大大增加了屋頂乃至整個構(gòu)架的整體性；龐大的屋頂以其自重壓在柱網(wǎng)上，也提高了構(gòu)架的穩(wěn)定性。斗栱是中國古代建筑抗震的又一位重要戰(zhàn)士，在地震時它像汽車的減震器一樣起著變形消能的作用。歷史上，很多帶斗栱的建筑都能抵御強烈地震，比如山西大同的華嚴寺，在沒有斗栱的低等級附屬建筑被破壞殆盡的情況下，帶斗栱的主要殿堂仍能幸存，充分說明了斗栱對抗震的貢獻。斗栱但能起到“減震器”的作用，而且被各種水平構(gòu)件連接起來的斗栱群能夠形成一個整體性很強的“剛盤”，按照“能者多勞”的原則把地震力傳遞給有抗震能力的柱子，大大提高了整個結(jié)構(gòu)的安全性。除了這些較顯著的手法外，中國古代傳統(tǒng)建筑中還使用了大量的其他技術(shù)措施，這些措施是古建筑抗震的關(guān)鍵。比如榫卯的使用：榫卯是極為精巧的發(fā)明，我們的祖先早在7000年前就開始使用，這種不用釘子的構(gòu)件連接方式，使得中國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)成為超越了當代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結(jié)構(gòu)體，不但可以承受較大的荷載，而且允許產(chǎn)生一定的變形，在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。又比如柱子的生起、側(cè)腳等技法降低了建筑的重心，并使整體結(jié)構(gòu)重心向內(nèi)傾斜，增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接，使柱架層形成一個閉合的構(gòu)架系統(tǒng)，用現(xiàn)代術(shù)語來說，就是形成上、下圈梁，有效地制止了柱頭、柱腳的移動，增強了建筑構(gòu)架的整體性。梁架系統(tǒng)通過闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構(gòu)件強化了聯(lián)系，顯著增強了結(jié)構(gòu)的整體性；柱子與柱礎(chǔ)的結(jié)合方式能顯著地減少柱底與柱礎(chǔ)頂面之間的摩擦，進而有效地產(chǎn)生隔震作用；在高大的樓閣中，如獨樂寺觀音閣、應(yīng)縣木塔等，都在暗層中設(shè)有斜撐，大大強化了構(gòu)架對水平?jīng)_擊波反復(fù)作用的抵抗能力；在外檐柱間設(shè)置較厚的墻體，起到現(xiàn)代建筑中“剪力墻”的作用諸如此類，舉不勝舉，大到建筑群體的布局處理，小到構(gòu)件斷面的尺寸設(shè)計，處處都展示出古代工匠們在抗震設(shè)計方面的知識和匠心。中國古代建筑抗震能力的杰出代表——地震帶上應(yīng)縣木塔山西應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔(應(yīng)縣木塔)是中國古代傳統(tǒng)建筑杰出抗震能力的集中代表。整座木塔表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)、技術(shù)與藝術(shù)形象的高度和諧，表里如一，這是中國古代木結(jié)構(gòu)建筑，也是我們中華民族的“傳統(tǒng)美德”之一。在近千年前我們的祖先就能建造出如此莊嚴美麗而堅固耐久的建筑，充分顯示出當時的匠人對數(shù)學、力學、材料學、結(jié)構(gòu)學的研究已經(jīng)相當深入，而且對地震的破壞機理已有了相當?shù)牧私猓拐鸾?jīng)驗已積累到了很高的水平，既令人驚奇，也令人自豪。這座木塔是當今世界現(xiàn)存最高的木結(jié)構(gòu)建筑，竣工于1056年，處于大同盆地地震帶上。木塔建成200多年即遭受大震，余震連續(xù)7天，木塔附近的房屋全部倒塌，而木塔巋然不動；在此后的近千年中，木塔經(jīng)歷了多次大地震的考驗而安然無恙。在戰(zhàn)亂之際，木塔還承受過200余發(fā)炮彈的轟擊，亦無大損。木塔之所以有如此杰出的抗震能力，在于前述諸多抗震技法的綜合和提高：木塔平面是規(guī)則的正八角形，利于抵抗地震波產(chǎn)生的扭曲力；木塔高達4.4米的磚石基座堅實、穩(wěn)定，形成一個“浮筏”，承載著全塔的重量(約1300噸)；木塔內(nèi)梁與柱的連接完全通過斗栱完成，各種構(gòu)件則通過榫卯連接，全塔的主要構(gòu)件不用一釘一鉚，這種連接形式類似于半固結(jié)半活鉸的狀態(tài)，能承受較大的彎矩；構(gòu)架水平分層，在地震波中的垂直沖擊波攻擊下，可以通過“彈跳”的方式消解巨大的破壞能量；構(gòu)架的整體性有力地抵抗旋轉(zhuǎn)波，所有的柱子都用頂部的梁枋連結(jié)成一個筒形的框架，保證了構(gòu)架的穩(wěn)定性；柱子之間砌筑有厚實的墻體，牢牢地“抱”住各柱子，增加了構(gòu)架的整體性，而且這些墻體能作為剪力墻發(fā)揮作用；立柱側(cè)腳、平面逐層縮小，有效地降低了塔的重心，并使整體結(jié)構(gòu)重心向內(nèi)傾斜，增強了塔的穩(wěn)定性，這樣既使塔身形成美麗的曲線，又能把水平的地震沖擊力分解成垂直方向的壓力；周邊有一圈柱廊，各圈柱廊被水平構(gòu)件連接成一個剛中帶柔的整體；為了加固結(jié)構(gòu)框架，在八邊形木塔的四個斜向應(yīng)面上，自上而下采用了剪刀撐做法。抓住新時代建筑抗震減災(zāi)的救命稻草——建筑信息模型建筑事業(yè)是一項集體“運動”，歐特克在2002年率先提出了名為“建筑信息模型”（即BIM，BuildingInformationModeling）的理念。建筑信息模型(BuildingInformationModeling，簡稱BIM)的出現(xiàn)正在改變項目參與各方的協(xié)作方式，從而引發(fā)了建筑行業(yè)一場脫胎換骨的革命?？拐鸱懒叶让刻岣咭欢龋ㄖ杀緦⒃黾?0％：過去很多涉及抗震級別的設(shè)計工作中，重復(fù)或過于繁雜的作業(yè)流程不可避免，這也導(dǎo)致企業(yè)主支付過多無形成本，據(jù)了解，抗震防烈度每提高一度，建筑成本將增加10％。目前，在建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計之初，在有限的成本預(yù)算之下，如何設(shè)計出合理的抗震設(shè)計，成為業(yè)界關(guān)注而探討的話題。建筑信息模型在防震抗災(zāi)方面有著無可比擬的優(yōu)勢，這一理念基于最先進的三維數(shù)字設(shè)計解決方案，構(gòu)建“可視化”的數(shù)字建筑模型，為建筑設(shè)計師和工程師等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析”的科學協(xié)作平臺。對于建筑設(shè)計師而言，這不僅僅要求將設(shè)計工具實現(xiàn)從二維到三維的轉(zhuǎn)變，更需要在設(shè)計階段就突破單純建筑設(shè)計的桎梏，融合協(xié)同設(shè)計、綠色設(shè)計和可持續(xù)設(shè)計理念，使得整個工程項目在設(shè)計、施工和使用等各個階段都能夠有效的實現(xiàn)節(jié)省能源、節(jié)約成本、降低污染、提高效率。目前，這一理念已經(jīng)成為全球工程建設(shè)行業(yè)可持續(xù)設(shè)計的標桿和里程碑。設(shè)計師和建筑師們得以在工程建設(shè)項目的設(shè)計、施工和運營維護的整個階段，輕松“模擬和分析”抗震性，在工程過程中，可以及時了解工程材料的是否達標，并且以“可視化”的方式呈現(xiàn)，從而實現(xiàn)以“可持續(xù)性設(shè)計”構(gòu)建人類生活和生產(chǎn)的抗震建筑。設(shè)計階段應(yīng)用AutodeskRevit以及AutoCADCivil3D等基于BIM理念的相關(guān)工具，可以根據(jù)當?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境、建筑設(shè)計預(yù)案匹配出最合理的抗震設(shè)計方案，同時將相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、施工和材料等因素考慮進去，設(shè)計初期就可預(yù)先發(fā)現(xiàn)施工時可能出現(xiàn)的問題，省卻后續(xù)整合或拆除等不必要的施工成本，兼顧提升質(zhì)量、提升設(shè)計能力與節(jié)省成本等優(yōu)勢。此外，針對不同地區(qū)不同的地質(zhì)環(huán)境要求，AutodeskRevit等BIM軟件有各種外掛或套用程序，在設(shè)計時，將防震要求、防震設(shè)施或防震預(yù)案等因素納入其中。ASTRAMontenegro度假中心——建筑信息模型塑造地震帶上的建筑奇跡

黑山共和國的ASTRAMontenegro飯店如童話故事中公主所居住的城堡，聳立在峭壁之上。建筑主體是二張鼓起的風帆，它帶著酒店客人，在周圍如畫風景中暢游。不過酒店客人肯定不曾想到，這么幽雅的酒店其實建筑在地震帶上，是來自東方的設(shè)計師利用BIM軟件打造了這座夢幻酒店，讓它成為東歐的一個新傳奇。這個令人矚目的ASTRAMontenegro度假中心位于黑山共和國（Montenegro），建筑最大特色就是建筑主體構(gòu)想來自兩相纏繞在一起的風帆，用過去建筑經(jīng)驗與法則來看，幾乎是接近不可能的一項工程，不過，透過采用Revit卻能將建筑師的設(shè)計概念具體實踐出來。ASTRAMontenegro內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，每一個樓層設(shè)計不一樣，透過Revit的3D模型仿真分析，讓特殊形狀主體可以被建造出來，這是過去2D軟件無法做出來的境界。AstraMontenegro裙樓模擬圖ASTRAMontenegro更讓人驚訝的是建筑位于地震帶，要兼顧施工質(zhì)量與樓地板面積最大化，似乎是魚與熊掌不可兼得的事，但BBG-BBGM指出，盡管ASTRAMontenegro位于地震帶，但憑借Revit精確的仿真分析，結(jié)構(gòu)體承受重量相同，但卻可將建