鉴于4D技术建筑施工的安全性

建筑在施工过程中需要架设临时的支撑体系，以保证在建结构和构件的几何形状、尺寸和位置的准确性以及施工过程建筑结构的安全性。支撑体系由两部分组成：一部分是形成混凝土结构或构件外部形状和几何尺寸的模板；另一部分是保证模板设计位置和标高的支撑和连接件。支撑体系作为施工期承重结构体系的组成部分，在施工过程中承受多种荷载，包括模板自重、钢筋及混凝土等材料重量、运输工具及施工人员活荷载重量、浇筑混凝土时振捣机械的震动力等，是施工事故多发的诱因之一。一直以来，建筑施工期支撑体系倒塌在我国建筑工程施工安全事故中占很大比例，伤亡事故时有发生。

据统计，我国2002年―2005年发生的六起支撑体系倒塌事故中，事故的主要原因在于支撑失稳或整体失稳。2006年沈阳音乐学院分院建筑工地“519”模板坍塌事故，造成6人死亡，18人受伤，尤其暴露出施工中忽视支撑体系安全验算的严重问题。究其原因，是由于支撑体系空间分析及其建模非常繁琐，而且现有的支撑体系极限稳定承载力计算和分析方法存在着一些局限性，没有充分反映支撑体系这种特殊的空间结构的力学特点[3]，因此在很大程度上影响了计算理论和方法的普遍应用。

本文将4D技术与bim引入到施工期支撑体系安全分析领域，通过建立4D施工安全信息模型，将支撑体系与4D施工信息动态地链接起来，快速建立支撑体系的3D模型，并根据当前施工进度及工序、材料、结构构件等施工信息，自动生成随进度变化的支撑体系安全分析模型，从而简化支撑体系的力学分析过程，提高计算精度和效率。本文所提出的方法，为支撑体系的分析计算提供了新的途径和方法。

14D施工安全信息模型的引入

1.1现有的支撑体系计算方法

根据支撑体系的结构特点，其结构计算方法主要分为排架模型[4]和框架模型[5―6]两种。前者认为支撑系统是上下两端铰接的多层排架，如图1(a)所示，其稳定性分析可以简化为一根两端铰接的等代柱的稳定性问题，能直观地反映模架稳定承载力随高度增加而减小的规律。然而，排架在自身的平面内承载力和刚度较大，而排架间的承载能力则较弱。相比之下，框架模型更接近于模板支撑体系的空间关系以及结构现实。文献[7]从特点、适用性、精度等方面对上述两种模型进行了分析比较，并最后建议采用框架模型对支撑体系进行分析。然而，在实际的计算分析中，所建立的框架模型通常为不考虑支撑体系和主体结构的相互关系的理想模型，与施工的实际支撑情况存在差别，造成计算不准确。支撑体系结构计算的另一重要组成部分是施工荷载计算。由于建筑在施工期的结构形式及受力模式与使用期存在很大区别，因此需要进行区别于使用期的施工期结构荷载计算。通常参考《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)确定荷载取值[8]，包括：1)模板支撑系统及新浇筑钢筋混凝土自重；2)施工人员及设备荷载；3)混凝土楼板的施工荷载；4)混凝土梁的施工荷载等。本研究以此作为荷载计算的基础。

1.2现有方法的局限性

上述现有的支撑体系计算方法，能针对支撑体系这一特殊的临时结构，对建筑物建造过程的支撑行为进行分析，很大程度上保证了施工过程结构及支撑体系本身的安全问题。然而这种计算方法在实际应用方面存在着很大的局限性，导致目前这种分析方法难以对施工过程支撑体系进行连续动态而又准确地安全分析，很大程度上制约了支撑体系进行安全验算的实际应用。这些局限性主要表现在以下几方面。

1)支撑体系建模困难。由于支撑杆件和模板不易定位，数量庞大，使得支撑杆件和模板的建模工作量很大，而建立整个支撑体系模型更为困难。

2)难以建立精确的计算模型。支撑体系的设计应该与建筑的主体结构密切相关。然而，实际工程中支撑体系设计是在施工方案阶段进行，其计算模型的建立独立于建筑结构设计。另一方面，施工过程中常有的设计变更、施工方法改变等情况也经常出现，都有可能导致支撑体系中出现杆件与主体结构发生冲突和碰撞。在实际施工过程中，通常直接忽略与结构构件冲突的支撑杆件，不予架设，致使实际的支撑体系与其计算模型存在较大差距，影响安全分析精度。

3)无法实时更改计算模型。一旦变更设计或修改施工方案，支撑体系的分析计算模型也需要进行相应的更改，包括支撑体系模型、荷载效应等方面。上述两个局限性致使实时更改其计算模型的工作量巨大，而在实际工程中无法实施。

1.3引入4D技术与BIM对现有方法的改进

4D模型是在三维模型的基础上附加时间因素所形成的时空模型，最早由美国斯坦福大学的CIFE实验室于1996年提出[9]。4D技术则是基于4D模型的信息化技术，其目的是将模型的形成过程以动态的3D图形方式表现出来，实现对整个形象进度过程进行控制和动态管理。目前，4D技术已逐步应用到建筑领域的许多方面，包括建筑施工模拟[10]、建筑施工管理[11]、物业管理[12]等，CommonPointProject4D、4DSuite等4D-CAD相关的商品化软件也逐渐面市[13]。BIM是一个智能化的建筑物3D模型，它能够连接建筑工程全生命期的设计、施工、使用和维护等各个阶段的数据、过程和资源，是对工程对象完整的信息化描述。清华大学本课题组长期致力于4D技术的研究，将施工资源、成本分析、场地布置等施工管理要素相结合，提出了一个扩展的4D施工管理模型4DSMM++[14]，开发了建筑工程4D施工管理系统(4D-GCPSU)。在此基础上，结合BIM的研究，提出子信息模型(sub-BIM)的概念，并建立了一个基于4D技术，面向施工过程安全分析的4D施工安全信息模型。此sub-BIM在3D模型信息基础上，附加了时间因素(施工计划或实际进度信息)，并包含与施工过程安全分析相关的资源、场地、材料和荷载等设计和施工信息，应用于建筑施工过程时变结构安全分析[15]。

由于施工期支撑体系的结构形式及荷载效应随时间而变化，与4D施工安全信息模型有着“几何模型+时间”的共通模式，因此，将4D施工安全信息模型引入到支撑体系安全分析，可以为全过程分析提供随进度变化的体系模型和完整的数据支持，能大大简化分析过程，提高计算精度，实现连续动态地支撑体系安全分析，为施工期安全分析的实际应用提供可行的途径和方法。具体而言，基于4D施工安全信息模型的支撑体系安全分析具有以下特点：

1)根据4D施工安全信息模型中包含的建筑结构3D实体模型，附加支撑设计参数，可自动建立支撑及模板的3D模型，并与建筑结构模型进行碰撞检测，自动识别并剔除空间冲突的支撑布置点，从而实现支撑体系计算模型的快速和精确建模。

2)基于4D施工安全信息模型，4D施工过程模拟可动态表现结构施工工序以及支撑体系随工序变化的实际状况，如架设模板及支撑、浇混凝土、拆除模板及支撑等，反应了支撑体系的结构形式、所承受的施工荷载等动态受力状况，从而能自动生成任意时间点支撑体系的计算模型，用于支撑体系随进度变化的受力状况分析和稳定性分析。

3)一旦施工方案调整，4D施工安全信息模型将随之变化和自动调整，从而保证支撑体系计算模型与实际施工情况保持一致，且不需要重新录入数据。

4)获取4D施工安全信息模型中所包含的相关信息，可针对各种施工操作进行支撑体系的力学分析、性能验算和安全性识别，建立相应的安全指标和评价体系，对施工期支撑体系进行安全性分析和评价。

2基于4D施工安全信息模型的支撑体系

3D建模传统的手工3D建模方式建立这些构件需要进行大量的重复性工作，费时费力且效率较低。为解决这些问题，本研究针对木模板和钢管扣件式满堂支撑组成的框架支撑体系，基于4D施工安全信息模型，提取建筑楼板外轮廓特征及相关信息，采用简化自动方式建立支撑及模板的3D模型，并在与建筑构件的冲突检测中，排除自动生成算法中的不合理布置点，从而实现支撑体系的快速建模。在支撑体系的快速建模算法中，涉及到支撑杆件建模和模板建模两方面。其中，考虑到楼板的外轮廓可能是由不规则的多边形组成，因此模板的建模分为两种方式：1)根据实际的楼板外形轮廓建模(简称实形建模)；2)根据支撑点简化建模。

2.1支撑杆件的3D建模

本研究通过在AutoCAD平台上进行二次开发，实现支撑杆件的快速建模。其快速建模的核心算法流程[16]为假设横向和竖向支撑杆件都是正交布置，且水平方向和竖直方向的间距固定不变，则1)根据楼板轮廓计算外包矩形框；2)根据支撑间距等参数，确定可能布置点(xy平面内)；3)判断每个支撑点是否在楼板轮廓范围内，剔除轮廓外布置点；4)根据合格支撑点布置纵横及垂直方向支撑杆件。算法流程如图2所示。

2.2模板的3D建模

采用实形建模法建立模板的3D模型，要求模板轮廓与其所支撑并控制的混凝土楼板轮廓相同。在此基础上，根据支撑间隔和位置参数所建立的支撑3D模型，将其坐标平面投影在模板范围内，取其内部点对原多边形模板进行内部点约束的网格划分。这种情况下，由于内部约束点的位置无法预知，对于不规则的模板外形轮廓，容易出现形状极不规则的网格，从而影响有限元计算的收敛性和计算精度，甚至出现无法进行计算的情况。因此，按楼板外形轮廓实形建立模板的方法无法普遍适用于各种外形的模板，也不适合于计算机自动识别和建模。针对实形模板建模方法的局限性，本研究提出根据支撑点简化建立模板的算法。该算法是在布置支撑点的同时，自动识别临近的支撑布置点，并将模板以临近支撑点为依据划分为形状规则的矩形块，为将来有限元计算前的网格划分带来方便。通过这种方法所建立的模板，与楼板外形轮廓在边界支撑附近会存在一些差异，但由于支撑间隔通常不大，因此差异尺寸较小，不起控制作用。而且标准的矩形轮廓在网格划分中能一定程度上提高结构计算的精度，从而弥补了因外形并不准确所导致的计算误差。通常情况下，根据支撑点简化方法所建立的模板轮廓可以满足施工安全分析精度要求。

2.3支撑及建筑构件的冲突检测建立支撑体系

3D模型的过程中，由于缺乏考虑主体结构构件的空间信息，因此可能产生冲突，比如支撑与柱或墙的空间冲突。因此，需要对已建立的支撑体系3D模型和结构构件进行碰撞冲突检测，并将冲突的支撑删除。现有的碰撞检测算法主要分为两大类：层次包围盒法和空间分解法[17]。其中，层次包围盒法用几何特性简单的包围盒近似地描述复杂的几何对象，并通过构造树状层次结构越来越逼近对象的几何模型[18]。而空间分解法则是将整个虚拟空间划分成等体积的单元格，只对占据同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试。这两种方法的主要区别在于，前者是对碰撞对象进行处理，而后者则是对虚拟空间进行划分处理。具体在支撑及建筑主体构件的碰撞检测中，由于实体空间位置不会改变，因此应用层次包围盒法进行检测的效率更高。然而，传统的层次包围盒法应用在支撑及构件的冲突检测中有一定局限性：1)由于建筑构件众多，每个构件又由多个表面组成，导致在细化构件进行“层次”分析的过程中，计算量极大；2)建筑构件在3D建模过程中，本身便存在一定程度上合理的交叉，如梁柱轴线相交，依此建立的3D模型，梁柱必然“碰撞”，而实际上却是合理的。支撑和模板的碰撞、支撑与梁的碰撞亦然；3)由于3D构件空间位置不随时间改变，因此在算法中也可以有明显提高检测效率的可能。因此，本文针对支撑杆件和建筑构件碰撞检测这一特殊应用，提出“轴线-层次包围盒-表面”冲突检测算法。该算法能大大提高传统层次包围盒法的效率。算法中，首先提取支撑的轴线，以代替支撑3D模型作为碰撞检测的主对象，如图3所示A、B、C、D四根竖向支撑。再通过各主对象(即支撑的轴线)与目标对象(即主体结构构件)的包围盒相交检测，从而粗略判断对象间的相交关系。若粗略判断结果为“碰撞”，则再将主对象与相交目标对象的各个表面进行交点计算，计算结果如图所示P1、P2、P3、P4所示。最后判断交点与目标对象相交表面的关系，若在表面内部则主对象与目标对象碰撞冲突(如P2、P3、P4)，若交点在表面外或表面边界(如P1)，则并无碰撞冲突。其算法流程如图4所示。

2.4支撑体系3D建模的整体流程支撑体系

3D建模的全过程是：将支撑点简化为正交布置，且水平方向和竖直方向的间距固定不变，首先根据多段线构成的外形轮廓，生成外包矩形框，再根据支撑间距等信息，确定支撑可能的布置点，并根据图形学中判断点是否位于多边形内的算法排出外形轮廓以外的布置点，从而确定垂直支撑的位置。水平支撑则根据竖向间距在任意相邻两个布置点中等距布置。最后，根据布置点生成模板3D模型。建模过程及实形模板和简化模板的比较如图5所示。

3基于4D施工安全信息模型的支撑体系安全分析

3.1基于工序的支撑体系及荷载效应

施工过程中，支撑及模板的抗力并不随时间而变化，但支撑体系的结构形式及所承受的荷载则受施工工序的影响很大。因此，在支撑体系安全分析中必须考虑，以确保结构计算的精确度。以横向楼板及梁的施工为例，施工工序主要包括架设支撑体系、绑钢筋、浇筑混凝土和拆除支撑体系。其中，架设和拆除过程影响支撑体系计算的结构模型，为支撑构件是否参与结构计算的依据。而绑钢筋以及浇筑混凝土阶段，通过4D施工安全信息模型，可以获得与施工工序关联的建筑构件体积、密度及材料等信息，从而自动计算支撑系统所承担的结构构件自重、施工荷载，再根据荷载规范或文献[8]转换为标准值或设计值，作为支撑体系结构计算的荷载取值。

3.2支撑体系的4D结构计算模型

可通过编制轻量级的程序进行支撑体系的结构计算，但考虑以后扩展为与主体时变结构的安全分析结合的需求，本研究以ANSYS作为支撑体系的有限元计算平台。其中，由于支撑杆件通常采用截面对称的圆形钢管，可选用梁单元“BEAM188”来模拟。同时，模拟中不考虑竖向支撑与横向支撑的连续性，而是从交点处断开(包括横向支撑与竖向支撑的交点、横向支撑与横向支撑的交点)，并划分为小单元进行计算。另外，可以采用壳单元“SHELL65”模拟横向大面积的模板，并根据模板与竖向支撑的交点，划分为小模板块进行模拟计算。在4D模拟的过程中，指定任意时间点后，通过当前施工段的工序信息，判断哪些支撑及模板已经搭设完毕，以及该支撑模板所承担的结构，自动导出该时间点的支撑体系框架模型及荷载效应。

3.3支撑体系失稳分析

当支撑体系承受的荷载达到某一极限数值时，荷载有微小的增加时，应力和应变不按比例而显著地增长，这种内部抗力的突然崩溃就是屈曲或失稳。如前文所述，施工过程支撑体系的安全问题，主要发生于支撑失稳或整体失稳，因此如何准确而方便地进行支撑体系稳定性分析是施工过程安全分析的重点。用有限元求解结构稳定问题，通常有两种方法：特征值屈曲分析和非线性屈曲分析[19]。

1)特征值屈曲分析。

特征值屈曲分析是线性屈曲，即结构处于平衡状态，荷载增量为一个微量，其位移增量很大。通过数学转换，特征值屈曲分析将转换为求解矩阵的特征值问题。此方法用于预测理想弹性结构的理论屈曲强度，即欧拉临界荷载。ANSYS中进行特征值屈曲分析由3个步骤组成：按静力方式求得静力解，再按屈曲方式求得特征值屈曲解，最后按扩展求解方式求得扩展解。

2)非线性屈曲分析。

非线性屈曲分析属于全过程大挠度弹塑性有限元方法，通过逐级增加荷载(或位移)，不断修正单元的刚度矩阵(考虑应力和位移效应)，对结构进行非线性静力学分析，再在此基础上寻找临界点。ANSYS中进行非线性屈曲分析只需要增加如下步骤即可：首先在求解属性中增加特征值屈曲分析，然后打开弧长法追踪以及打开大变形计算，最后实现荷载逐步施加。其分析结果将自动反应在内力和位移形变的最终计算结果上，不需要进行人工参与。

3.4基于4D施工安全信息模型的支撑体系安全分析步骤和流程

基于4D施工安全信息模型的支撑体系安全分析的主要步骤包括：1)建立4D施工安全信息模型；2)支撑体系施工过程模拟；3)支撑体系安全分析。

1)建立4D施工安全信息模型。进行施工过程支撑体系安全分析的前提是支撑体系的4D施工安全信息建模。首先，根据楼板轮廓，应用上述3D建模方法创建支撑体系3D模型，如图6(a)所示。然后对支撑构件和结构构件进行碰撞检测，排除冲突支撑，如图6(b)所示。再将支撑体系3D模型与WBS工序节点关联，实现3D模型与WBS工序的4D关联，并赋予支撑、模板等支撑体系构件工程属性，包括：支撑属性、材料属性、基于工序的荷载效应。这些属性通过统一的对象——支撑实体，进行连接和管理，如图6(c)所示。图6支撑体系4D施工安全信息建模Fig.64Dconstructionsafetyinformationmodelingofscaffoldsystem

2)支撑体系4D施工过程模拟。随着主体结构进行4D施工过程模拟，支撑体系也能实现施工过程的4D动态模拟。与主体结构的4D动态模拟不同的是，支撑体系只有架设与拆除两道工序，而且工序持续时间较短，并且是临时存在的实体构件。因此，支撑体系在架设后至拆除期间，不需要用不同的颜色对不同工序进行区分，而只需要表现出“存在”即可。

3)支撑体系安全分析。进行支撑体系的安全分析具体包括：首先在支撑体系的4D施工模拟过程中，可以针对模拟进度中的任意时间点进行支撑体系的导出和计算分析，即按照当前施工进度模拟情况、支撑体系的支撑情况、支撑体系的承载情况等所构建的计算模型，并考虑支撑构件的工程属性，根据分析模型导出算法[20]，自动导出可供有限元计算分析的模型和数据，存储到文本文件或数据库中。然后通过数据接口，将导出的模型和数据导入到结构分析系统进行该时点支撑体系安全性能计算与分析，其中，由于主导支撑体系安全性问题的因素是局部屈曲或整体屈曲，因此需要根据支撑体系的结构形式，对支撑体系进行额外的屈曲分析，求得屈曲临界荷载。计算分析的结果，即该时点的应力、应变、位移以及屈曲临界荷载等数据，可以通过中介文件的形式提供给支撑体系设计人员，也可以通过数据接口返回到4D施工安全信息模型中进行3D形象的动态表现。最后，通过支撑体系的安全分析和评价模型，可以计算该时点支撑体系的安全性能指标，并进行安全性能评价和预警预报。

4应用实例

某工程一层楼板的外轮廓如图7(a)所示，由于跨度较大，因此划分为A1―A8八个区域。支撑体系的参数设计如图7(b)所示，则A1区部分根据楼板轮廓计算得到的支撑布置点如图7(c)所示，其中内部的虚线框代表简化模板的外轮廓。支撑体系3D建模的结果如图7(d)所示，再通过与原结构的碰撞检测，排除冲突单元后的最终模型如图7(e)所示。在支撑体系的4D施工模拟过程中，根据指定时间点(一层支撑体系支撑一层及二层结构施工时)导出分析模型后，在ANSYS中的计算结果如图8所示。其中，结果显示：1)最大的位移变形出现在边缘处模板的中部，其位移值仅为1.7mm，属于安全范围；2)轴向拉应力、压应力分别为1.37MPa和17.9MPa，均远小于支撑材料Q235的屈服应力(210MPa)。按照特征值屈曲分析方法，求解支撑体系结构的屈曲模态。其中，第一阶和第六阶的屈曲模态及对应的欧拉临界荷载如图9所示。结果表明，在当前支撑体系结构情况下，欧拉临界荷载的最小值出现在第一阶屈曲模态下，其拉应力、压应力值均为428MPa。根据求解结果得到如下结论：1)应力和位移均处于安全范围；2)欧拉荷载超过支撑杆件材料的屈服荷载。因此，支撑体系处于安全范围。5结论针对现有施工期支撑体系安全分析方法存在的不足和局限性，引入4D技术及BIM，建立4D施工安全信息模型，从两个方面对传统方法进行了改进：其一是根据主体结构楼板轮廓特征快速建立支撑及模板的3D模型，并通过碰撞检测，剔除冲突支撑构件，从而改进支撑体系的3D建模方法，大大提高支撑体系建模效率，为建立精确的计算模型提供基础；其二是从4D施工安全信息模型中，自动提取相关主体结构和施工信息，通过4D进度模拟，自动生成随进度变化的支撑结构体系和计算模型，可直接用于其力学性能计算和稳定性分析，从而大大减少了支撑体系分析所需的建模和数据处理工作量，提高了安全分析的精度和效率。