文章来源：学术小镇

    导语：预测建筑震后修复过程对于建筑抗震韧性的评估和决策意义重大。为此，“学术小镇”课题组发表了一篇关于BIM支持的建筑震后修复过程5D模拟的论文，针对震后建筑单体提供准确的修复成本、修复时间及其变化过程，为震后建筑物的韧性评估和修复决策提供关键依据。

    01、为什么做震后修复过程模拟？

    韧性是当前建筑抗震的新理念，在城市、建筑防灾领域，联合国国际减灾战略署对韧性的定义为：韧性指暴露于危险中的系统、社区或社会，具有抵御、吸收、适应灾害，有效降低生活、建筑、环境和基础设施等方面的损失或损坏，并及时迅速地从灾害中恢复的能力，包括保护和恢复其重要基本功能。简而言之，韧性理念除了强调建筑物灾前的抗震能力外还重视其灾后的恢复能力。

    这样的韧性理念是不是听上去有点云里雾里呢？

    别着急，接下来小编将通过建筑震后的修复过程模拟，帮助大家更好地解读韧性。

    建筑震后的修复过程模拟无论是对建筑韧性设计和评估还是灾后建筑的修复决策都至关重要。具体而言，修复过程是建筑韧性过程中的重要部分，结合修复过程给出精细化的损失和修复时间，可以为建筑韧性设计和韧性评估提供准确依据。而且，修复过程模拟可以帮助梳理韧性恢复的机理，发现影响修复过程的关键因素，从而进一步提高建筑韧性；此外，修复过程模拟可以给出修复过程的具体人力、资源、资金等需求，这样在灾后恢复重建决策中便可以做到心中有数，指挥若定了。

    说了这么多，究竟怎样实现这个大饼呢？

    众所周知，在建筑三维模型的基础上，定义各构件的工序任务、进度计划，便可以构建4D模型，而基于BIM的施工过程4D模拟，再结合相应的人、材、机成本数据就形成了5D模拟。

    施工过程5D模拟概念

    5D模拟可以较为系统地展示建筑施工过程中的主要细节，对于合理制定施工计划、精确掌握施工进度、优化使用施工资源、科学降低施工成本都起着至关重要的作用。

    尽管在大众眼中，5D模拟似乎已经被套上了拟建建筑物的专属代名词，实际上，5D模拟对于受损建筑同样适用。我们将通过5D模拟来量化建筑的震后修复能力，为大家揭开韧性的神秘面纱。

    02、我们的关键问题是什么？

    如何确定受损构件的最优修复方案

    前人开山铺路，后人平坦前行。在房屋修缮工程中，前辈们已经为我们提供了大量可用方案。对于某一地震损伤状态，一类构件可能有数十种修复方案，每种方案都有不同的修复信息，如成本、工日、施工复杂度、大型设备依赖度等，特别是根据建筑物的震害情况和决策者的偏好，快速确定最优的维修方案尤为困难。

    如何自动制定修复进度计划

    修复方案确定后，需要制定相应的修复进度计划。修复进度计划的目的是在有限的人力和资源条件下，尽快完成震后修缮工作。然而，由于需要确定各种类型的施工工艺和大量的参数（如工作面、修复工日和修复工序），制定一份最优的修复进度计划既复杂又耗时。

    如何对震后修复过程进行5D模拟

    修复过程的模拟不仅需要建筑物的三维模型真实地显示修复过程，还需要时间和成本等信息提供详细的结果，发现修复过程中可能出现的问题。然而，现有的建筑物修复过程的5D模拟研究非常有限。

    03、我们的主要贡献

    为了获得科学合理的建筑震后修复模拟，我们提出了本文的研究框架，包括三个关键步骤：确定最优震后修复方案、自动编制修复计划以及震后修复过程5D模拟。

    技术路线图

    基于可能度的区间型指标修复方案优选

    为了准确地反映修复方案的优劣，我们以成本、工日、工艺复杂度、大型设备依赖度、修复效果为评价指标，确定最优修复方案。

    另外，考虑到工程过程中存在很多不确定因素，利用区间型指标对方案的不确定性属性进行量化，构造区间数决策矩阵来描述不同方案的属性。如下式所示，假设评价指标数量为m，备选方案数量为n，记D=(dij)m×n，dij为方案Aj对评价指标Ei的取值，其中dij=[dijL,dijU],dijL和dijU为区间型指标的上限和下限。

    考虑到主观权重过多地依赖于决策者的偏好，而客观权重过多地依赖于样本数据。本文采用主客观权重结合的方法确定属性权重，具体来说，采用区间层次分析法（IAHP）确定主观权重向量，熵权法(EWM)确定客观权重向量，利用组合赋权法确定综合权重向量，建立基于可能度的区间型指标方案优选模型。

    考虑到区间数无法直接比较方案优劣，利用区间数决策矩阵和相应的权重向量计算出所有维修方案的可能度。对于方案a和b，设其方案综合属性分别为a=[aL,aU]和b=[bL,bU]，记La=aU-aL，Lb=bU-bL，则方案a优于方案b的可能度可由下式计算。

    最后通过可能度的排序，便可以确定最优修复方案了。

    修复施工计划的自动化编制

    我们采用分别流水施工方法制定修复计划，在此基础上，计算分别流水施工的关键参数（工作面、流水节拍与流水步距），确定修复计划的具体内容，最后基于BIM平台设计修复进度计划自动编制算法。

    修复进度计划编制流程图

    修复过程5D模拟

    选取Autodesk公司的Navisworks平台将BIM模型与修复计划进行数据集成，该平台可以与Revit创建的BIM模型无缝衔接，并广泛应用于施工过程模拟。

    利用BIM中的过滤器设计BIM构件与工序任务的自动挂靠算法。通过该算法可以导出搜索集文件，根据文件在Navisworks平台中生成与工序任务对应的构件集，便于实现BIM构件与工序任务的自动挂靠。

    构件与工序任务自动挂靠效果图（图中蓝色字表示工序任务附加的相应构件集合）

    最后对建筑修复过程进行模拟，展示修复过程的细节（如人工费、材料费、机械费等）。

    此解决方案相对于传统的手动挂靠模式效率显著提高，建筑体量越大，此方案的优势将越明显。

    04、算例

    我们选取El-Centro地震波作用后的一栋损伤的办公楼建筑。在此基础上，采用本文方法确定可修复构件的最优修复方案，实现建筑震后修复过程模拟。

    为了验证所提出的修复方案（即方案A），本研究邀请业内专业工程师根据他们的工程经验，为我们推荐了方案B。

    A、B两种修复方案的总修复费用分别为425,783元和485,280元，与方案B相比，本文方法节省了总费用的12.26%，而两种方案的修复时间基本相同。

    但是，在本算例中，可修复构件在所有破坏构件中所占的比例仅接近四分之一，因此总的修复成本和时间主要取决于拆除和重建不可修复构件的工序，而这与修复方案决策无关！

    如果只比较可修复构件，方案A和B的费用分别为57,151元和116,648元。在这种情况下，该方法相较于修复方案B节省了51%的费用。

    修复方案A和B的成本对比图

    方案A和B中可修复构件的修复时间分别为54天和60天，该方法相较于修复方案B节省了10%的时间。

    修复方案A和B的时间对比图

    因此，我们的方案决策还是很有效的。

    修复成本与时间是衡量建筑抗震能力的重要指标。我们对A、B两种修复方案的详细修复费用和修复时间进行了量化，通过对两种修复方案的比较，可以发现不同的修复方案对受损建筑的抗震性能有显著影响。本研究可以量化这种影响，有助于决策者选择最优的修复方案，以提高建筑物的抗震能力。

    而且，5D模拟还可以给出更实际的工期以及工期中详细的成本变化，以及人、材、机及总体累计费用统计图，这对震后修复工程造价管理有一定的指导意义。

    不同阶段修复成本统计图

    人、材、机及总体累计费用统计图

    05、结语

    本研究提出了BIM支持的建筑震后修复过程5D模拟方法，不仅以逼真的三维方式呈现了修复动画，而且提供了修复期间详细费用的变化过程。

    仿真结果显示了修复过程中对人工、机械和材料的动态需求，对于发现关键修复需求至关重要，有助于建筑抗震性能决策。而且，通过优化关键修复需求，可以缩短修复工期，进而提高建筑物的抗震韧性。

    注意：本文仅研究了结构构件，而未考虑非结构构件（如窗、门和机械、电气和管道（MEP））。实际上，本文方法也适用于非结构构件，只需要获得它们的震害和相应的备选修复方案。未来将针对包括结构构件和非结构构件的建筑进行震后修复的5D模拟，为抗震决策提供完整的指导。

    最后感谢中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目（编号：2019EEEVL0501）对本研究的支持。

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