面向设计和施工期的建筑物时变结构安全性能的4D模拟和分析

当前施工安全分析和管理的手段主要包括工程安全管理和结构安全分析两方面。然而，目前的相关研究主要从其各自的角度来展开，没有联系起来进行综合分析。事实上，导致施工中任何一类安全事故的因素都不是孤立的。为实现集成化的施工期时变结构安全性能的分析和管理，引入信息技术是一条必需和可行的途径。本研究拟引入数据库、人工智能等新兴的计算机信息技术，结合传统结构工程领域中的时变结构分析方法，建立一个面向设计阶段和施工阶段的统一的信息模型，用于存储和管理海量的建筑信息，以及实现多种有限元计算软件中结构分析模型的统一。再应用四维CAD技术来模拟和描述施工全过程，并采用不同的有限元软件进行动态的结构计算，实现施工全过程中结构安全性能的动态模拟和分析，可为设计阶段考虑施工受力变化提供参考，也为施工现场提供新的安全分析手段，从而达到提高设计阶段和施工阶段效率和质量、降低生命周期成本、减少施工过程安全事故发生的目的。

建筑业是我国职业安全事故率仅次于采矿业的工业部门，事故起数和死亡人数居高不下。因此，加强施工期冲突与安全分析管理，具有重大的社会和经济意义。然而长期以来，这个涉及人民生命财产安全的重要领域，一直缺乏科学、有效的管理工具。如何从根本上改变这一落后局面，以新的理论和管理方法为手段，实现建筑项目的现代化集成管理已经成为目前亟待解决的关键问题。基于上述需求，本研究综合应用建筑信息模型（Building Information Model，BIM）、4D技术、时变结构分析、过程模拟和碰撞检测等领域的知识和最新成果，面向设计和施工阶段的信息共享和重用，描述了施工安全分析管理的总体需求和整体解决方案，提出了建筑子信息模型（sub-Building Information Model，sub-BIM）的概念，并建立了基于IFC标准的4D安全信息模型。基于此sub-BIM，着重研究了基于BIM的模型双向转换机制、施工过程时变结构和支撑体系的动态安全分析、施工安全检查电子评分表以及基于BIM的碰撞检测的相关理论和关键技术，并详细论述其实现的流程与集成方法。在此基础上，申请国家专利1项，获得软件著作权2项，并通过工程实例对系统的可行性和有效性进行验证，从而为施工现场提供新的安全分析手段和管理工具。本研究的成果表明：通过引入BIM和4D技术，建立4D施工安全信息模型，可实现建筑设计、结构分析和施工管理三个领域的信息共享与集成管理，为BIM的创建和集成应用探索了可行的理论和方法。同时，本研究能将建筑施工过程模拟、4D施工管理和施工过程安全分析集成，为解决建筑施工安全问题提供新的理论、方法和技术，为复杂理论和方法的工程应用奠定技术基础，对于满足建筑安全生产的实际需求，改变建筑施工安全管理手段落后的局面，提高安全水平具有重要理论意义和广阔的应用前景。

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