BIM三维时代的抗震减灾法宝

BIM-三维时代的抗震减灾法宝2009年底，我们惊魂未定地从灾难大片《2012》的放映厅出来，“世界末日论”开始在全球蔓延。不过没多久，“乐观至上”的地球人们开始用其一贯的方式调侃灾难，聊以自慰，于是淘宝和e-Bay上开始倒卖“诺亚方舟”的船票……不知道是宿命还是巧合，新年伊始一场海地的大地震又一次触动人类脆弱的神经。社会学家和环保主义者开始对人类生存环境开始严肃的反思，建筑家和结构师们则继续在建筑结构和设计领域中探索灾难防御和自救之道，而这一次，建筑信息模型（BIM）成为现代建筑界防震减灾的法宝。海地地震教训——不容忽视的建筑抗震设计对于这样一个缺少经验和准备的贫困国家来说，这次令人恐怖的自然灾难无疑会在一夜之间让其坠入地狱。根据测震仪记录的数据，当地时间16点53分(格林威治标准时间的21点53分)初步测定的震级为7级。此次地震的震源距离太子港15公里，深度为8公里，由于靠近震源，太子港在更大程度上遭受破坏性力量冲击。强烈的地震让海地首府太子港几乎化为一片废墟，海地总统府一层以上建筑彻底坍塌，联合国驻海地总部大楼损毁严重，大量联合国员工伤亡。大地震令人们越发关注建筑抗震等安全性能。在主要工业国家，位于地震多发区的建筑均装有阻尼系统，允许它们在震动中幸存下来。在遭遇与海地相同的地震时，这些建筑不但会来回晃动同时还会发生扭曲。但在海地首都太子港，简单的混凝土结构建筑却会在同样的应力下轰然倒塌。图1：一栋尚未完工的4层混凝土楼房倒塌。从附件的结构分析，倒塌的原因在于柱尺寸不足、楼面板过重以及配筋不足等原因。图2：海地太子港的总统宫殿。宫殿一层基本无破坏，连玻璃门窗都未损坏。但是一层以上建筑彻底坍塌。入口处的倒塌的柱子配筋少的可怜。图3：刚建成5年左右的建筑倒塌。图中特写显示：顶层柱子配筋不足。图4：倒塌的建筑。图中可见，圆钢的尺寸太小。图5：两层楼房柱遭破坏，柱子之间有栏杆的约束，其中一根柱子因为临近楼房的撞击而断裂图6：一座5层的石建筑倒塌。倒塌的原因在于一层结构刚度不足、二层柱体偏少以及柱体间的连接刚度不足。“建筑版太极拳”——中国古代建筑的抗震智慧以柔克刚的思想，是中华民族的传统智慧。举世闻名的太极拳就是这种思想的直接产物而中国传统木结构建筑抗震防震的方法。与西方砖石结构建筑的“以刚克刚”不同，中国传统的木结构建筑在抵抗地震冲击力时，采用的是“以柔克刚”的思维，通过种种巧妙的措施，其目标是以最小的代价，将强大的自然破坏力消弥至最小程度。我国许多古代建筑都成功地经受过大地震的考验，如天津蓟县独乐寺观音阁、山西应县木塔等建筑，千百年来均经历过多次地震仍然傲然屹立。当代建筑设计以抵御9度地震为目标，而我国传统的木结构建筑基本上能达到这个要求，而且其代价远远小于西方的“刚”，不能不让人叹服“柔”的力量。柔性的框架结构：墙倒屋不塌——中华民族不但自文明伊始就睿智地选择了木材等有机材料作为结构主材，而且发展形成了世界上历史最悠久、持续时间最长、技术成熟度最高的结构体系—柔性的框架体系。我国木结构技术的发展。作为对比，西方数千年中一直采用承重墙体系，直到工业革命以来、近现代科学技术发展之后，才意识到框架结构的优越性，遂开始大规模地普及，更值得玩味的是，这种框架体系仍然是“以刚克刚”。而中国的传统木结构，具有框架结构的种种优越性，如“墙倒屋不塌”的功效，但其柔性的连接，又使得它具有相当的弹性和一定程度的自我恢复能力。汶川大地震中，许多文物建筑的墙体均不同程度地受损，但主体结构仍未倒塌，就是这种柔性框架结构抗震能力的表现。整体浮筏式基础、斗栱、榫卯：抗击地震的关键——我国古代很少建造平面复杂的建筑，主要采用长宽比小于2:1的矩形。规则的平面形态和结构布局有利于抗震。传统建筑往往是中间的一间(当心间)最大，两侧的次间、梢间等依次缩小面宽，这样的设计非常有利于抵抗地震的扭矩。中国古代建筑一般由台基、梁架、屋顶构成，高等级的建筑在屋顶和梁柱之间还有一个斗栱层。中国古代建筑的台基用现代结构语言描述，堪称“整体浮筏式基础”，好比是一艘大船载着建筑漂浮在地震形成的“惊涛骇浪”中，能够有效地避免建筑的基础被剪切破坏，减少地震波对上部建筑的冲击。中国传统建筑的梁架一般采用抬梁式构造，在构架的垂直方向上，形成下大上小的结构形状，实践证明这种构造方式具有较好的抗震性能。优雅的大屋顶是中国古代传统建筑最突出的形象特征之一，而且对提高建筑的抗震能力也做出过相当的贡献。形成大屋顶(尤其是庑殿顶、歇山顶等)需要复杂结构和大量构件，大大增加了屋顶乃至整个构架的整体性；庞大的屋顶以其自重压在柱网上，也提高了构架的稳定性。斗栱是中国古代建筑抗震的又一位重要战士，在地震时它像汽车的减震器一样起着变形消能的作用。历史上，很多带斗栱的建筑都能抵御强烈地震，比如山西大同的华严寺，在没有斗栱的低等级附属建筑被破坏殆尽的情况下，带斗栱的主要殿堂仍能幸存，充分说明了斗栱对抗震的贡献。斗栱但能起到“减震器”的作用，而且被各种水平构件连接起来的斗栱群能够形成一个整体性很强的“刚盘”，按照“能者多劳”的原则把地震力传递给有抗震能力的柱子，大大提高了整个结构的安全性。除了这些较显著的手法外，中国古代传统建筑中还使用了大量的其他技术措施，这些措施是古建筑抗震的关键。比如榫卯的使用：榫卯是极为精巧的发明，我们的祖先早在7000年前就开始使用，这种不用钉子的构件连接方式，使得中国传统的木结构成为超越了当代建筑排架、框架或者刚架的特殊柔性结构体，不但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形，在地震荷载下通过变形吸收一定的地震能量，减小结构的地震响应。又比如柱子的生起、侧脚等技法降低了建筑的重心，并使整体结构重心向内倾斜，增强了结构的稳定性；柱顶、柱脚分别与阑额、地袱以及其他的结构构件连接，使柱架层形成一个闭合的构架系统，用现代术语来说，就是形成上、下圈梁，有效地制止了柱头、柱脚的移动，增强了建筑构架的整体性。梁架系统通过阑额、由额、柱头枋、蜀柱、攀间、搭牵、梁、檩、椽等诸多构件强化了联系，显著增强了结构的整体性；柱子与柱础的结合方式能显著地减少柱底与柱础顶面之间的摩擦，进而有效地产生隔震作用；在高大的楼阁中，如独乐寺观音阁、应县木塔等，都在暗层中设有斜撑，大大强化了构架对水平冲击波反复作用的抵抗能力；在外檐柱间设置较厚的墙体，起到现代建筑中“剪力墙”的作用诸如此类，举不胜举，大到建筑群体的布局处理，小到构件断面的尺寸设计，处处都展示出古代工匠们在抗震设计方面的知识和匠心。中国古代建筑抗震能力的杰出代表——地震带上应县木塔山西应县佛宫寺释迦塔(应县木塔)是中国古代传统建筑杰出抗震能力的集中代表。整座木塔表现出结构、技术与艺术形象的高度和谐，表里如一，这是中国古代木结构建筑，也是我们中华民族的“传统美德”之一。在近千年前我们的祖先就能建造出如此庄严美丽而坚固耐久的建筑，充分显示出当时的匠人对数学、力学、材料学、结构学的研究已经相当深入，而且对地震的破坏机理已有了相当的了解，抗震经验已积累到了很高的水平，既令人惊奇，也令人自豪。这座木塔是当今世界现存最高的木结构建筑，竣工于1056年，处于大同盆地地震带上。木塔建成200多年即遭受大震，余震连续7天，木塔附近的房屋全部倒塌，而木塔岿然不动；在此后的近千年中，木塔经历了多次大地震的考验而安然无恙。在战乱之际，木塔还承受过200余发炮弹的轰击，亦无大损。木塔之所以有如此杰出的抗震能力，在于前述诸多抗震技法的综合和提高：木塔平面是规则的正八角形，利于抵抗地震波产生的扭曲力；木塔高达4.4米的砖石基座坚实、稳定，形成一个“浮筏”，承载着全塔的重量(约1300吨)；木塔内梁与柱的连接完全通过斗栱完成，各种构件则通过榫卯连接，全塔的主要构件不用一钉一铆，这种连接形式类似于半固结半活铰的状态，能承受较大的弯矩；构架水平分层，在地震波中的垂直冲击波攻击下，可以通过“弹跳”的方式消解巨大的破坏能量；构架的整体性有力地抵抗旋转波，所有的柱子都用顶部的梁枋连结成一个筒形的框架，保证了构架的稳定性；柱子之间砌筑有厚实的墙体，牢牢地“抱”住各柱子，增加了构架的整体性，而且这些墙体能作为剪力墙发挥作用；立柱侧脚、平面逐层缩小，有效地降低了塔的重心，并使整体结构重心向内倾斜，增强了塔的稳定性，这样既使塔身形成美丽的曲线，又能把水平的地震冲击力分解成垂直方向的压力；周边有一圈柱廊，各圈柱廊被水平构件连接成一个刚中带柔的整体；为了加固结构框架，在八边形木塔的四个斜向应面上，自上而下采用了剪刀撑做法。抓住新时代建筑抗震减灾的救命稻草——建筑信息模型建筑事业是一项集体“运动”，欧特克在2002年率先提出了名为“建筑信息模型”（即BIM，BuildingInformationModeling）的理念。建筑信息模型(BuildingInformationModeling，简称BIM)的出现正在改变项目参与各方的协作方式，从而引发了建筑行业一场脱胎换骨的革命。抗震防烈度每提高一度，建筑成本将增加10％：过去很多涉及抗震级别的设计工作中，重复或过于繁杂的作业流程不可避免，这也导致企业主支付过多无形成本，据了解，抗震防烈度每提高一度，建筑成本将增加10％。目前，在建筑设计和结构设计之初，在有限的成本预算之下，如何设计出合理的抗震设计，成为业界关注而探讨的话题。建筑信息模型在防震抗灾方面有着无可比拟的优势，这一理念基于最先进的三维数字设计解决方案，构建“可视化”的数字建筑模型，为建筑设计师和工程师等各环节人员提供“模拟和分析”的科学协作平台。对于建筑设计师而言，这不仅仅要求将设计工具实现从二维到三维的转变，更需要在设计阶段就突破单纯建筑设计的桎梏，融合协同设计、绿色设计和可持续设计理念，使得整个工程项目在设计、施工和使用等各个阶段都能够有效的实现节省能源、节约成本、降低污染、提高效率。目前，这一理念已经成为全球工程建设行业可持续设计的标杆和里程碑。设计师和建筑师们得以在工程建设项目的设计、施工和运营维护的整个阶段，轻松“模拟和分析”抗震性，在工程过程中，可以及时了解工程材料的是否达标，并且以“可视化”的方式呈现，从而实现以“可持续性设计”构建人类生活和生产的抗震建筑。设计阶段应用AutodeskRevit以及AutoCADCivil3D等基于BIM理念的相关工具，可以根据当地的地质环境、建筑设计预案匹配出最合理的抗震设计方案，同时将相应的结构、施工和材料等因素考虑进去，设计初期就可预先发现施工时可能出现的问题，省却后续整合或拆除等不必要的施工成本，兼顾提升质量、提升设计能力与节省成本等优势。此外，针对不同地区不同的地质环境要求，AutodeskRevit等BIM软件有各种外挂或套用程序，在设计时，将防震要求、防震设施或防震预案等因素纳入其中。ASTRAMontenegro度假中心——建筑信息模型塑造地震带上的建筑奇迹

黑山共和国的ASTRAMontenegro饭店如童话故事中公主所居住的城堡，耸立在峭壁之上。建筑主体是二张鼓起的风帆，它带着酒店客人，在周围如画风景中畅游。不过酒店客人肯定不曾想到，这么幽雅的酒店其实建筑在地震带上，是来自东方的设计师利用BIM软件打造了这座梦幻酒店，让它成为东欧的一个新传奇。这个令人瞩目的ASTRAMontenegro度假中心位于黑山共和国（Montenegro），建筑最大特色就是建筑主体构想来自两相缠绕在一起的风帆，用过去建筑经验与法则来看，几乎是接近不可能的一项工程，不过，透过采用Revit却能将建筑师的设计概念具体实践出来。ASTRAMontenegro内部结构相当复杂，每一个楼层设计不一样，透过Revit的3D模型仿真分析，让特殊形状主体可以被建造出来，这是过去2D软件无法做出来的境界。AstraMontenegro裙楼模拟图ASTRAMontenegro更让人惊讶的是建筑位于地震带，要兼顾施工质量与楼地板面积最大化，似乎是鱼与熊掌不可兼得的事，但BBG-BBGM指出，尽管ASTRAMontenegro位于地震带，但凭借Revit精确的仿真分析，结构体承受重量相同，但却可将建