摘 要：
本文提出了一种改进的结构分析方法，它可以生成结构几何，抗力模型，以及通过进度信息、建筑模型、材料属性自动紧密连接的荷载条件。该方法应用于整个施工过程的连续和动态模拟的安全分析。结果表明，有机结合BIM、4D技术、施工模拟以及安全分析的时变结构是可行且实用的。本研究也为进一步研究结合了建筑设计、结构分析和施工管理的建筑生命周期管理奠定了基础。
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在传统的建筑工程中，建筑设计、结构分析和施工管理是三个有着不同目标且相互独立的部分。建筑设计定义了各种建筑元素的空间和外观，而结构分析则分析了结构的力学行为和结构组件。施工管理被认为与建筑设计和结构分析没什么关系。然而， 由于施工过程中不断增长的事故率，结构分析变得越来越重要。随着信息技术在建筑行业的流行，设计与施工活动的组合可以集成在建筑信息模型和四维空间技术当中。EUI中国BIM门户 - ChinaBIM.com
BIM的概念来自建筑产品建模。这是一个成熟的数字化体系，通过它可以建立模型组件及表达各个组件之间的关系。它旨在数字化复杂的建筑信息，这样信息从一个阶段到另一个或从一个到另一个参与者的过程中不会丢失。
目前常见的做法是使用基于项目进度的关键路径法（CPM），它用2 d条形图来表示建设活动时间，或长期（整个建设时期），或短期（月/周，甚至特定的日子）。然而， 由于CPM有资源整合情况缺失及空间结构情况缺失等缺点，又会导致诸如施工计划和解读项目进度不一致等问题。为了解决这个问题，一个3d图形和源组件的集合与进度计划无缝衔接，孕育了4d视图下的CPM计划。虽然4d的概念在建筑行业的提出只是15年前的事，但大量的研究一直在进行。代表性的如斯坦福CIFE中心（集成信息工程中心）研发的基于IFC格式的 PM4D系统，它使用PROVISYS模型来做实时模拟，利用4d模型来表达建设过程。此外，我们最近研发了一套基于IFC格式和行业标准的4d施工管理系统，叫4D-GCPSU。
目前，结构分析和安全分析大多是通过这样一系列方式开展的：抓住施工过程中的几个时间节点，人工重建每个时间节点上的静态结构模型，然后进行概率计算。然而，不仅是结构本身，材料特性和荷载作用在施工过程中都是动态变化的。这就是为什么在施工期间结构也被称为“时变结构”。刘西拉和王建（音）为时变结构评价和分析提出了以贝叶斯动态线性模型（Bayes Dynamic Linear Model）为基础的概率模型和动态模型。尽管如此，因为数量巨大的人工干预，其应用仅限于特定的阶段和部分结构。
本文总结了我们将BIM和4D技术应用于施工仿真和安全分析的成果，提出了一种针对产生结构模型，抗力模型，以及自动改变荷载作用（通过紧密联系进度计划信息、3D建筑模型和材料特性）的方法。为了整个施工过程中的动态安全分析，基于本方法的安全分析系统被开发，并为今后通过结合建筑设计、结构计算和工程管理来研究建筑生命周期管理奠定了基础。
1基于BIM的结构模型和建筑模型
1.1建筑模型的IFC描述
作为实施BIM技术的一个有效工具，IFCs（建筑业国际工业标准）是由国际协作联盟（一下简称IAI）为建筑开发的一系列规范和数据描述标准，IFC旨在提供一种系统独立的中性机制，该机制准确的描述了整个生命周期中的建筑数据。IFC有效的支持了数据交换、共享和管理。到目前为止，不少基于IFC的专业系统已经被开发出来，如韩国的设计信息管理系统（DIMS），英格兰的支持nD模型应用的IFC模型浏览器，以及新加坡的为建筑师结构工程师提供的协同设计平台。
在IFC中定义的实体是参数话的。甚至复杂的实体必须转换成基本几何实体IFC表达形式（如点、方向）。通过快速的IFC建模系统应用程序（4D-GCPSU的子系统，基于AutoCAD 2006平台开发），IFC描述下的3D模型能通过参数化建模方法轻松且快速的建成。部分IFC文件和和3D模型如图1所示。
如前所述，建筑模型定义了建筑的空间和外观组件，而结构模型定义了一个针对结构分析的集合模型。这两个模型是密切相关的，它们都是在同一个三维坐标系统都是为了为一个独特的建筑对象建成。他们代表了每个组件的功能，大小，材料和特性等等，并且能够在某种程度上相互转化。与此同时，他们也有一些不同。例如，注重外观设计的建筑模型为结构模型提供了输入信息，其中主要包括结构的几何和材料信息。一般来说，结构模型有两个表示：复杂的分析模型和简化的分析模型。复杂的的分析模型可以通过关联三维实体构件和根据有限元法计算应力和应变，来提供更准确的结果。而不同的是，简化分析模型将3D几何构件表达为带有分布参数的二维单元，例如梁单元和壳单元。通常简化分析模型的精度可以满足工程应用的需求。
1.3从建筑模型到结构模型
BIM包含完整的建筑组件信息及其关系。因此，它可以为建筑模型的3D外观和4D工程管理提供数据，以及为结构模型的结构计算和安全分析提供数据。同时，由于建筑和建筑构件是完全通过IFC标准表达出来的，建筑设计、结构计算和4D工程管理是一体的自从建筑和建筑组件是完全被描述为IFC标准，建筑设计、结构计算和4d施工管理集成作为整合管理和应用程序。
建筑模型可以通过以下步骤转换为结构模型：首先，从IFC表述下的建筑对象中提取几何数据；然后考虑建筑构建之间的复杂关系，根据结构分析方法重新生成结构模型。大多数商业结构分析软件，如ANSYS和MARC，为三维实体单元提供内置啮合功能。因此，从IFC描述下的相同几何模型中，能容易的产生已啮合的、且为计算准备的复杂模型。然而，在啮合建筑构件的不规则接合处是有困难的，且计算量巨大。相比之下，应考虑一些几何分析和预处理（例如区分数据属性和轴线属性）已创建一个简化的模型。此外，它在处理梁和柱或主梁和次梁的结合处时需要一些智能识别。
图2是以柱梁框架体系为例，建筑模型下的简化分析模型的识别算法。
2建设基于4 D技术的施工模拟和分析
2.1建筑单元和计划的联系
建筑行业的4 d技术是一个基于关键路径方法（CPM）的建设规划方法，该方法将时间融于3D模型。特别是在施工建设管理和结构分析中，三维模型指的是建筑或结构模型。时间维度指的是计划进度表或实际进度表。因此3D模型和进度计划之间的关联是4D施工仿真的基础。
在我们以前的研究中提出了4D项目管理模型（4DSMM+），该模型扩展了一个4D模型作为实现CPM可视化工具的实用性。根据4DSMM+，引入工作分解结构（WBS）作为联系的核心节点。一个典型的WBS包括详细的工作分隔，项目间的依赖关系，和施工计划表安排的子项目计划进度计划和实际进度计划。在WBS中，以树状结构形式被管理，并带有进度计划信息的子项目与结构元素相关联。这样的联系可支持灵活的4D仿真，故用户可选择计划进度和实际进度作为时间纬度。另外一个优势是4D管理既可通过一个粗略的方式（如以分部为基础）也可以通过一个详细的方式（如以分项为基础）开展。
2.2建筑单元和材料的联系
每个建筑单元的材料特性决定了抗力模型，材料特性包括类型（如钢材，混凝土，和钢筋混凝土）、密度、力学性能（如抗压、抗拉、弹性和塑料），应力特性确定阻力模型。因此，建筑单元和材料的联系是施工过程的结构分析的先决条件。
在这个研究中，要考虑三种常用的材料，即钢材、混凝土和钢筋混凝土。这三种材料的建筑单元和材料特性是通过交互式对话框相互关联的。考虑到建筑单元在建设的抗力在施工中可能不同，特别是针对钢筋混凝土结构，因为其受力特性很大程度上取决于时间。抗力计算应该考虑时间和随机因素。表达式（1）描述了抗力的随机过程函数。
其中，Xm，Xp，和Xa分别是与材料、几何和计算模式相关的随机变量。T表明抗力是与时间相关的。
2.3基于分项工程的荷载效应模型
施工过程中，不同的分项工程其荷载效应有很大的差异。以钢筋混凝土结构的水平建设为例，它经历了四个阶段：设置临时支撑、绑扎钢筋、浇注混凝土、拆除临时支撑。
其中，临时支撑与建筑本身相比重量很轻，不影响结构的性能。而且，在完成的板上虽有增加的荷载，但其已有足够的强度。因此，在这一阶段很少发生安全问题，因此通常忽视了其时变结构分析和安全检查。同样，工人和钢筋的重量对荷载效应有重大的影响，但在绑扎钢筋时没有安全问题。然而，浇筑和振捣新混凝土能产生很大的荷载。移除支撑后，在相邻层的工作平台和主要结构中引起荷载重分布。在这两个阶段，结构的荷载条件发生了显著变化，因此必须认真考虑。
在4D信息模型中，结构模型与WBS计划有关，包括分解分项工程和时间。因此，基于分项工程的荷载效应会根据施工状态自动生成。
2.4 施工过程的4D模拟
基于4D技术的施工过程模拟是三维（3D）模型、施工进度和相关资源（如材料）的综合应用，来满足早期决策和项目管理的目的。当执行4 D模拟时，可视化控制器将为每个单元搜索适当的分项工程。在一个图形平台上，不同的颜色代表不同的施工状态，如，建立支撑和绑扎钢筋。在任何时间点或阶段，可以自动计算。图3说明了在一个形象的3D环境中，建筑是如何施工，且实现整个施工过程的可视化。
陈柏翰等人提出了一种算法，能够通过推导不同结构元素之间的拓扑关系，来自动转换从建筑领域到结构领域的设计模型。然而，转换成的结构模型不包含重要的信息，既材料性能和加载条件。本文提出了一种增强方法，通过采用4D技术输出一个集成的结构分析模型，通过该模型可以确定任何时间点的应力和应变，使连续的结构分析成为可能。输出结构分析模型包括以下步骤：
1. 输出结构模型（参见2.3节）。
2. 将目标期划分为连续的时间点（通常以“天”为单位）。
3. 对于每一个时间点，检查如下的所有建筑单元：（a）通过WBS和时间检查当前状态，确定每个建筑元素是否建造，并生成一个 结构模型。检查材料性质以确定抗力。（c）结合当前状态和材料特性以确定荷载效应。
2.6 施工期间的结构分析
从4D模拟不断地得到结构分析模型，计算每个时间点的应力和应变以进行安全分析。图4显示了在一个典型时间点的计算，这里从阶段1–4的最大应变分别是：4mm，5mm，6mm，和9mm。
3建筑施工的安全分析
结合BIM、4D技术以及上面提出的改进的结构分析方法，开发了一个名为SABIC（施工中建筑安全分析）的系统。它遵循建筑信息框架，建立了一个由工程数据库和知识储备组成的数据支持。通过这样的数据支持，建立了一个BIM模型。在建筑模型、结构模型、施工过程、抗力模型以及荷载条件中所需的所有信息，都可以从BIM中提取。基于这些模型，4D施工管理平台被开发为可视化环境和结构分析系统的结合体。SABIC作为4D信息平台的应用被提出，且对时变建筑拥有4D施工管理功能和安全分析时间的功能。图5显示了SABIC的逻辑组织。
图6给出了SABIC的工作流程图。在图中，4D模型包括3D建筑模型以及建筑单元和进度计划或资源之间的关系，这些都是过程中不可或缺的条件。4D模拟和管理，以及安全性能指标的计算是两个最重要的工作环节。
4结论和未来的挑战
本文提出了一种结合BIM、4D技术、施工模拟，以及安全分析的综合解决方案，来满足建筑师、土木工程师和工程管理者之间的信息共享和交换。本文提出的改进的时变结构分析方法在SABIC安全分析系统上表现很好。它克服了当前施工中结构分析方法的缺点，既过多的人工干预。
这项研究是对综合建筑设计、结构计算和施工管理的探索，还存在许多未来的挑战，例如提高从复杂的建筑模型生成结构模型时的精度和效率。在未来，我们期望能够通过该结果来分析其支持系统以及自动变更施工方案。
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