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46建筑科技2023 年 第 3 期建筑工业化Building Industrializayion基于BIM技术的超高层钢结构内力监测与模拟研究以深港开放创新中心项目为例Research on Internal Force Monitoring and Simulation of Super Tall Steel Structure Based on BIM Technology：A Case study of Shenzhen Hong Kong Open Innovation Center Project郑琦1,林栩杰2,黄金帜2（1.深圳深港科技创新合作区发展有限公司,广东 深圳 518000;2.中建八局第一建设有限公司,山东 济南 250000）摘要：为有效解决超高层建筑钢结构施工与使用的安全问题,尽量避免安全事故的发生,同时提高施工与运营监测效率,基于 BIM 技术的钢结构内力监测与模拟系统应运而生。通过 BIM 三维技术对超高层建筑进行建模,再对其进行动态模拟,结合传感器对超高层钢结构内力进行监测,能为钢结构的设计、安装、施工与运营提供支持,从而提高施工的质量和准确率,确保超高层建筑钢结构的安全性与稳定性,为建筑的信息化与智能化管理打下基础。关键词：BIM 技术;超高层钢结构;内力监测;模拟分析中图分类号：TU973+.13 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）03-0046-040 引言现阶段,由于城市人口相对集中、市区建设用地供应紧张,超高层建筑的数量逐渐增多,其结构与造型的设计也越来越复杂,造成超高层建筑施工难度大、持续时间长、安全隐患大,施工阶段安全事故频频发生1。而发生事故的主要原因就是施工前未按照施工方案进行结构力学行为的施工阶段模拟研究以及未对在建项目进行施工阶段的内力监测。因此,对当前超高层建筑开展内力监测与模拟的研究具有重要意义。目前BIM技术在工程建设各项工作中均有广泛的应用,可用BIM技术对建筑进行可视化建模,同时伴随施工进展可进行各项模拟工作,体现出其强大的能力和宝贵的应用价值。部分项目已运用Navisworks（可视化和仿真软件）和Revit（Autodesk公司的系列软件）等BIM软件进行三维建模和一些三维动态模拟、碰撞检测等工作。但是,目前还没有将BIM技术与超高层内力监测结合运用的案例。BIM技术具有良好的可视化能力,同时具有其他技术无法比拟的协调性、模拟性和优化性。本文基于BIM技术将超高层内力监测与模拟相结合,搭建结构内力监测系统,可顺利解决目前内力监测工作的技术难题。同时,基于BIM技术的超高层内力监测与模拟可以直观、实时地展示结构应力情况,且可视化程度高、理解简单,极大地降低了工作难度,提高了工作效率,解决了超高层建筑钢结构节点复杂、施工难度大等痛点,为以后类似的超高层建筑钢结构施工与模拟工作提供了良好的借鉴。1 项目概况深港开放创新中心施工总承包项目位于深圳市福田保税区,总用地面积约为26 168 m2,总建筑面积为209 920 m2,由7座塔楼和变电站组成。结构形式为框架剪力墙结构,有局部竖向钢管柱、水平钢筋桁架楼承板、钢楼梯及钢连廊47建筑科技2023 年 第 3 期建筑工业化Building Industrializayion等装配式构件,主要为办公楼、产业研发用房、配套商业楼和110 kV变电站,项目整体效果如图1所示。图1 项目整体效果项目部分钢结构最大跨度为15 m,最大重量为30 t,结构施工较为复杂,因此钢结构的内力监测是本项目施工的重难点。2 基于BIM的钢结构内力监测模型搭建2.1内力监测模型架构本项目的内力监测模型架构是一个集BIM模型、传感器、数据采集系统、数据存储设备、数据分析与可视化软件于一体的体系结构。通过对钢结构进行精确的建模、实时监测和数据分析,可以预测结构的内力变化趋势,并及时发现异常情况,提高结构的安全性和可靠性。基于BIM技术的内力监测模型架构由数据源、接口层、数据层、平台层、模型层和应用层组成,BIM技术架构分层展示图如图2所示。图2 BIM技术架构分层展示图在项目开始施工之前,需要对钢结构进行三维建模,将现有的项目信息存入到模型中,为后续的内力监测与模拟提供数据源。模型建立完成后将其导出成IFC格式的文件,方便其他软件使用,如进行动画演示、三维交底等工作。在钢结构内力监测的架构中,各部分的分工如下。（1）BIM模型。它是一个数字化的三维建筑模型,包含建筑的几何形状、构件属性、空间关系、材料信息和施工进度等方面的信息2。在钢结构内力监测模型中,BIM模型可以提供结构的几何形状、构件位置和连接方式等信息。（2）传感器。传感器可以测量结构的应力、应变、温度等物理量,是监测结构内力的重要工具。常用的传感器有应力计、应变计和温度计等,传感器的数据采集可以通过有线或无线的方式进行。（3）数据采集系统。数据采集系统可以将传感器测量得到的数据进行采集和处理,实时监测结构的内力变化。数据采集系统可以通过有线或无线的方式与传感器连接,将采集到的数据传输到数据存储设备。（4）数据存储设备。数据存储设备可以存储采集到的结构内力数据,并提供长期的数据存储和备份。数据存储设备可以采用本地存储或云存储。（5）数据分析与可视化软件。数据分析与可视化软件可以对存储在数据存储设备中的数据进行分析和可视化,将结构内力的变化通过BIM模型呈现出来。数据分析与可视化软件可以对结构进行实时监测、对历史数据进行分析和异常报警。2.2钢结构核心模型的建立BIM模型的建立是钢结构内力监测与模拟的基础,可借助BIM系列软件建立钢结构的三维模型。首先,需要确定建模的范围和尺寸,包括建筑结构的外形、尺寸和层数等参数。然后,通过收集相关设计文献、施工图纸、CAD图纸和现场勘测等的数据和资料,获取结构的几何和物理参数。利用BIM软件建立钢结构的三维模型,根据结构形式和材料特性,选择适当的建模工具和方法进行建模,包括平面布置、立面展开和杆件建模等。将收集到的数据和资料添加到模型中,包括材料属性、荷载信息、节点坐标、截面尺寸等信息。最后,进行模型的检查和修正,确保模型的准确性和完整性。利用模型进行结构分析和优化,对模型进行静态和动态载荷的分析,以确定结构的受力情况。进行模型的内力分析,对各构件的内力进行计算和分析,以确定结构的承载能力和稳定性。模型的可视化展示便于设计人员和工程师对模型的理解和分析。根据需要,利用BIM软件输出结构图纸和分析报告,可为后续的施工和监测提供重要的基础。48建筑科技2023 年 第 3 期建筑工业化Building Industrializayion3 基于BIM的超高层钢结构内力监测与模拟3.1超高层钢结构内力监测的流程超高层钢结构建筑一般承受着较大的荷载和复杂的受力,而结构内力的变化是影响其安全性的重要因素3。因此,通过实时监测结构内力,可以及时发现结构内力的变化,预测可能存在的安全隐患,从而保障结构的安全性。同时,内力监测还可为结构设计的优化提供精确的受力信息,进而保障结构的经济性和可靠性。通过内力监测还可以指导维护和保养,及时发现结构的变形和裂缝等问题,延长结构的使用寿命。结构内力监测的工作流程如图3所示。图3 结构内力监测的工作流程根据图3,流程图各步骤的工作内容如下。（1）制定监测方案。根据钢结构的受力情况、结构形式和监测要求等,制定监测方案,包括监测点布置、监测仪器的选择和安装方式等。（2）组建监测系统。在监测工作开始前,需要根据监测方案组建监测系统,确保整个监测工作能够顺利完成。（3）监测数据采集。按照监测方案在结构的相应位置布置传感器,为确保采集数据的准确性,应全程跟踪采集的过程。（4）数据处理分析。将现场采集的数据导出到系统中,进行数据处理分析,分析的结果将展示在可视化的三维模型中,可随时掌握结构内力的变化情况4。（5）结构安全评估。对数据处理结果进行整理,将结果与相应规范进行比对,科学预测结构内力的发展趋势,对结构的安全性进行评估。3.2超高层钢结构内力监测点布置本项目钢结构内力监测需要在钢结构的外侧边缘处布置4个测点,在地上10层与15层的钢板外侧沿轴向布置2个测点,在地上20和25层在钢板外侧沿轴向各层布置2个测点。测点布置如图4所示。图4测点布置图4 超高层钢结构内力监测与模拟分析本项目利用BIM技术和虚拟现实技术来监测和模拟超高层建筑钢结构的状态,通过将BIM模型和传感器数据结合起来,生成一个实时的可视化模拟环境,以展示超高层建筑钢结构内部的力学状态、应力分布和变形情况。同时,该技术可以实时监测超高层建筑钢结构的内力变化,通过算法和软件处理,分析这些数据,最终生成可视化的模拟结果。要实现基于BIM的超高层建筑可视化模拟监测,首先需要建立一个精细、准确的BIM模型,包括建筑的基础结构、钢结构、管道、设备等各个部分,并且将每个构件的相关信息输入到BIM软件中5。其次,利用BIM软件的功能,对建筑结构进行可视化模拟,这通常涉及对建筑结构的荷载、风荷载、温度、地震等多种工况进行模拟,并且计算出每个构件的内力状态和变形状态等参数。然后,把传感器安装在建筑结构中,并将其与BIM软件进行连接,传感器可以实时监测建筑结构的内力状态,并将数据上传到BIM软件中。最后,利用BIM软件的分析功能,对传感器上传的数据进行处理和分析。可以使用图表、曲线等方式展示数据,便于工程师进行分析和判断。结构应变量可以通过传感器感知的测点频率值计算得出6,计算方法如式（1）所示。=K(F)(X2F2)+C(t T)式（1）式（1）中：微应变;K传感器率定系数;F监测点初始频率值;X监测时间点频率值;C传感器温度系数;t监测时间点温度值,。T监测点初始温度值,;49建筑科技2023 年 第 3 期建筑工业化Building Industrializayion5 结语本文研究了基于BIM技术的超高层钢结构内力监测与模拟系统,首次将BIM技术与钢结构内力监测相结合,通过三维模型展现监测结果,根据展现效果与项目运用情况得出以下结论。（1）BIM技术与钢结构内力监测相结合可以极大地提升管理或施工人员收集信息与做出相应措施的速度与准确性。（2）通过建立可视化模拟和内力监测系统,可以实现对超高层钢结构的实时监测和评估,及时发现结构异常,预防结构损伤和故障。（3）该技术可以帮助工程师进行精确的结构分析和设计,进而提高工程的质量,降低建设成本,加快建设速度。本研究的实践应用表明,基于BIM技术的超高层钢结构内力监测与模拟具有极大的实际应用价值和推广价值,对于提高建筑结构的安全性和可靠性具有重要意义。在未来的工程建设中,这一技术将会得到广泛的应用,并逐渐成为建筑结构监测和分析的主要手段。参考文献：1 姜绍飞.结构健康监测-智能信息处理及应用J.工程力学,2009,26(增刊2):184-212.2 樊超.基于BIM技术的高层建筑施工安全管理研究D.青岛：青岛理工大学,2015.3 陈亮.大型复杂结构施工全过程模拟分析D.西安：长安大学,2009.4 清华大学软件学院BIM课题组.中国建筑信息模型标准框架研究J.土木建筑工程信息技术,2010,2(2):1-5.5 吴本刚,吴玖荣,傅继阳,等.广州珠江城超高层大厦施工过程力学分析J.广州大学学报(自然科学版),2012,11(2):36-42.6 张富贵.浅谈超高层钢结构建筑的施工控制要点J.中国房地产业,2011(2):49.收稿日期：2023-03-07作者简介：郑琦,本科,高级工程师,专业领域为建筑工程,现供职于深圳深港科技创新合作区发展有限公司。通信地址：广东省深圳市福田区福保街道桃花路3号国电科技现代物流中心2栋7层。案。本文提及的装配化施工已经顺利完结,所提出的协同施工方法也为此项目实践的有序开展起到至关重要的作用。此次针对建筑密集区BIM协同PC构件施工的实践经验将在今后类似项目中继续推广与探索,也希望本项目的施工案例能为建筑业同类型项目的实施提供指导与借鉴。参考文献:1 杨善统.建筑密集区超大深基坑开挖变形模型试验研究J.地下空间与工程学报,2022,18(增刊1):147-155.2 李铮,汪波,骆耀文,等.城市隧道下穿密集建筑区静、动力响应特征分析J.铁道科学与工程学报,2015,12(2):384-392.3 张学文.建筑密集区地铁车站深基坑施工关键技术研究J.中外公路,2018,38(2):40-44.4 郭红领,潘在怡.BIM辅助施工管理的模式及流程J.清华大学学报(自然科学版),2017,57(10):1076-1082.5 张建平,李丁,林佳瑞,等.BIM在工程施工中的应用J.施工技术,2012,41(16):10-17.6 刘康宁,张守健,苏义坤.装配式建筑管理领域研究综述J.土木工程与管理学报,2018,35(6):163-170，177.7 薛茹,王新渊,史科.基于建筑信息建模技术的装配式建筑施工问题及对策分析J.工业建筑,2018,48(11):207-210.8 郭建营,孟然,孟繁宇.BIM在装配式建筑项目管理中的应用研究J.建筑经济,2022,43(增刊1):526-533.收稿日期：2023-03-22作者简介：伏斌,本科,工程师,从事建筑施工管理工作,现供职于上海建工集团股份有限公司。通信地址：上海市闵行区虹梅南路1661弄65号602室。（上接第 42 页）