建筑節(jié)能復(fù)合材料應(yīng)用

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摘要:隨著建筑工程項(xiàng)目的生產(chǎn)和建設(shè)要求越來越多樣化和高效化，傳統(tǒng)建筑材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代建筑工程設(shè)計(jì)要求。對(duì)新型建筑材料玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(GFRP)的性能和在建筑工程節(jié)能中的具體應(yīng)用進(jìn)行介紹。針對(duì)建筑工程多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出BIM技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)及三維建模過程。并使用AutodeskRevitMEP2013軟件，結(jié)合給排水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行建筑信息模型建模，利用軟件內(nèi)置碰撞檢查功能，對(duì)管道系統(tǒng)敷設(shè)方式進(jìn)行初步優(yōu)化。

關(guān)鍵詞:建筑信息模型;玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;三維仿真;協(xié)同設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)等的發(fā)展，世界已逐漸從工業(yè)時(shí)代進(jìn)入信息時(shí)代，信息技術(shù)使航空航天、機(jī)械制造、電子科技等各行業(yè)的運(yùn)作方式發(fā)生了巨大變革，在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和科技含量等方面均取得大幅度提升［1－2］。而建筑工程作為一個(gè)各國生產(chǎn)總值占比極大的行業(yè)，其資源利用率、能源消耗率和生產(chǎn)效率卻沒有達(dá)到應(yīng)有的狀態(tài)，據(jù)美國建筑科學(xué)研究院(NIBS)研究結(jié)果顯示，美國2015年建筑工程規(guī)模為21800億美元，其中非增值工作量超過40%，而同年制造產(chǎn)業(yè)非增值工作量為21%，若建筑工程能將非增值工作量與制造產(chǎn)業(yè)持平，則每年可節(jié)約產(chǎn)值約為4000億美元［3］。研究發(fā)現(xiàn)，行業(yè)發(fā)展水平的高低主要依賴于其產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)流程及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用程度，而對(duì)于建筑工程行業(yè)而言，一個(gè)完整的建筑工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中通常被分為建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、給水排水系統(tǒng)和供暖幾個(gè)獨(dú)立的部分進(jìn)行，由于專業(yè)不同和部門間信息不流通，導(dǎo)致項(xiàng)目信息交互過程容易出現(xiàn)問題，因此工作效率下降［4－5］。建筑信息模型(BIM)技術(shù)是以三維數(shù)字模型文件和計(jì)算機(jī)集成技術(shù)為基礎(chǔ)，通過建立建筑信息數(shù)據(jù)模型，搭建項(xiàng)目各參與方協(xié)同合作平臺(tái)，解決項(xiàng)目中不同部門異構(gòu)性問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程各個(gè)生命階段的全局信息共享，為建筑工程的設(shè)計(jì)、建造等方面提供集成管理環(huán)境，能夠有效提高建筑工程的生產(chǎn)和管理效率［6］。我國的建筑工程目前還主要集中在基礎(chǔ)建設(shè)上，其生產(chǎn)效率和管理水平較低，具有較大的優(yōu)化發(fā)展?jié)摿?。本文提出一種基于BIM技術(shù)的建筑工程協(xié)同設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，對(duì)其在建筑節(jié)能方面進(jìn)行研究。

1復(fù)合塑料材料在建筑工程節(jié)能中的應(yīng)用

1.1復(fù)合塑料材料性能介紹

使用復(fù)合塑料材料作為現(xiàn)有建筑改造及新建建筑施工的構(gòu)件原料，能夠很大程度上降低建筑能耗，節(jié)約資源。其中玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)是一種由合成樹脂為基體材料，玻璃纖維為增強(qiáng)材料，經(jīng)過多層工藝制成的新型復(fù)合材料［7］。GFRP作為建筑材料具有以下性能特點(diǎn):(1)力學(xué)性能優(yōu)異，GFRP材料質(zhì)輕，同時(shí)強(qiáng)度高、抗疲勞性和減振性好，適合作為承力構(gòu)件;(2)設(shè)計(jì)性好，GFRP材料采用注塑成型工藝，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)、尺寸和性能具有較強(qiáng)的可塑性，通過GFRP材料內(nèi)部纖維含量及分布的變化，可以強(qiáng)化纖維材料作用效果，加強(qiáng)材料性能;(3)耐受性強(qiáng)，GFRP材料由于表面電阻較大，其耐化學(xué)腐蝕性和耐候性較強(qiáng)，具有更長的使用壽命;(4)隔音效果佳，GFRP材料阻尼性能較好，能夠起到隔音作用;(5)電性能優(yōu)，GFRP材料介電性較好，在一定寬度范圍內(nèi)的透波性能優(yōu)良，同時(shí)絕緣性較好。

1.2復(fù)合塑料材料在建筑工程節(jié)能中的具體應(yīng)用

GFRP材料在建筑工程節(jié)能中的具體應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面:(1)建筑給水排水管道系統(tǒng)，與常用的金屬和鋼筋混凝土材料相比，GFRP材料由三層結(jié)構(gòu)組成，其中內(nèi)襯層為樹脂材料，摩擦阻力小、能耗低且耐腐蝕性強(qiáng)，在相同半徑或能耗條件下，輸送能力比金屬管高20%以上，結(jié)構(gòu)層為玻璃纖維增強(qiáng)材料，強(qiáng)度和彈性模量大，是結(jié)構(gòu)中的承力作用層，外保護(hù)層為其他材料，起二次保護(hù)作用。另外，GFRP材料質(zhì)量輕，施工費(fèi)、安裝費(fèi)和材料成本均較低，生產(chǎn)能耗小;(2)建筑門窗，建筑工程中能耗一半以上是通過門窗損失的，因此門窗材料的選擇和施工是建筑節(jié)能的關(guān)鍵。GFRP材料拉伸強(qiáng)度達(dá)360MPa，彎曲強(qiáng)度達(dá)270MPa，能夠彌補(bǔ)鋁合金等金屬材料強(qiáng)度差、易變形等缺陷，熱絕緣系數(shù)達(dá)9.96m2•K/W，具有較好的隔熱、隔音作用，熱變形溫度為200℃，在室內(nèi)外溫差較大時(shí)不易產(chǎn)生縫隙。同時(shí)優(yōu)質(zhì)GFRP材料有害物質(zhì)含量在國家規(guī)定的限定范圍內(nèi)，符合綠色建材推廣要求，是建筑門窗材質(zhì)的良好選擇。(3)其他建筑構(gòu)件，包括停車場(chǎng)地板、通風(fēng)櫥、水箱、屏蔽房、電纜橋架等。

2建筑工程BIM技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)及建模

2.1建筑工程

BIM技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)協(xié)同設(shè)計(jì)是指針對(duì)工程項(xiàng)目創(chuàng)建信息分享平臺(tái)，對(duì)不同專業(yè)的信息資源進(jìn)行整合及文檔歸置，通過軟件將信息數(shù)字化，并賦予各成員不同查看及調(diào)用信息權(quán)限，以達(dá)到專業(yè)協(xié)同，信息協(xié)同，設(shè)計(jì)、施工及消費(fèi)者三方協(xié)同，共同完成設(shè)計(jì)目標(biāo)的目的，其最大特點(diǎn)是允許多名參與方對(duì)同一項(xiàng)目進(jìn)行處理，協(xié)同性強(qiáng)［8］。BIM技術(shù)將建筑工程設(shè)計(jì)中的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)從二維平面圖紙轉(zhuǎn)向三維仿真，通過軟件技術(shù)支持，將建筑項(xiàng)目參與各方通過BIM模型實(shí)現(xiàn)信息集成及實(shí)時(shí)傳遞共享，具有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案無法比擬的優(yōu)勢(shì)。為了更好完成BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)，需要建筑工程項(xiàng)目中各獨(dú)立部門相互配合，遵循規(guī)定的工作流程，確保設(shè)計(jì)過程順利有序進(jìn)行。首先應(yīng)建立BIM技術(shù)信息交換平臺(tái)，然后確定所需的硬件和軟件，完成BIM模型的構(gòu)建。其中可在三維設(shè)計(jì)軟件操作界面中設(shè)計(jì)參數(shù)，并將信息共享，不同參與方根據(jù)整體參數(shù)調(diào)整自身專業(yè)設(shè)計(jì)，隨時(shí)更新和調(diào)取最新模型，使最終設(shè)計(jì)能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，并最大程度提高設(shè)計(jì)效率。BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)包括:(1)能夠?qū)⒔ㄖこ痰膶?shí)際信息轉(zhuǎn)化為參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行編輯、修改和建模，同時(shí)信息內(nèi)容含量增大，由二維圖像幾何信息轉(zhuǎn)變成覆蓋材料類型、物理特性等三維非幾何信息;(2)BIM模型的使用貫穿于整個(gè)建筑工程的生命周期中，能夠跟進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)度，使各參與方均能及時(shí)了解項(xiàng)目的最新信息，設(shè)計(jì)成果能直接在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)分享，提高建筑工程項(xiàng)目的決策質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2.2建筑工程

BIM技術(shù)設(shè)計(jì)三維建模過程本文選用Autodesk公司的AutodeskRevit系列軟件作為三維參數(shù)設(shè)計(jì)平臺(tái)，該系列軟件具有智能設(shè)計(jì)、能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化管理和提供溝通平臺(tái)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，不僅能在可視化條件下實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)，還能夠在設(shè)計(jì)及施工過程中及時(shí)針對(duì)出現(xiàn)的問題調(diào)整參數(shù)，提高施工質(zhì)量及效率。AutodeskRevit系列包括三種主要軟件類型:RevitArchitecture，即針對(duì)建筑設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)行建筑物參數(shù)化建模，通過軟件內(nèi)部良好的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)功能，將建筑物體不同功能構(gòu)件的參數(shù)設(shè)計(jì)信息進(jìn)行輸入及儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫，并直接生成設(shè)計(jì)圖紙，方便用戶進(jìn)行成本預(yù)算估計(jì);RevitStructure，即針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠提供結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)據(jù)庫滿足設(shè)計(jì)需要;RevitMEP，即針對(duì)設(shè)備、電氣及給排水管道等的設(shè)計(jì)，包含管道線路系統(tǒng)位置參數(shù)、材料參數(shù)等所有相關(guān)信息，能夠根據(jù)建筑配套設(shè)備的管道線路系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行建模，使其綜合排布和空間構(gòu)造更加合理，另外還能和Navisworks軟件共同用于完成不同管道布置的防碰撞問題。RevitArchitecture軟件新建項(xiàng)目中均以項(xiàng)目樣板為單位，可直接在其中添加、修改參數(shù)信息，同時(shí)軟件內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中包含項(xiàng)目樣板初始參數(shù)，可簡(jiǎn)化BIM建模中參數(shù)設(shè)計(jì)過程，提高設(shè)計(jì)效率。RevitArchi-tecture軟件中BIM模型構(gòu)建工具包括視圖控制工具，即根據(jù)不同要求控制顯示BIM模型的不同截面、投影，如三維視圖、俯視圖、剖面圖等，同時(shí)可在不同視圖間實(shí)現(xiàn)隨時(shí)切換、縮放、平移等操作，還可以對(duì)視圖拉取信息列表進(jìn)行參數(shù)及屬性查看;原圖修改編輯工具，即用于對(duì)原圖進(jìn)行修改、編輯等操作。BIM建模準(zhǔn)備工作包括建立工作集，即各專業(yè)根據(jù)設(shè)計(jì)需求建立工作集并設(shè)置權(quán)限，方便進(jìn)行內(nèi)容管理;創(chuàng)建標(biāo)高和軸網(wǎng)，即繪制通過標(biāo)高及軸網(wǎng)獲取空間定位信息，建立構(gòu)件間的相對(duì)空間關(guān)系;載入族文件，即通過系統(tǒng)族及可載入族兩種族文件形式，創(chuàng)建項(xiàng)目模型及注釋等基本圖元。BIM建模具體過程為:第一步利用系統(tǒng)族文件和系統(tǒng)工具創(chuàng)建建筑工程的主要墻體三維模型，定義墻體類型及參數(shù)，完成墻體和結(jié)構(gòu)柱在二維平面及三維立體視圖中的布設(shè)顯示及基本構(gòu)件的創(chuàng)建;第二步添加其他構(gòu)件，Revit系列軟件內(nèi)置大量不同種類構(gòu)件族文件樣板，可供用戶直接調(diào)用和創(chuàng)建，建模完成。

3BIM技術(shù)建筑節(jié)能復(fù)合材料的應(yīng)用實(shí)例研究

3.1BIM技術(shù)和給排水專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

本文采用AutodeskRevitMEP軟件結(jié)合建筑工程中的給排水管道系統(tǒng)進(jìn)行BIM技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)。具體過程為:(1)創(chuàng)建項(xiàng)目，打開AutodeskRevitMEP2013軟件操作界面，新建MEP中心項(xiàng)目文件，選擇樣板文件，設(shè)置構(gòu)件相關(guān)信息，使用監(jiān)視功能監(jiān)控文件中關(guān)鍵圖元信息，創(chuàng)建建筑工程給排水管道系統(tǒng)BIM模型;(2)創(chuàng)建視圖，以建筑樓層為基礎(chǔ)，對(duì)每個(gè)樓層給排水管道進(jìn)行繪制，繪制完成后，將其連接成整體，形成建筑工程給排水管道系統(tǒng)平面視圖及三維視圖，軟件具有過濾器功能，用于隱藏對(duì)當(dāng)前編輯視圖造成影響的其他圖元，便于圖像編輯;(3)創(chuàng)建中心文件，用于存儲(chǔ)不同參與方設(shè)計(jì)的所有內(nèi)容，中心文件可根據(jù)部門劃分為不同工作集，通過權(quán)限設(shè)置協(xié)同文件調(diào)用規(guī)范性。

3.2給排水管道系統(tǒng)模型建立

給排水管道系統(tǒng)模型建立過程包括:(1)基本設(shè)置，將給排水管道系統(tǒng)構(gòu)件加載至MEP軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置，通過“機(jī)械設(shè)置”對(duì)話框界面編輯參數(shù);(2)管道敷設(shè)，可將給排水管道系統(tǒng)CAD二維平面圖紙鏈接至中心文件中，作為創(chuàng)建BIM模型的空間相對(duì)位置定位參考，在軟件標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫中調(diào)用設(shè)備型號(hào)，根據(jù)實(shí)際施工需要選擇合適的GFRP材料，載入族文件，設(shè)置管道構(gòu)件類型及屬性，然后對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行鋪設(shè)，打開“常用”選項(xiàng)卡，根據(jù)“機(jī)械設(shè)置”中設(shè)定的要求選擇繪制管道類型，最后將管道和設(shè)備通過管線連接，在合適位置放置管路附件;(3)管道防碰撞檢查，在完成給排水管道系統(tǒng)BIM模型建立后，需根據(jù)管道與設(shè)備間的三維構(gòu)圖，利用RevitMEP軟件“協(xié)作”運(yùn)行功能區(qū)的“碰撞檢查”功能對(duì)話框，對(duì)設(shè)計(jì)中是否存在碰撞問題進(jìn)行初步考量并調(diào)整。

4結(jié)語

我國作為能源消耗大國，其中建筑工程能耗占我國能源消耗總量的30%以上，因此建筑節(jié)能是建筑工程主要研究方向之一。GFRP材料以其優(yōu)異的理化和節(jié)能性能，成為目前市場(chǎng)前景良好的新型建筑材料。本文對(duì)GFRP材料性能和在建筑工程節(jié)能中的具體應(yīng)用進(jìn)行介紹，并提出建筑工程BIM技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)及三維建模過程，以給排水管道系統(tǒng)BIM建模為例，對(duì)其建模過程進(jìn)行說明，為未來建筑工程BIM技術(shù)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的研究提供基礎(chǔ)。

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作者：王娟 蘇紅艷 單位：鄭州工程技術(shù)學(xué)院 鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院