本文關(guān)鍵詞：基于BIM的樓蓋模板優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究　出處：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：建筑模板是混凝土的成型模具,是現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程的重要組成部分,直接關(guān)系到工程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度以及經(jīng)濟(jì)效益,據(jù)統(tǒng)計(jì),模板工程所需用工量占總用工量的30%~40%,所需費(fèi)用占鋼筋混凝土總造價(jià)的20%~30%,是建筑施工中的重要環(huán)節(jié)。改革開放以來(lái),隨著我國(guó)建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展,模板工程成本高、浪費(fèi)嚴(yán)重、施工混亂、智能化程度低等問題越來(lái)越突出,已成為整個(gè)建筑行業(yè)面向綠色施工發(fā)展的掣肘,追究其根本原因有以下幾點(diǎn):(1)模板工程設(shè)計(jì)主觀性強(qiáng),對(duì)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)依賴性大;(2)設(shè)計(jì)過(guò)程中重復(fù)性工作多,智能化程度低,傳統(tǒng)軟件僅僅解決設(shè)計(jì)結(jié)果的圖形表達(dá)問題,卻無(wú)法根據(jù)設(shè)計(jì)人員的表達(dá)自動(dòng)生成設(shè)計(jì)結(jié)果;(3)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案表達(dá)方式較抽象,對(duì)于文化程度不高的現(xiàn)場(chǎng)施工人員來(lái)說(shuō),理解這些抽象的設(shè)計(jì)方案的表達(dá)較為困難,常常導(dǎo)致施工脫離設(shè)計(jì)的情況。而近年來(lái)發(fā)展的BIM技術(shù)為解決這一難題提供了良好的契機(jī)。BIM(Building Information Model)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)及數(shù)字化技術(shù)建立一座三維立體建筑模型以及一個(gè)關(guān)于這個(gè)建筑模型全生命周期所需要的數(shù)據(jù)庫(kù),為建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)構(gòu)筑了一個(gè)統(tǒng)一的工作平臺(tái),可以為施工的某一工序單獨(dú)提供相對(duì)簡(jiǎn)單但正確的目標(biāo)函數(shù)從而實(shí)現(xiàn)該工序的優(yōu)化設(shè)計(jì),只要有適合的設(shè)計(jì)軟件,施工技術(shù)人員就可以操作計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),并且具有縮短項(xiàng)目工期、加強(qiáng)項(xiàng)目責(zé)任方寫作交流、節(jié)約成本、提高項(xiàng)目管理效率等優(yōu)點(diǎn)。目前在我國(guó)一些大型建設(shè)項(xiàng)目如:奧運(yùn)會(huì)水立方工程、上海世博會(huì)德國(guó)館、青島海灣大橋、上海國(guó)際金融中心等都采用了BIM技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目及施工管理,不僅在縮短工期及降低成本方面取得了顯著的效果,并且在設(shè)計(jì)與施工協(xié)調(diào)方面也有突出的成效。目前,在我國(guó)BIM已逐步涉及建筑行業(yè)的各個(gè)施工關(guān)節(jié),輔助建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工及管理,并且取得了不錯(cuò)的效果,未來(lái),BIM必然是整個(gè)建筑行業(yè)的發(fā)展方向。因此,將BIM與模板工程相結(jié)合,必然是未來(lái)模板行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。本文結(jié)合我國(guó)模板體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以節(jié)約樓板模板施工費(fèi)用、提高模板設(shè)計(jì)的科學(xué)化、智能化的目的入手,分別從理論推導(dǎo)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)整理和計(jì)算機(jī)模擬四大方面出發(fā)對(duì)模板體系的下部支撐體系及上部板面排布兩部分進(jìn)行研究。首先,一方面總結(jié)模板下部支撐體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能特點(diǎn),基于支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力分析方法對(duì)模板支撐體系的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行初步研究。另一方面,針對(duì)模板上部結(jié)構(gòu)——板面排布的研究主要從排布特點(diǎn)及施工要點(diǎn)出發(fā),總結(jié)優(yōu)化排樣理論的適用范圍及求解方法,根據(jù)模板板面排布的特點(diǎn),將板面排布問題抽象為多種零件排放的矩形排樣問題,從而引入優(yōu)化排樣理論作為板面優(yōu)化排布的基礎(chǔ)理論;然后,對(duì)輪扣式模板支撐體系進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),分析輪扣式支撐體系在荷載加載過(guò)程中的受力特點(diǎn),總結(jié)支撐體系受力隨時(shí)間的變化規(guī)律,同時(shí),將試驗(yàn)測(cè)得的輪扣式支撐體系穩(wěn)定承載力與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較,確定扣件式支撐體系設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于輪扣式支撐體系的不適用之處,并提出修改系數(shù);利用數(shù)值模擬研究極限破壞模式下支撐體系的失穩(wěn)模式、桿件之間的應(yīng)力、位移的發(fā)展變化情況,并將輪扣式支撐體系極限承載力模擬值與規(guī)范設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較,就此通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值模擬確定輪扣式模板支撐體系的可優(yōu)化的范圍;建立模板支撐體系優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,并以具體工程實(shí)例為基礎(chǔ),將優(yōu)化模型運(yùn)用至工程實(shí)際中,并與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)比,驗(yàn)證模型的可行性。同時(shí),根據(jù)板面排布施工特點(diǎn)及技術(shù)要求,在啟發(fā)式算法的基礎(chǔ)上,創(chuàng)建有針對(duì)性的模板板面優(yōu)化排布尋優(yōu)算法,通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助模板優(yōu)化排布,提高板面排布設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和智能性;在理論模型的機(jī)床上,基于BIM技術(shù)開發(fā)智能模板優(yōu)化與設(shè)計(jì)軟件(Intelligent Formwork Optimization and Design Software,IFOD),該軟件將優(yōu)化模型程序化,不但具有傳統(tǒng)模板設(shè)計(jì)軟件的數(shù)值計(jì)算和圖形處理能力,又具有知識(shí)處理能力,能夠在降低模板施工費(fèi)用的基礎(chǔ)上,提供模板設(shè)計(jì)全過(guò)程智能化的計(jì)算機(jī)支持,完成模板體系優(yōu)化設(shè)計(jì)從理論到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。全文獲得了以下研究成果:(1)本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),得到新型輪扣式支撐體系在荷載加載過(guò)程中的受力特點(diǎn),同時(shí),結(jié)合數(shù)值模擬,得到輪扣式支撐體系的極限承載力,為輪扣式支撐體系優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。(2)本文從樓蓋模板支撐體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度出發(fā),構(gòu)建支撐體系優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,發(fā)現(xiàn)了模板支模費(fèi)用與樓板長(zhǎng)寬比成正比、主次肋的選擇類型與模板支模費(fèi)用的關(guān)系等規(guī)律,同時(shí),應(yīng)用具體工程實(shí)例驗(yàn)證模型在降低施工成本方面的可行性,解決了模板施工費(fèi)用居高不下的問題。(3)在模板上部板面排布優(yōu)化設(shè)計(jì)方面,本文提出了針對(duì)不同種類模板板面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的尋優(yōu)過(guò)程,從而得到不同種類模板板面排布優(yōu)化方案,該方法不僅有效的解決模板切割、剪裁浪費(fèi)等問題,節(jié)約了施工成本,而且通過(guò)計(jì)算機(jī)智能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程,自動(dòng)生成設(shè)計(jì)方案,大大提高設(shè)計(jì)者的工作效率。(4)本文通過(guò)C#語(yǔ)言,基于BIM技術(shù)開發(fā)智能模板優(yōu)化與設(shè)計(jì)軟件。該軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)模板上部各類板面的優(yōu)化設(shè)計(jì),以及模板下部不同類型的支撐體系優(yōu)化設(shè)計(jì),降低模板施工成本,還可以自動(dòng)生成優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,并利用BIM的模擬演示功能為設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)交底,有效的解決了模板施工與設(shè)計(jì)脫節(jié)的問題。本文的創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析,獲得了現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,輪扣式模板支撐體系受力隨時(shí)間變化規(guī)律,并以支撐體系施工費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo),提出了樓板模板下部支撐體系優(yōu)化模型,該模型可應(yīng)用于包括新舊各種類型支撐體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)。(2)將模板板面排布問題抽象為矩形排樣過(guò)程,以樓板剩余面積最小為尋優(yōu)目標(biāo),提出針對(duì)模板板面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的尋優(yōu)過(guò)程,該方法不僅適用于不同規(guī)格的模板板面同時(shí)排布的情況,也適用于不同類型的板面(如膠合模板、木模板、塑料模板等)的排布設(shè)計(jì)。(3)基于BIM技術(shù)開發(fā)了智能模板優(yōu)化與設(shè)計(jì)軟件,該軟件將支撐體系優(yōu)化模型及板面排布尋優(yōu)算法作為系統(tǒng)的主要功能模塊。同時(shí),還開發(fā)了BIM數(shù)據(jù)提取模塊、設(shè)計(jì)方案自動(dòng)生成模塊及材料清單輸出模塊。該軟件不但能進(jìn)行優(yōu)化分析,同時(shí)具有將結(jié)果三維立體展示的能力,方便現(xiàn)場(chǎng)人員理解貫徹優(yōu)化結(jié)果。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TU755.2

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本文編號(hào)：1429915