建筑節(jié)能復合材料應用

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摘要:隨著建筑工程項目的生產(chǎn)和建設要求越來越多樣化和高效化，傳統(tǒng)建筑材料和系統(tǒng)設計模式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代建筑工程設計要求。對新型建筑材料玻璃纖維增強復合塑料(GFRP)的性能和在建筑工程節(jié)能中的具體應用進行介紹。針對建筑工程多專業(yè)協(xié)同設計特點，提出BIM技術協(xié)同設計及三維建模過程。并使用AutodeskRevitMEP2013軟件，結合給排水管道系統(tǒng)設計要求進行建筑信息模型建模，利用軟件內(nèi)置碰撞檢查功能，對管道系統(tǒng)敷設方式進行初步優(yōu)化。

關鍵詞:建筑信息模型;玻璃纖維增強復合材料;三維仿真;協(xié)同設計

隨著計算機技術、電子信息技術等的發(fā)展，世界已逐漸從工業(yè)時代進入信息時代，信息技術使航空航天、機械制造、電子科技等各行業(yè)的運作方式發(fā)生了巨大變革，在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質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)效率卻沒有達到應有的狀態(tài)，據(jù)美國建筑科學研究院(NIBS)研究結果顯示，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)流程及相關技術應用程度，而對于建筑工程行業(yè)而言，一個完整的建筑工程項目在設計過程中通常被分為建筑、結構、電氣、給水排水系統(tǒng)和供暖幾個獨立的部分進行，由于專業(yè)不同和部門間信息不流通，導致項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)技術是以三維數(shù)字模型文件和計算機集成技術為基礎，通過建立建筑信息數(shù)據(jù)模型，搭建項目各參與方協(xié)同合作平臺，解決項目中不同部門異構性問題，實現(xiàn)對建筑工程各個生命階段的全局信息共享，為建筑工程的設計、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建設上，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技術的建筑工程協(xié)同設計方法，并結合玻璃纖維增強復合材料，對其在建筑節(jié)能方面進行研究。

1復合塑料材料在建筑工程節(jié)能中的應用

1.1復合塑料材料性能介紹

使用復合塑料材料作為現(xiàn)有建筑改造及新建建筑施工的構件原料，能夠很大程度上降低建筑能耗，節(jié)約資源。其中玻璃纖維增強塑料(GFRP)是一種由合成樹脂為基體材料，玻璃纖維為增強材料，經(jīng)過多層工藝制成的新型復合材料［7］。GFRP作為建筑材料具有以下性能特點:(1)力學性能優(yōu)異，GFRP材料質輕，同時強度高、抗疲勞性和減振性好，適合作為承力構件;(2)設計性好，GFRP材料采用注塑成型工藝，導致其結構、尺寸和性能具有較強的可塑性，通過GFRP材料內(nèi)部纖維含量及分布的變化，可以強化纖維材料作用效果，加強材料性能;(3)耐受性強，GFRP材料由于表面電阻較大，其耐化學腐蝕性和耐候性較強，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，同時絕緣性較好。

1.2復合塑料材料在建筑工程節(jié)能中的具體應用

GFRP材料在建筑工程節(jié)能中的具體應用包括以下幾個方面:(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材料由三層結構組成，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，在相同半徑或能耗條件下，輸送能力比金屬管高20%以上，結構層為玻璃纖維增強材料，強度和彈性模量大，是結構中的承力作用層，外保護層為其他材料，起二次保護作用。另外，GFRP材料質量輕，施工費、安裝費和材料成本均較低，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)能的關鍵。GFRP材料拉伸強度達360MPa，彎曲強度達270MPa，能夠彌補鋁合金等金屬材料強度差、易變形等缺陷，熱絕緣系數(shù)達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)外溫差較大時不易產(chǎn)生縫隙。同時優(yōu)質GFRP材料有害物質含量在國家規(guī)定的限定范圍內(nèi)，符合綠色建材推廣要求，是建筑門窗材質的良好選擇。(3)其他建筑構件，包括停車場地板、通風櫥、水箱、屏蔽房、電纜橋架等。

2建筑工程BIM技術協(xié)同設計及建模

2.1建筑工程

BIM技術協(xié)同設計協(xié)同設計是指針對工程項目創(chuàng)建信息分享平臺，對不同專業(yè)的信息資源進行整合及文檔歸置，通過軟件將信息數(shù)字化，并賦予各成員不同查看及調用信息權限，以達到專業(yè)協(xié)同，信息協(xié)同，設計、施工及消費者三方協(xié)同，共同完成設計目標的目的，其最大特點是允許多名參與方對同一項目進行處理，協(xié)同性強［8］。BIM技術將建筑工程設計中的多專業(yè)協(xié)同設計從二維平面圖紙轉向三維仿真，通過軟件技術支持，將建筑項目參與各方通過BIM模型實現(xiàn)信息集成及實時傳遞共享，具有傳統(tǒng)設計方案無法比擬的優(yōu)勢。為了更好完成BIM技術的協(xié)同設計，需要建筑工程項目中各獨立部門相互配合，遵循規(guī)定的工作流程，確保設計過程順利有序進行。首先應建立BIM技術信息交換平臺，然后確定所需的硬件和軟件，完成BIM模型的構建。其中可在三維設計軟件操作界面中設計參數(shù)，并將信息共享，不同參與方根據(jù)整體參數(shù)調整自身專業(yè)設計，隨時更新和調取最新模型，使最終設計能夠滿足實際生產(chǎn)要求，并最大程度提高設計效率。BIM技術在建筑設計過程中的應用優(yōu)勢包括:(1)能夠將建筑工程的實際信息轉化為參數(shù)設置，進行編輯、修改和建模，同時信息內(nèi)容含量增大，由二維圖像幾何信息轉變成覆蓋材料類型、物理特性等三維非幾何信息;(2)BIM模型的使用貫穿于整個建筑工程的生命周期中，能夠跟進項目進度，使各參與方均能及時了解項目的最新信息，設計成果能直接在協(xié)同設計平臺分享，提高建筑工程項目的決策質量和生產(chǎn)效率。

2.2建筑工程

BIM技術設計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)設計平臺，該系列軟件具有智能設計、能夠實現(xiàn)參數(shù)化管理和提供溝通平臺的設計優(yōu)勢，不僅能在可視化條件下實現(xiàn)協(xié)同設計，還能夠在設計及施工過程中及時針對出現(xiàn)的問題調整參數(shù)，提高施工質量及效率。AutodeskRevit系列包括三種主要軟件類型:RevitArchitecture，即針對建筑設計，能夠進行建筑物參數(shù)化建模，通過軟件內(nèi)部良好的數(shù)據(jù)驅動功能，將建筑物體不同功能構件的參數(shù)設計信息進行輸入及儲存至數(shù)據(jù)庫，并直接生成設計圖紙，方便用戶進行成本預算估計;RevitStructure，即針對結構設計，能夠提供結構構件數(shù)據(jù)庫滿足設計需要;RevitMEP，即針對設備、電氣及給排水管道等的設計，包含管道線路系統(tǒng)位置參數(shù)、材料參數(shù)等所有相關信息，能夠根據(jù)建筑配套設備的管道線路系統(tǒng)設計特點進行建模，使其綜合排布和空間構造更加合理，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軟件新建項目中均以項目樣板為單位，可直接在其中添加、修改參數(shù)信息，同時軟件內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中包含項目樣板初始參數(shù)，可簡化BIM建模中參數(shù)設計過程，提高設計效率。RevitArchi-tecture軟件中BIM模型構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，同時可在不同視圖間實現(xiàn)隨時切換、縮放、平移等操作，還可以對視圖拉取信息列表進行參數(shù)及屬性查看;原圖修改編輯工具，即用于對原圖進行修改、編輯等操作。BIM建模準備工作包括建立工作集，即各專業(yè)根據(jù)設計需求建立工作集并設置權限，方便進行內(nèi)容管理;創(chuàng)建標高和軸網(wǎng)，即繪制通過標高及軸網(wǎng)獲取空間定位信息，建立構件間的相對空間關系;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)，完成墻體和結構柱在二維平面及三維立體視圖中的布設顯示及基本構件的創(chuàng)建;第二步添加其他構件，Revit系列軟件內(nèi)置大量不同種類構件族文件樣板，可供用戶直接調用和創(chuàng)建，建模完成。

3BIM技術建筑節(jié)能復合材料的應用實例研究

3.1BIM技術和給排水專業(yè)協(xié)同設計

本文采用AutodeskRevitMEP軟件結合建筑工程中的給排水管道系統(tǒng)進行BIM技術協(xié)同設計。具體過程為:(1)創(chuàng)建項目，打開AutodeskRevitMEP2013軟件操作界面，新建MEP中心項目文件，選擇樣板文件，設置構件相關信息，使用監(jiān)視功能監(jiān)控文件中關鍵圖元信息，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，對每個樓層給排水管道進行繪制，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，用于隱藏對當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，用于存儲不同參與方設計的所有內(nèi)容，中心文件可根據(jù)部門劃分為不同工作集，通過權限設置協(xié)同文件調用規(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)基本設置，將給排水管道系統(tǒng)構件加載至MEP軟件實現(xiàn)參數(shù)設置，通過“機械設置”對話框界面編輯參數(shù);(2)管道敷設，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模型的空間相對位置定位參考，在軟件標準件數(shù)據(jù)庫中調用設備型號，根據(jù)實際施工需要選擇合適的GFRP材料，載入族文件，設置管道構件類型及屬性，然后對管道系統(tǒng)進行鋪設，打開“常用”選項卡，根據(jù)“機械設置”中設定的要求選擇繪制管道類型，最后將管道和設備通過管線連接，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)管道與設備間的三維構圖，利用RevitMEP軟件“協(xié)作”運行功能區(qū)的“碰撞檢查”功能對話框，對設計中是否存在碰撞問題進行初步考量并調整。

4結語

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，成為目前市場前景良好的新型建筑材料。本文對GFRP材料性能和在建筑工程節(jié)能中的具體應用進行介紹，并提出建筑工程BIM技術協(xié)同設計及三維建模過程，以給排水管道系統(tǒng)BIM建模為例，對其建模過程進行說明，為未來建筑工程BIM技術多專業(yè)協(xié)同設計的研究提供基礎。

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作者：王娟 蘇紅艷 單位：鄭州工程技術學院 鶴壁職業(yè)技術學院