BIM技术在低层建筑环境振动特性分析中的应用

张 伟,韩 旭,刘会尧,王 起,龚竞赛

（中建八局第一建设有限公司,济南 250014）

0 引言

在建筑行业不断发展的背景下,建筑能耗和环境成为了当前亟待解决的问题[1]。当前在建筑方案设计过程中,针对舒适度和环境振动响应分析存在缺失,且对绿色低能耗建筑整体认知度还不是很高,很难满足大众日益增加的居住和工作环境需求。

城市轨道交通工程项目建设日益发展中,为了充分发挥出城市土地空间作用,很多地区将地铁线路和地上建筑合建的开发形式引入到城市交通建设中[2-3]。一般做法是把地铁线路架构和建筑基础相结合,实现系统性和整体性的联结,开展同步设计和施工,便于降低项目工程建设成本,例如虹桥高铁站项目等。

综合土地环境和城市交通工程建设分析,在城市轨道交通迅猛发展下,地铁列车导致的沿线建筑环境振动已经成为不可忽略的城市问题之一。将BIM技术引入至低层建筑环境振动特性分析中,在研究建筑环境振动响应特性过程中,有效提升绿色工程项目的建设质量及效率,为该建筑领域发展提供理论依据。

1 基于BIM的建筑集成设计

利用BIM技术构建建筑集成绿色节能模型,并将其引入至低层建筑环境振动特性分析中。模型构建的步骤如下所示。

(1)设计前期

在建筑集成模型设计的前期阶段,主要任务为通过BIM对地基进行分析,其中包含场地模型建立和场地处理等。主要内容为：先导入场地的基本条件,构建BIM和GIS间关联模型,针对场地和拟建建筑空间信息进行仿真,利用参数控制对比分析工程项目优良。然后开展环境模拟和仿真实验,计算建筑面积和体积以及能量消耗等参数指标,详细设计结构如图1所示。

图1 设计前期结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the pre-design structure

设计前期的主要流程为：

场地建模：BIM中的Revit含有一些比较简单的模型建立工具,利用导入当前的矢量地形实现场地设计。亦或是利用BIM系列软件中Civi13D实现建筑相关场景布置,其中包含道路和景观等。合理处理建筑场地和周边的建筑物等关系,并充分科学地对周边建筑协调性等方面进行分析[4]。

场地设计：通过Civi13D软件实现高程和坡度等指标的分析。

配准规划设计基本条件：基于规划文件,在Revit中生成场地面积和建筑占地面积等计算表,对容积率和建筑密度等参数进行计算。

投资计算：利用Revit软件将面积与体积两个参量估算建筑的投资导出,对该项目可否在预定投资成本下顺利完成进行评估。

设计任务书编写制作：编制文件应该充分描述出建筑的实际意图,并充分显示出建筑物的功能和质量等。

(2)方案设计阶段

该阶段的主要任务为基于前期给出的任务书实现建筑方案设计。主要内容为先对研究地区的资源和建筑物实施等方面进行技术举措及方法筛选。然后基于建筑性能目标和绿标规范等,开展不同方案与被动节能方案下自然采光等方面的仿真分析,方便优化与选取。最后基于当地经济情况,实现建筑节能和建筑投资间分析,以此达到低能耗和高能效下建筑设计建设目标,并需检测建筑对环境影响以及能量消耗等目标。详细设计架构如图2所示。

建筑方案设计流程：

对建模进行参数化：通过Revit软件创建建筑物模型。

对建筑生态模拟进行分析：基于已经创建完成的绿建项目实现模型创建,将其导出,通过模拟软件分析能耗和采光等。

可视化相关分析：通过Revit软件具备的可视化特性检测建筑细部和造型等方面。

图2 建筑方案设计基本架构Fig.2 Basic architecture of architectural design

(3)建筑初步设计阶段

该阶段的主要任务为协调各个专业实现建筑方案的完善和优化。内容为基于设计方案分析能源消耗情况,并确定各个因素对照明和能源消耗等方面的显著性水准[5-6]。然后在材料筛选与运用过程中,需要将成本管控当作重点进行分析,由此方案建立中,在尽量满足与达到绿色低能耗规范要求下,实现成本严格管控,基本设计结构如图3（a）所示。

建筑初步设计流程：

设计制定建筑工程的BIM方案文档以及建模的基本计划,各项目的组成方在项目初始前通过流程与设计基本需求培训,进而方便各个专业人员在相同的BIM模型与协同标准下完成设计;拆分和细化项目模型,优化模型精度与信息完整程度;整合检查模型;BIM平台能够和项目管理系统相互融合,对任务、财务、实时信息等进行整合,进而提升信息沟通效率。

图3 建筑初步设计框架示意图Fig.3 Schematic diagram of the preliminary design of the building

(4)施工图设计阶段

该阶段的主要任务为对初步设计图纸进行优化,以此提升施工图文件和合同规定中BIM模型以及管线预留口等一系列图纸精确性。

基于BIM技术,建筑施工图的设计产生了深刻变化：基于初步设计与技术设计,综合各个专业的设计图将建筑项目部分工程施工详细要求在BIM信息模型和有关数据库中反映出来。主要内容是为最终设计文件提供细节图。

施工图设计流程：

管线整合和冲突检测;

设计优化;

BIM施工图文件的提交;

陈列辅助构件的清单;

发布施工设计文件前应该进行模型审核与重复检测,并实时识别修正问题,最终通过设计证实之后发布同时归档。

2 地铁列车行驶振动

曲线轨道的设施可以不受当前城市整体布局约束,在目前城市轨道工程设计中经常被采用。然而与直线段列车比较,曲线段的地铁列车产生的振动更加复杂,经常导致振动特性十分显著[7-8]。

当地铁列车行驶在直线路段,一般会将轨道对列车水平力忽视,轮轨垂向力能够根据赫兹非线性的弹性接触基本理论判断,则有：

其中,G代表接触轨常数,ΔZ(t)代表轮轨的弹性压缩量。

在列车行驶在曲线路段过程中,因轨道不平顺和离心力等一系列相关指标因素的影响,致使车轮和轨道面互为碰撞,生成一种轮轨接触力,其中作用点位于轮轨接触位置,这时轮轨水平作用是不能忽视的[9-10]。轮轨垂向力P(t)能够当成根据轮轨法向力K(t)、蠕滑力Q(t)垂向分量构建而成的,轮轨的水平接触力W(t)能够当成轮轨的法向力和蠕滑力水平分量构建成的一种合力,则有：

其中,K(pt) 代表轮轨法向力的垂向分量值,Q(pt)代表蠕滑力的垂向分量值,K(wt)代表轮轨法向力的水平分量值,Q(wt)代表蠕滑力的水平分量值。

上述中的Q(t)根据Q(wt)、Q(pt)构成,和左右钢轨垂直向和横向及扭转振动速度有关系,则有：

其中,L(v,t)t代表和左钢轨存在相关性的振动速度,R(v,t)代表和右钢轨存在相关性的振动速度。

3 算例分析

3.1 概况

结合上述内容,将实验地点选取在某市交通枢纽高铁站内,该建筑架构分为地上和地下各两层。其中,地下一层和二层是地铁站站厅层与站台层,地面的两层分别是高铁站台层与候车厅。利用上述BIM技术实现建筑结构的合建。

由时程、频域两方面对底层建筑环境振动特性进行分析,以此为城市建筑工程项目建设和交通减振降噪提供参考以及数据方面的支撑。

3.2 实验仪器和设备

实验仪器中主要包括信号采集设备INV3020D、超低频振动信号拾振器。该拾振器是941B电磁式的传感器。现场测试过程中,引入连续采样模式完成信号采样,实验过程中把拾取速度信号传感器调节至小速度的级别,同步拾取列车行驶过时各个楼层振动响应信号数据。以提升测试精准度为目的,尽量避免振动测试干扰,测试过程中在各个楼层设置4个传感器实现同步测量,且各个测点与轨道中心距离分别为5 m、10 m、20 m和40 m。

3.3 测试荷载

荷载是列车行驶过测试断面过程中作用于钢轨上的荷载。列车类型为6节编组模式,长度为140 m,列车转向架中心距为15.7 m,固定轴距为2.5 m,轮径为840 mm。以保障列车的荷载能够达到最大,实验时间为早晚高峰期。车速为55 km/h,一共得到30组实验数据。

3.4 测试结果与分析

结合地铁列车行驶振动特性计算分析,基于上述实验环境和器械,得到的实验结果如下。

图4为列车行驶过时站台层的振动响应时程变化示意图。

图4 列车行驶过时站台层的振动响应时程变化Fig.4 Time-history variation of vibration response of the platform when the train is passing

分析图4可知,当列车行驶过时,因扣件和轨道板等部件对振动有衰减影响,各个测点振动响应时程数据不能判别出车轮行驶过详细时间,但是能够判别出列车到达、行驶过及离开的整个过程。列车荷载下,各个测点振动响应信号表现出了十分显著的周期特性与持续特性特征,持续时间大致为5 s到25 s,时间大于为20 s。

图5为列车行驶过时振动响应频率整体分布特性。以上述其中一个站台层和候车厅作为分析对象。

图5 列车行驶过时振动响应频率整体分布特性Fig.5 Overall distribution characteristics of vibration response frequency when train is passing

分析图5可知,不管是加速度振动,还是速度振动,不同响应地铁列车所引起的建筑架构环境振动频率大致集中于20 Hz至80 Hz,基于车速和轮轨表层不平顺的波长与频率之间相关性,能够得到可以对合建建筑架构环境振动产生影响的轮轨表层不平顺波长大致范围。

绿色低能耗建筑建设是一个将规划和建筑学等各学科融为一体且相对复杂的系统,为此需要在大规模、全方位的相关实践、知识理论整理归纳基础上,开展系统地总结探讨。当前尽管很多研究人员都在实施优化层面进行了剖析测试并获取了一些优秀成果,但是依旧面临着很多问题[11]。

在我国城镇化迅猛发展的环境下,建筑能耗和环境在社会上的关注程度越来越高,使得建筑绿色节能成为了国内当前重要的发展方向。当前,国内建筑节能建设还有着一些问题,例如建筑所处地域不同,然而所使用的节能技术以及材料却大致相同;鉴于对建筑成本方面考虑欠缺,出现了只是单纯的追求节能技术应用的问题;对于低能耗方面理论认知程度较低;建筑节能和环境分析存在滞后性等。此时通过BIM技术开展相应分析是一种可靠的解决方法,可以从根本上对能耗问题进行解决,还可以对滞后性问题进行很好地分析,提高建筑环境建设与振动特性分析质量。

4 结语

基于基本国情可知,我国正在面临非常严峻的能源与生态环境方面的问题。建筑环境是能源和环境相交下的问题,相关研究意义重大。提出基于BIM技术的低层建筑环境振动特性分析方法,过程中,依据基于BIM的建筑集成设计和地铁列车行驶振动分析为建筑环境振动特性研究提供支撑,经测试分别在列车行驶过时站台层的振动响应时程变化和振动响应频率整体分布特性两方面获取了建筑振动特性。在对底层建筑环境振动分析基础上,还应对合建架构自振进行进一步研究。在建筑设计阶段和建筑形式等方面也需要开展进一步探究,以更好地满足建筑绿色节能建设总体需求。