1、BIM -三維時(shí)代的抗震減災(zāi)法寶2009年底，我們驚魂未定地從災(zāi)難大片2012的放映廳出來(lái)，“世界末日論”開(kāi)始在全球 蔓延。不過(guò)沒(méi)多久，“樂(lè)觀至上”的地球人們開(kāi)始用其一貫的方式調(diào)侃災(zāi)難，聊以自慰，于是 淘寶和e-Bay上開(kāi)始倒賣“諾亞方舟”的船票.不知道是宿命還是巧合，新年伊始一場(chǎng)海地的大地震又一次觸動(dòng)人類脆弱的神經(jīng)。社會(huì)學(xué)家 和環(huán)保主義者開(kāi)始對(duì)人類生存環(huán)境開(kāi)始嚴(yán)肅的反思，建筑家和結(jié)構(gòu)師們則繼續(xù)在建筑結(jié)構(gòu)和 設(shè)計(jì)領(lǐng)域中探索災(zāi)難防御和自救之道，而這一次，建筑信息模型BIM）成為現(xiàn)代建筑界防 震減災(zāi)的法寶。海地地震教訓(xùn)一一不容忽視的建筑抗震設(shè)計(jì)對(duì)于這樣一個(gè)缺少經(jīng)驗(yàn)和準(zhǔn)備的貧困國(guó)家來(lái)說(shuō)，這次令人恐怖

2、的自然災(zāi)難無(wú)疑會(huì)在一夜之間 讓其墜入地獄。根據(jù)測(cè)震儀記錄的數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)貢r(shí)間16點(diǎn)53分（格林威治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的21點(diǎn) 53分）初步測(cè)定的震級(jí)為7級(jí)。此次地震的震源距離太子港15公里，深度為8公里，由于 靠近震源，太子港在更大程度上遭受破壞性力量沖擊。強(qiáng)烈的地震讓海地首府太子港幾乎化 為一片廢墟，海地總統(tǒng)府一層以上建筑徹底坍塌，聯(lián)合國(guó)駐海地總部大樓損毀嚴(yán)重，大量聯(lián) 合國(guó)員工傷亡。大地震令人們?cè)桨l(fā)關(guān)注建筑抗震等安全性能。在主要工業(yè)國(guó)家，位于地震多發(fā)區(qū)的建筑均裝 有阻尼系統(tǒng)，允許它們?cè)谡饎?dòng)中幸存下來(lái)。在遭遇與海地相同的地震時(shí)，這些建筑不但會(huì)來(lái) 回晃動(dòng)同時(shí)還會(huì)發(fā)生扭曲。但在海地首都太子港，簡(jiǎn)單的混凝土結(jié)構(gòu)建

3、筑卻會(huì)在同樣的應(yīng)力 下轟然倒塌。圖1： 一棟尚未完工的4層混凝土樓房倒塌。從附件的結(jié)構(gòu)分析，倒塌的原因在于柱尺寸不 足、樓面板過(guò)重以及配筋不足等原因。圖2：海地太子港的總統(tǒng)宮殿。宮殿一層基本無(wú)破壞，連玻璃門窗都未損壞。但是一層以上 建筑徹底坍塌。入口處的倒塌的柱子配筋少的可憐。圖3：剛建成5年左右的建筑倒塌。圖中特寫(xiě)顯示：頂層柱子配筋不足。圖4：倒塌的建筑。圖中可見(jiàn)，圓鋼的尺寸太小。圖5：兩層樓房柱遭破壞，柱子之間有欄桿的約束，其中一根柱子因?yàn)榕R近樓房的撞擊而斷 裂圖6： 一座5層的石建筑倒塌。倒塌的原因在于一層結(jié)構(gòu)剛度不足、二層柱體偏少以及柱體 間的連接剛度不足。“建筑版太極拳”中國(guó)古代建筑

4、的抗震智慧以柔克剛的思想，是中華民族的傳統(tǒng)智慧。舉世聞名的太極拳就是這種思想的直接產(chǎn)物而中 國(guó)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑抗震防震的方法。與西方磚石結(jié)構(gòu)建筑的“以剛克剛”不同，中國(guó)傳統(tǒng)的木 結(jié)構(gòu)建筑在抵抗地震沖擊力時(shí)，采用的是“以柔克剛”的思維，通過(guò)種種巧妙的措施，其目標(biāo) 是以最小的代價(jià)，將強(qiáng)大的自然破壞力消彌至最小程度。我國(guó)許多古代建筑都成功地經(jīng)受過(guò) 大地震的考驗(yàn)，如天津薊縣獨(dú)樂(lè)寺觀音閣、山西應(yīng)縣木塔等建筑，千百年來(lái)均經(jīng)歷過(guò)多次地 震仍然傲然屹立。當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)以抵御9度地震為目標(biāo)，而我國(guó)傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑基本上能 達(dá)到這個(gè)要求，而且其代價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于西方的“剛”，不能不讓人嘆服“柔”的力量。柔性的框架結(jié)構(gòu)墻倒屋

5、不一一中華民族不但自文明伊始就睿智地選擇了木材等有機(jī)材料 作為結(jié)構(gòu)主材，而且發(fā)展形成了世界上歷史最悠久、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)成熟度最高的結(jié)構(gòu) 體系一柔性的框架體系。我國(guó)木結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。作為對(duì)比，西方數(shù)千年中一直采用承重墻 體系，直到工業(yè)革命以來(lái)、近現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展之后，才意識(shí)到框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，遂開(kāi)始 大規(guī)模地普及，更值得玩味的是，這種框架體系仍然是以剛克剛”。而中國(guó)的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)， 具有框架結(jié)構(gòu)的種種優(yōu)越性，如墻倒屋不塌”的功效，但其柔性的連接，又使得它具有相當(dāng) 的彈性和一定程度的自我恢復(fù)能力。汶川大地震中，許多文物建筑的墻體均不同程度地受損， 但主體結(jié)構(gòu)仍未倒塌，就是這種柔性框架結(jié)構(gòu)抗震能力

6、的表現(xiàn)。整體浮筏式基礎(chǔ)、斗桃、榫卯：抗擊地震的關(guān)鍵一我國(guó)古代很少建造平面復(fù)雜的建筑， 主要采用長(zhǎng)寬比小于2:1的矩形。規(guī)則的平面形態(tài)和結(jié)構(gòu)布局有利于抗震。傳統(tǒng)建筑往往是 中間的一間（當(dāng)心間）最大，兩側(cè)的次間、梢間等依次縮小面寬，這樣的設(shè)計(jì)非常有利于抵抗 地震的扭矩。中國(guó)古代建筑一般由臺(tái)基、梁架、屋頂構(gòu)成，高等級(jí)的建筑在屋頂和梁柱之間還有一個(gè)斗棋 層。中國(guó)古代建筑的臺(tái)基用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)語(yǔ)言描述，堪稱整體浮筏式基礎(chǔ)”，好比是一艘大船載 著建筑漂浮在地震形成的“驚濤駭浪”中，能夠有效地避免建筑的基礎(chǔ)被剪切破壞，減少地震 波對(duì)上部建筑的沖擊。中國(guó)傳統(tǒng)建筑的梁架一般采用抬梁式構(gòu)造，在構(gòu)架的垂直方向上，形 成下

7、大上小的結(jié)構(gòu)形狀，實(shí)踐證明這種構(gòu)造方式具有較好的抗震性能。優(yōu)雅的大屋頂是中國(guó) 古代傳統(tǒng)建筑最突出的形象特征之一，而且對(duì)提高建筑的抗震能力也做出過(guò)相當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn)。形 成大屋頂（尤其是廡殿頂、歇山頂笠）需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)和大量構(gòu)件，大大增加了屋頂乃至整個(gè)構(gòu) 架的整體性；龐大的屋頂以其自重壓在柱網(wǎng)上，也提高了構(gòu)架的穩(wěn)定性。斗棋是中國(guó)古代建筑抗震的又一位重要戰(zhàn)士，在地震時(shí)它像汽車的減震器一樣起著變形消能 的作用。歷史上，很多帶斗棋的建筑都能抵御強(qiáng)烈地震，比如山西大同的華嚴(yán)寺，在沒(méi)有斗 棋的低等級(jí)附屬建筑被破壞殆盡的情況下，帶斗棋的主要殿堂仍能幸存，充分說(shuō)明了斗棋對(duì) 抗震的貢獻(xiàn)。斗棋但能起到“減震器”的作用，而且

8、被各種水平構(gòu)件連接起來(lái)的斗棋群能夠形 成一個(gè)整體性很強(qiáng)的“剛盤”，按照“能者多勞”的原則把地震力傳遞給有抗震能力的柱子，大 大提高了整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。除了這些較顯著的手法外，中國(guó)古代傳統(tǒng)建筑中還使用了大量的其他技術(shù)措施，這些措施是 古建筑抗震的關(guān)鍵。比如榫卯的使用：榫卯是極為精巧的發(fā)明，我們的祖先早在7000年前 就開(kāi)始使用，這種不用釘子的構(gòu)件連接方式，使得中國(guó)傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)成為超越了當(dāng)代建筑排 架、框架或者剛架的特殊柔性結(jié)構(gòu)體，不但可以承受較大的荷載，而且允許產(chǎn)生一定的變形， 在地震荷載下通過(guò)變形吸收一定的地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。又比如柱子的生起、側(cè) 腳等技法降低了建筑的重心，并使整體結(jié)

9、構(gòu)重心向內(nèi)傾斜，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;柱頂、柱 腳分別與闌額、地袱以及其他的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接，使柱架層形成一個(gè)閉合的構(gòu)架系統(tǒng)，用現(xiàn)代 術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，就是形成上、下圈梁，有效地制止了柱頭、柱腳的移動(dòng)，增強(qiáng)了建筑構(gòu)架的整體 性。梁架系統(tǒng)通過(guò)闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構(gòu)件強(qiáng)化了 聯(lián)系，顯著增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性；柱子與柱礎(chǔ)的結(jié)合方式能顯著地減少柱底與柱礎(chǔ)頂面之間 的摩擦，進(jìn)而有效地產(chǎn)生隔震作用；在高大的樓閣中，如獨(dú)樂(lè)寺觀音閣、應(yīng)縣木塔等，都在 暗層中設(shè)有斜撐，大大強(qiáng)化了構(gòu)架對(duì)水平?jīng)_擊波反復(fù)作用的抵抗能力；在外檐柱間設(shè)置較厚 的墻體，起到現(xiàn)代建筑中“剪力墻”的作用諸如此類，舉不勝舉，大到

10、建筑群體的布局處理， 小到構(gòu)件斷面的尺寸設(shè)計(jì)，處處都展示出古代工匠們?cè)诳拐鹪O(shè)計(jì)方面的知識(shí)和匠心。村淵Fi*如中國(guó)古代建筑抗震能力的杰出代表一地震帶上應(yīng)縣木塔山西應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔（應(yīng)縣木塔）是中國(guó)古代傳統(tǒng)建筑杰出抗震能力的集中代表。整座木塔 表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)、技術(shù)與藝術(shù)形象的高度和諧，表里如一，這是中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑，也是我們 中華民族的“傳統(tǒng)美德”之一。在近千年前我們的祖先就能建造出如此莊嚴(yán)美麗而堅(jiān)固耐久的 建筑，充分顯示出當(dāng)時(shí)的匠人對(duì)數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)的研究已經(jīng)相當(dāng)深入，而且對(duì) 地震的破壞機(jī)理已有了相當(dāng)?shù)牧私?，抗震?jīng)驗(yàn)已積累到了很高的水平，既令人驚奇，也令人 自豪。這座木塔是當(dāng)今世界現(xiàn)存最

11、高的木結(jié)構(gòu)建筑，竣工于1056年，處于大同盆地地震帶上。木 塔建成200多年即遭受大震，余震連續(xù)7天，木塔附近的房屋全部倒塌，而木塔巋然不動(dòng)； 在此后的近千年中，木塔經(jīng)歷了多次大地震的考驗(yàn)而安然無(wú)恙。在戰(zhàn)亂之際，木塔還承受過(guò) 200余發(fā)炮彈的轟擊，亦無(wú)大損。木塔之所以有如此杰出的抗震能力，在于前述諸多抗震技 法的綜合和提高：木塔平面是規(guī)則的正八角形，利于抵抗地震波產(chǎn)生的扭曲力；木塔高達(dá) 4.4米的磚石基座堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)定，形成一個(gè)“浮筏”，承載著全塔的重量（約1300噸）；木塔內(nèi)梁 與柱的連接完全通過(guò)斗棋完成，各種構(gòu)件則通過(guò)榫卯連接，全塔的主要構(gòu)件不用一釘一鉚， 這種連接形式類似于半固結(jié)半活鉸的狀態(tài)

12、，能承受較大的彎矩；構(gòu)架水平分層，在地震波中 的垂直沖擊波攻擊下，可以通過(guò)“彈跳”的方式消解巨大的破壞能量；構(gòu)架的整體性有力地抵 抗旋轉(zhuǎn)波，所有的柱子都用頂部的梁枋連結(jié)成一個(gè)筒形的框架，保證了構(gòu)架的穩(wěn)定性；柱子 之間砌筑有厚實(shí)的墻體，牢牢地“抱”住各柱子，增加了構(gòu)架的整體性，而且這些墻體能作為 剪力墻發(fā)揮作用；立柱側(cè)腳、平面逐層縮小，有效地降低了塔的重心，并使整體結(jié)構(gòu)重心向 內(nèi)傾斜，增強(qiáng)了塔的穩(wěn)定性，這樣既使塔身形成美麗的曲線，又能把水平的地震沖擊力分解 成垂直方向的壓力；周邊有一圈柱廊，各圈柱廊被水平構(gòu)件連接成一個(gè)剛中帶柔的整體；為 了加固結(jié)構(gòu)框架，在八邊形木塔的四個(gè)斜向應(yīng)面上，自上而下采用

13、了剪刀撐做法。抓住新時(shí)代建筑抗震減災(zāi)的救命稻草一一建筑信息模型建筑事業(yè)是一項(xiàng)集體“運(yùn)動(dòng)”，歐特克在2002年率先提出了名為“建筑信息模型”(即BIM， Building Information Modeling)的理念。建筑信息模 型(Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱 BIM)的出現(xiàn)正在改變項(xiàng)目參與各方的協(xié)作方式，從而引發(fā)了建筑行業(yè)一場(chǎng)脫胎換骨的革命?？拐鸱懒叶让刻岣咭欢龋ㄖ杀緦⒃黾?%：過(guò)去很多涉及抗震級(jí)別的設(shè)計(jì)工作中，重 復(fù)或過(guò)于繁雜的作業(yè)流程不可避免，這也導(dǎo)致企業(yè)主支付過(guò)多無(wú)形成本，據(jù)了解，抗震防烈 度每提高一度，建筑成本將增加10%。目前，在建筑設(shè)計(jì)

14、和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，在有限的成本 預(yù)算之下，如何設(shè)計(jì)出合理的抗震設(shè)計(jì)，成為業(yè)界關(guān)注而探討的話題。建筑信息模型在防震抗災(zāi)方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，這一理念基于最先進(jìn)的三維數(shù)字設(shè)計(jì)解 決方案，構(gòu)建“可視化”的數(shù)字建筑模型，為建筑設(shè)計(jì)師和工程師等各環(huán)節(jié)人員提供模擬和 分析”的科學(xué)協(xié)作平臺(tái)。對(duì)于建筑設(shè)計(jì)師而言，這不僅僅要求將設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)從二維到三維 的轉(zhuǎn)變，更需要在設(shè)計(jì)階段就突破單純建筑設(shè)計(jì)的桎梏，融合協(xié)同設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)和可持續(xù) 設(shè)計(jì)理念，使得整個(gè)工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工和使用等各個(gè)階段都能夠有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源、 節(jié)約成本、降低污染、提高效率。目前，這一理念已經(jīng)成為全球工程建設(shè)行業(yè)可持續(xù)設(shè)計(jì)的 標(biāo)桿和里程碑。設(shè)

15、計(jì)師和建筑師們得以在工程建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的整個(gè)階段， 輕松“模擬和分析”抗震性，在工程過(guò)程中，可以及時(shí)了解工程材料的是否達(dá)標(biāo)，并且以“可 視化”的方式呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)以“可持續(xù)性設(shè)計(jì)”構(gòu)建人類生活和生產(chǎn)的抗震建筑。設(shè)計(jì)階段應(yīng)用Autodesk Revit以及AutoCAD Civil 3D等基于BIM理念的相關(guān)工具，可以根 據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境、建筑設(shè)計(jì)預(yù)案匹配出最合理的抗震設(shè)計(jì)方案，同時(shí)將相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、施工 和材料等因素考慮進(jìn)去，設(shè)計(jì)初期就可預(yù)先發(fā)現(xiàn)施工時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，省卻后續(xù)整合或拆 除等不必要的施工成本，兼顧提升質(zhì)量、提升設(shè)計(jì)能力與節(jié)省成本等優(yōu)勢(shì)。此外，針對(duì)不同 地區(qū)不同的地質(zhì)環(huán)

16、境要求，Autodesk Revit等BIM軟件有各種外掛或套用程序，在設(shè)計(jì)時(shí)， 將防震要求、防震設(shè)施或防震預(yù)案等因素納入其中。ASTRA Montenegro度假中心一一建筑信息模型塑造地震帶上的建筑奇跡黑山共和國(guó)的ASTRA Montenegro飯店如童話故事中公主所居住的城堡，聳立在峭壁之上。 建筑主體是二張鼓起的風(fēng)帆，它帶著酒店客人，在周圍如畫(huà)風(fēng)景中暢游。不過(guò)酒店客人肯定 不曾想到，這么幽雅的酒店其實(shí)建筑在地震帶上，是來(lái)自東方的設(shè)計(jì)師利用BIM軟件打造 了這座夢(mèng)幻酒店，讓它成為東歐的一個(gè)新傳奇。這個(gè)令人矚目的ASTRA Montenegro度假中心位于黑山共和國(guó)(Montenegro)

17、，建筑最大特 色就是建筑主體構(gòu)想來(lái)自兩相纏繞在一起的風(fēng)帆，用過(guò)去建筑經(jīng)驗(yàn)與法則來(lái)看，幾乎是接近 不可能的一項(xiàng)工程，不過(guò)，透過(guò)采用Revit卻能將建筑師的設(shè)計(jì)概念具體實(shí)踐出來(lái)。ASTRA Montenegro內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，每一個(gè)樓層設(shè)計(jì)不一樣，透過(guò)Revit的3D模型仿真分析， 讓特殊形狀主體可以被建造出來(lái)，這是過(guò)去2D軟件無(wú)法做出來(lái)的境界。Astra Montenegro裙樓模擬圖ASTRA Montenegro更讓人驚訝的是建筑位于地震帶，要兼顧施工質(zhì)量與樓地板面積最大化， 似乎是魚(yú)與熊掌不可兼得的事，但BBG-BBGM指出，盡管ASTRA Montenegro位于地震帶， 但憑借Revit精確的仿真分析，結(jié)構(gòu)體承受重量相同，但卻可將建