BIM三維時代的抗震減災法寶

BIM-三維時代的抗震減災法寶2009年底，我們驚魂未定地從災難大片《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，建筑家和結構師們則繼續(xù)在建筑結構和設計領域中探索災難防御和自救之道，而這一次，建筑信息模型（BIM）成為現(xiàn)代建筑界防震減災的法寶。海地地震教訓——不容忽視的建筑抗震設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，簡單的混凝土結構建筑卻會在同樣的應力下轟然倒塌。圖1：一棟尚未完工的4層混凝土樓房倒塌。從附件的結構分析，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構剛度不足、二層柱體偏少以及柱體間的連接剛度不足?！敖ㄖ嫣珮O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)木結構建筑抗震防震的方法。與西方磚石結構建筑的“以剛克剛”不同，中國傳統(tǒng)的木結構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。當代建筑設計以抵御9度地震為目標，而我國傳統(tǒng)的木結構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。柔性的框架結構：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構主材，而且發(fā)展形成了世界上歷史最悠久、持續(xù)時間最長、技術成熟度最高的結構體系—柔性的框架體系。我國木結構技術的發(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)代科學技術發(fā)展之后，才意識到框架結構的優(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)木結構，具有框架結構的種種優(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潭鹊淖晕一謴湍芰?。汶川大地震中，許多文物建筑的墻體均不同程度地受損，但主體結構仍未倒塌，就是這種柔性框架結構抗震能力的表現(xiàn)。整體浮筏式基礎、斗栱、榫卯：抗擊地震的關鍵——我國古代很少建造平面復雜的建筑，主要采用長寬比小于2:1的矩形。規(guī)則的平面形態(tài)和結構布局有利于抗震。傳統(tǒng)建筑往往是中間的一間(當心間)最大，兩側的次間、梢間等依次縮小面寬，這樣的設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)代結構語言描述，堪稱“整體浮筏式基礎”，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造，在構架的垂直方向上，形成下大上小的結構形狀，實踐證明這種構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)?需要復雜結構和大量構件，大大增加了屋頂乃至整個構架的整體性；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，大大提高了整個結構的安全性。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措施，這些措施是古建筑抗震的關鍵。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，這種不用釘子的構件連接方式，使得中國傳統(tǒng)的木結構成為超越了當代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結構體，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，減小結構的地震響應。又比如柱子的生起、側腳等技法降低了建筑的重心，并使整體結構重心向內(nèi)傾斜，增強了結構的穩(wěn)定性；柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結構構件連接，使柱架層形成一個閉合的構架系統(tǒng)，用現(xiàn)代術語來說，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、椽等諸多構件強化了聯(lián)系，顯著增強了結構的整體性；柱子與柱礎的結合方式能顯著地減少柱底與柱礎頂面之間的摩擦，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、應縣木塔等，都在暗層中設有斜撐，大大強化了構架對水平?jīng)_擊波反復作用的抵抗能力；在外檐柱間設置較厚的墻體，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，小到構件斷面的尺寸設計，處處都展示出古代工匠們在抗震設計方面的知識和匠心。中國古代建筑抗震能力的杰出代表——地震帶上應縣木塔山西應縣佛宮寺釋迦塔(應縣木塔)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)出結構、技術與藝術形象的高度和諧，表里如一，這是中國古代木結構建筑，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、結構學的研究已經(jīng)相當深入，而且對地震的破壞機理已有了相當?shù)牧私?，抗震?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)存最高的木結構建筑，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，各種構件則通過榫卯連接，全塔的主要構件不用一釘一鉚，這種連接形式類似于半固結半活鉸的狀態(tài)，能承受較大的彎矩；構架水平分層，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；構架的整體性有力地抵抗旋轉波，所有的柱子都用頂部的梁枋連結成一個筒形的框架，保證了構架的穩(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；立柱側腳、平面逐層縮小，有效地降低了塔的重心，并使整體結構重心向內(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，各圈柱廊被水平構件連接成一個剛中帶柔的整體；為了加固結構框架，在八邊形木塔的四個斜向應面上，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。抗震防烈度每提高一度，建筑成本將增加10％：過去很多涉及抗震級別的設計工作中，重復或過于繁雜的作業(yè)流程不可避免，這也導致企業(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，在建筑設計和結構設計之初，在有限的成本預算之下，如何設計出合理的抗震設計，成為業(yè)界關注而探討的話題。建筑信息模型在防震抗災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)字設計解決方案，構建“可視化”的數(shù)字建筑模型，為建筑設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。對于建筑設計師而言，這不僅僅要求將設計工具實現(xiàn)從二維到三維的轉變，更需要在設計階段就突破單純建筑設計的桎梏，融合協(xié)同設計、綠色設計和可持續(xù)設計理念，使得整個工程項目在設計、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)成為全球工程建設行業(yè)可持續(xù)設計的標桿和里程碑。設計師和建筑師們得以在工程建設項目的設計、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)性設計”構建人類生活和生產(chǎn)的抗震建筑。設計階段應用AutodeskRevit以及AutoCADCivil3D等基于BIM理念的相關工具，可以根據(jù)當?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境、建筑設計預案匹配出最合理的抗震設計方案，同時將相應的結構、施工和材料等因素考慮進去，設計初期就可預先發(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，在設計時，將防震要求、防震設施或防震預案等因素納入其中。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卻能將建筑師的設計概念具體實踐出來。ASTRAMontenegro內(nèi)部結構相當復雜，每一個樓層設計不一樣，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，結構體承受重量相同，但卻可將建