王立波 林重才 韓錦文

(安陽工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院, 河南安陽 455000)

0 引 言

近年來,隨著我國城市化進程的不斷推進,建筑拆除工程活動不斷增長。2018年,我國產(chǎn)生的建筑固廢達到15.9億t[1],其中超過60%來源于既有建筑的拆除,并保持約10%的年增長率[2]。拆除產(chǎn)生的建筑固廢的處理也帶來了諸多環(huán)保和安全問題,包括粉塵污染、有害物質(zhì)[3]等。因此,應(yīng)用生命周期理論,在建筑物的拆除工作中,從拆除前調(diào)查、拆除方案制定、現(xiàn)場拆除到拆除后的建筑固廢處理全周期中,尋找高效、低碳、安全的建筑拆除與固廢消納的方法,逐漸成為建筑行業(yè)研究與應(yīng)用的關(guān)注點。

在歐洲,成熟的建筑拆除流程主要包括:拆除前調(diào)查、拆除計劃與實施、固廢管理[4]三個階段。但在我國,建筑拆除的相關(guān)研究與實踐仍聚焦于對現(xiàn)場拆除方案的數(shù)值模擬和施工組織管理[5-7]:通過既有手段對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行檢測與評估,來確保結(jié)構(gòu)物按照預(yù)期方案順利倒塌[7],而對于建筑拆除前的調(diào)查仍處于起步階段。文獻[8-9]指出,我國在2001—2010年間拆除的建筑大部分壽命僅為30年,其中始建于20世紀80年代[9]的建筑所占比例最高。由于當(dāng)時設(shè)計標準與施工管理水平的不足,既有建筑的設(shè)計資料大多已經(jīng)無法獲得;同時,隨著服役時間的增加,材料劣化與荷載效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形也使得待拆結(jié)構(gòu)與有限的設(shè)計資料不符。因此,獲得待拆結(jié)構(gòu)的準確、詳細信息,是執(zhí)行安全、高效的建筑拆除的基礎(chǔ)。

另一方面,我國的研究學(xué)者對于建筑拆除產(chǎn)生的固廢處理及資源化的研究課題,主要集中于如何提升再生固體廢物的材料學(xué)特性和工程應(yīng)用價值,如:毛以衛(wèi)[10]、彭立港[11]等研究了再生骨料新舊界面參數(shù)(ITZ),探究了界面參數(shù)與再生粗骨料取代率、水灰比、力學(xué)及耐久性能的相關(guān)關(guān)系;劉錕[12]等從再生混凝土的宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)上,分析并提出了再生混凝土未來的發(fā)展趨勢;田青[13]等分析了化學(xué)激活、熱激活、機械激活等幾種再生微粉的主要激活的內(nèi)在機理,并指出了現(xiàn)階段再生微粉激活研究存在的問題。然而,溯其根源,高效有序的建筑固廢管理才能生產(chǎn)高品質(zhì)的再生骨料及微粉,從而才能提高再生產(chǎn)品的質(zhì)量、推廣其應(yīng)用場景。如何從建筑的全生命周期角度,實現(xiàn)建筑物從拆除至固廢資源化的全過程管理:即以固廢資源最大化為導(dǎo)向,保障建筑拆除的安全、高效、環(huán)保、有序,促進建筑固廢的再利用與再循環(huán),是目前亟待解決的行業(yè)問題。

隨著BIM、三維掃描等信息化技術(shù)在建筑領(lǐng)域的深入融合應(yīng)用,一種以信息化的方法,實現(xiàn)智能、安全、可持續(xù)的建筑拆除工程,并為建筑固廢資源化提供先行保障為特點的拆除方案被提出——“智能拆除”。它旨在以三維掃描為數(shù)據(jù)采集手段、點云逆向建立的BIM模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),借助BIM的可視化、信息化、集成化優(yōu)勢,為建筑物拆除和固廢管理的全流程管理提供智能化解決方案。相關(guān)的研究已經(jīng)證明,BIM應(yīng)用于建筑拆除及固廢管理優(yōu)勢明顯[2]。Cheng等使用BIM技術(shù)實現(xiàn)了建筑固廢的分類、體量計算和處置策略制定[14];于向東等在斜交跨線連續(xù)梁快速拆除工程中,使用BIM技術(shù)對拆除過程進行了模擬[15];黃瑋征等在跨內(nèi)河航道橋梁拆除工程中,應(yīng)用BIM技術(shù)預(yù)先對施工方案進行了模擬,論證了施工方案的合理性[16];羅春燕以BIM為基礎(chǔ),開發(fā)了適用于建筑拆除工程的建筑固廢決策管理系統(tǒng)[17]。同時,作為一種既有建筑的信息采集手段,三維掃描能夠幫助獲取待拆結(jié)構(gòu)精確的幾何與紋理數(shù)據(jù)[18-20],為后續(xù)拆除方案的制定和固廢管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此,融合三維掃描與BIM技術(shù)進行建筑拆除,在城市更新和工業(yè)信息化的迫切需求下具有先天優(yōu)勢。

在此背景下,本文結(jié)合BIM和三維掃描技術(shù),以舊城改造過程中既有建筑物的拆除工程為案例,提出“建筑物智能拆除”的系統(tǒng)框架:首先使用三維掃描技術(shù)獲取既有建筑的精確幾何信息,并提出了一種基于三角錐靶標的點云精確注冊方法;然后,開發(fā)了一種針對住宅建筑的點云處理算法,以重建其BIM模型;緊接著,基于該BIM模型,分析了建筑拆除方案的安全性和經(jīng)濟性。最后,依據(jù)上述方案,以成都市某舊城改造項目的一棟磚混結(jié)構(gòu)建筑為例,進行了全流程試驗,以驗證所提方法的可行性。

1 基于BIM與三維掃描的建筑物智能拆除框架

目前的建筑物拆除實踐中,工程師或管理者多聚焦于現(xiàn)場操作,而時常忽視前期調(diào)查、拆除計劃,進而為后續(xù)資源化利用帶來多重障礙(如多種類建筑固廢的分離、高質(zhì)量再生骨料的制造等)。借鑒于歐美較為成熟的“選擇性拆除”[21]體系,結(jié)合BIM信息化集成的優(yōu)勢,本文提出以下建筑物智能拆除與建筑固廢管理系統(tǒng)。系統(tǒng)具體模塊如圖 1所示。

圖1 基于BIM的智能拆除與固廢管理系統(tǒng)框架Fig.1 The framework of intelligent demolition and building solid waste management system based on BIM

1.1 點云采集

為獲取詳盡的待拆結(jié)構(gòu)信息,制定安全可持續(xù)的拆除方案和固廢處置策略,本文使用三維激光掃描采集待拆結(jié)構(gòu)的點云信息,進而獲取精確幾何參數(shù)和材料紋理。

在大型的土木工程結(jié)構(gòu)掃描中,不同設(shè)站點之間的點云注冊是一個棘手的問題,特別是在精度要求較高的情況下。目前普遍使用的是球形靶標,將它放置在兩個設(shè)站點之間的目視范圍內(nèi),作為相鄰兩站點云之間的共同特征來進行后續(xù)的點云注冊。然而,大型結(jié)構(gòu)的掃描過程中,由于掃描距離差異,一個標記球體上的點云數(shù)量可能是稀少的;且由于球體的特性,過大的激光反射角將引起球體表面的點云漂移[22],產(chǎn)生隨機噪聲,不利于點云的精確注冊。

為克服以上問題,本文設(shè)計了一種新的三角錐形標靶:該標靶由3塊可活動的板組成,各塊板之間的角度可以自由調(diào)節(jié),以適應(yīng)不用掃描距離和角度(圖2b)。在三維空間中,3個互不平行的表面可以確定一個獨立坐標系。因此,理論上只需在每相鄰兩站之間使用一個三角形靶標即可完成點云的精確注冊。

a—三角錐形標靶; b—標靶的點云。圖2 三角錐形標靶示意Fig.2 Schematic diagrams of triangular conical target

在點云注冊過程中,相鄰點云集A和點云集B含有同一個三角錐標靶面。點云注冊的目的是,將注冊點云集B的坐標系轉(zhuǎn)換到與參考點云集A一致。具體步驟為:1)首先,將三角錐形標靶中的共同面分離出來,并計算其最佳擬合平面;2)緊接著,使用ICP算法計算兩個最佳擬合平面的旋轉(zhuǎn)參數(shù)(旋轉(zhuǎn)矩陣[R]和平移矩陣[T],如式(1)),通過迭代計算使得兩個擬合平面的距離函數(shù)F(對應(yīng)點之間距離的平方和)取得最小值,進而使得兩個點云集A和B精確注冊。

[CA]=[R][CB]+[T]

(1)

其中:

式中:α,β,γ分別是繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)角;tx,ty,tz分別是沿繞x、y、z軸的平移距離。

由于該三角錐形標靶各個不同面是互不相交的,因此在大體量點云中很容易被分離出來;同時,空間平面的檢測與擬合效率要比空間球面更高。因此,使用該方法在理論上可以提高點云注冊精度和效率。

1.2 幾何參數(shù)提取與BIM重建

為建立待拆結(jié)構(gòu)的實時精確BIM模型,在點云的基礎(chǔ)上進行逆向重建是許多研究與實踐采用的思路。為此,本節(jié)提出了從點云中提取構(gòu)件幾何參數(shù)的MATLAB算法。其具體流程為:

1)點云分割。由于采集的點云帶有三維空間坐標,而建筑物在高度方向具有顯著特征,因此,本文按照點云Z坐標的差異,將三維點云按照結(jié)構(gòu)樓層分割為N個集合,即:

{P}={Pi=(xi,yi,zi)∈R3|i=1,2,…,N}

N=樓層數(shù) (2)

2)點云投影與聚類。在每個單獨的點云集合Pi中,將所有點投影至xy平面,得到各層的平面點云集合{Pi,xy}={(xi,yi)∈R2|i=1,2,…N},這個集合反映了建筑物在該層的平面布置和幾何,包括墻、柱等構(gòu)件的邊線;而后,在每個平面點云集合{Pi,xy}中,采用聚類優(yōu)化算法[23-24]將不同構(gòu)件的點云進行統(tǒng)計分類,以得到單獨構(gòu)件的點云集合{Pm,xy}:

{Pm,xy}={(xi,yi)∈R2|i=1,2,…,m}

m為構(gòu)件數(shù) (3)

3)特征線檢測。在每個構(gòu)件的點云集合{Pm,xy}中,使用基于上述點云對該構(gòu)件邊線(或者軸線)的曲線進行檢測和擬合,以得到該構(gòu)件的幾何特征和空間位置。由于本文中的特征線為梁、板、柱、墻的邊線,且均為直線,檢測較為簡單,無需使用復(fù)雜的特征線檢測算法[25]。其具體方法如圖3所示。

4)特征線擬合與幾何計算?；谏鲜霾襟E中檢測到的特征點集合,通過最小二乘法擬合曲線(式(4a)),計算上述曲線的長度L,即為該構(gòu)件的長度;計算各構(gòu)件內(nèi)外邊線之間的平均距離D,即可得到構(gòu)件的寬度;

圖3 特征線檢測算法流程Fig.3 The flowchart of feature line detection algorithm

f(xk)=a1xm+a1xm-1+…+amx+am+1

(4a)

(4b)

(4c)

式中:m的取值根據(jù)特征線的具體特征而定。同理,在xz、yz平面內(nèi)分別運行此步驟,即可得到建筑物完整的幾何參數(shù)。表 1為上述步驟的偽代碼。

基于上述方法,可以從點云提取結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),并最終形成各類構(gòu)件幾何參數(shù)的Excel表格,以通過Dynamo參數(shù)化建模工具建立結(jié)構(gòu)BIM模型。大量研究表明[26-28],使用Excel參數(shù)表驅(qū)動Dynamo建立結(jié)構(gòu)BIM模型已十分成熟,限于篇幅,本文亦不再詳細敘述其具體步驟。技術(shù)上講,由點云幾何建立的BIM模型,將有別于從二維圖紙“翻模”而得的BIM模型,具有更高精細度,與現(xiàn)場高度契合,更有利于工程師詳細了解結(jié)果狀況,制定拆除計劃和固廢管理策略;工程角度,相比于人工測量,使用三維掃描的重建方法,多數(shù)操作將由機器替代,在很大程度上減少人工投入的同時,獲得人工測量無法比擬的完整性數(shù)據(jù)。

表1 點云處理與幾何計算偽代碼Table 1 Pseudocode of point cloud processing and geometric calculation

1.3 拆除計劃

1.3.1拆除方法選擇

基于上述預(yù)調(diào)查信息和精細化BIM模型,結(jié)構(gòu)各部分的資源化利用潛能得到判斷,各構(gòu)件、材料的再利用策略得以確定;同時,對應(yīng)的詳細拆除計劃可以被制定。

對于城市建筑物而言,主要的拆除方法有:人工拆除、機械拆除、爆破拆除。其中,人工拆除主要用于低矮建筑物的拆除工作或其他拆除方法的預(yù)先處理與輔助工程,節(jié)能環(huán)保但拆除效率低,工人安全得不到保障;爆破拆除多用于大型結(jié)構(gòu)物的快速拆除,高效、經(jīng)濟,但該方法產(chǎn)生的噪聲、揚塵、有害氣體和地震效應(yīng)[5-7,29],具有不可忽視的環(huán)境影響。相比較而言,機械拆除方法允許各種類型機械裝備配合使用[30-32],能夠最大程度地保留完整構(gòu)件、減小倒塌范圍,降低環(huán)境影響;同時又能減少人力投入,保障工人安全,有利于建筑固廢的后續(xù)再利用。

拆除流程的總體原則[29,33]是,先切斷(水、電、氣、管道等)、先上后下、先內(nèi)后外、先附屬后結(jié)構(gòu)。同時,機械拆除也包含兩種不同拆除順序:1)正向拆除:即逆施工順序,按照結(jié)構(gòu)的荷載傳遞路徑,自上而下逐步拆除。該方法無需或僅需少量臨時支撐結(jié)構(gòu),傳力明確;2)逆向拆除:即按照建筑施工順序,自下而上進行拆除施工。該方案需要在拆除底層結(jié)構(gòu)時有足夠的臨時支護,以提供豎向支撐能力和抗側(cè)能力;同時該支撐體系也需要具備豎向下降功能[34]。相比較而言,正向拆除施工簡單、傳力明確,但需要高空作業(yè)和垂直運輸;逆向拆除雖然需要額外的千斤頂系統(tǒng),操作困難、成本較高,但該方法將作業(yè)平臺轉(zhuǎn)移至地面,減少了場地組織難度和機械投入,適宜在城市中心場地狹小的地方采用。因此,實際操作中應(yīng)依據(jù)具體結(jié)構(gòu)特征和拆除要求來確定具體方案。

基于精細化BIM模型,拆除方法和拆除順序可以通過三維模擬進行優(yōu)化和確定。在BIM模型中,對整個結(jié)構(gòu)按空間區(qū)域、平面區(qū)域、單獨構(gòu)件的層級劃分層次,按照優(yōu)先級將各空間區(qū)域、平面區(qū)域和構(gòu)件賦予時間依存信息,在虛擬環(huán)境中按照預(yù)定方案和拆除順序進行模擬,找出施工交叉點和矛盾點,反過來對拆除方案、順序和進度計劃進行調(diào)整優(yōu)化,從而得到最優(yōu)的拆除計劃。

1.3.2安全性評估

在確定拆除方案時,預(yù)先確保方案的安全性是至關(guān)重要的工作。然而,多數(shù)建筑物在服役多年后,設(shè)計文件的缺失,以及服役期間產(chǎn)生的傾斜、形變、材料退化等現(xiàn)象,給拆除方案的安全性帶來了巨大挑戰(zhàn)。

本系統(tǒng)中,得益于BIM的三維可視化及其與有限元結(jié)構(gòu)分析平臺的良好互操作性,通過轉(zhuǎn)換接口[35-37]將BIM模型轉(zhuǎn)換為有限元(FEM)分析模型,可以快速建立待拆結(jié)構(gòu)物的力學(xué)計算模型;接下來,按照前述步驟制定的拆除方案,分階段進行全過程的受力分析,通過研究結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)來判斷拆除方案的安全性[29,33],并依據(jù)計算結(jié)果對拆除方案和順序進行調(diào)整優(yōu)化,最終確定安全、高效、節(jié)能、環(huán)保的拆除方案。綜合多種模擬方法,滿足安全的建筑拆除方案優(yōu)化思路如下:

(5)

式中:P為結(jié)構(gòu)拆除順序;S(P)為當(dāng)前拆除階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力;S(c)為控制應(yīng)力;U(P)為當(dāng)前拆除階段的結(jié)構(gòu)變形;U(c)為控制變形;W(m)為當(dāng)前拆除階段的材料損失率。

由1.1節(jié)可知,本文的BIM模型帶有建筑物實時狀態(tài)信息,通過將BIM轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的有限元分析模型,其構(gòu)件尺寸、節(jié)點形式和連接狀況、材料屬性仍然保留。相較于傳統(tǒng)方法從原始設(shè)計文件和現(xiàn)場人工測量數(shù)據(jù)[38]中建模,由BIM模型直接轉(zhuǎn)換得到的FEM模型,其數(shù)據(jù)來源更為完整可靠;且轉(zhuǎn)換得到的FEM模型為實體模型,可以根據(jù)所需精細程度自定義模型的精細程度。這從信息源和精細程度上均提高了有限元模型的準確性,從而進一步確保了分析拆除方案的安全性。

1.4 建筑固廢管理

1.4.1材料分類與數(shù)量統(tǒng)計

固廢管理與資源化的總體原則是,盡可能提高固廢回收利用率,并盡可能按照不同材料特點制定精細化利用策略。而預(yù)先確定待拆建筑物的材料類別和對應(yīng)體量,是制定回收處置方案的前提。BIM模型為我們提供了建筑物固廢材料分類與體量計算的可能。BIM模型建立時,構(gòu)件按照功能進行了分類,包括門、窗、墻、柱、梁、板等,其對應(yīng)的材料種類及特性也已經(jīng)被記錄在構(gòu)件本身的屬性信息中。通過BIM平臺的計算模塊,可以快速計算整個待拆結(jié)構(gòu)的材料種類及其對應(yīng)數(shù)量[14]。值得注意的是,從BIM模型中計算得出的材料體積,并非最終需要處理的材料數(shù)量時,有以下幾個因素會對其產(chǎn)生影響:1)轉(zhuǎn)運過程中的損耗;2)粗處理造成的體積變化;3)單位轉(zhuǎn)換時的密度取值?？紤]三者的綜合影響后,本文引入體積變化系數(shù)Fv[14],并根據(jù)式(6)計算最終的待處理建筑固廢數(shù)量:

Mi=Voi×Fvi×Di

(6)

式中:Mi為材料i的待處理工程量,t;Voi為從BIM中提取的材料i的體積,m3;Fvi為材料i的體積變化系數(shù);Di為材料i的平均密度,kg/m3。

1.4.2處置方案選擇與成本估算

為進一步促進建筑固廢再利用,對于每種不同的材料類型,需要依據(jù)其退化狀況和材料特性制定不同的回收與處置方案,并依據(jù)對應(yīng)數(shù)量計算相應(yīng)的處置成本,以便工程管理人員實現(xiàn)精細化管理。主要的處置方法包括:回收(直接)再利用、回收(處理后)再利用、選擇性回收、填埋[39]。由待拆結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的建筑固廢處理所產(chǎn)生的費用按照下列方法計算?？傎M用分為4類[40-41]:1)收集費用。產(chǎn)生于拆除現(xiàn)場的粗處理和轉(zhuǎn)運;2)運輸費用。表示從拆除現(xiàn)場運輸至處理工廠的費用;3)回收處置費用。表示建筑固廢回收處置所需要花費的費用,本例中用回收處理廠的報價作為參考;4)填埋費用。當(dāng)材料性能無法滿足回收利用的要求時,須進行填埋處置,該過程產(chǎn)生的費用屬于填埋費用。按照式(7)可以計算出對應(yīng)的處置成本C:

(7)

式中:Mi為材料i的待處理工程量,t;Ci為材料i的單位收集費用,元/t;Ti為材料i的單位運輸費用,元/t;di為對應(yīng)運輸距離,km;Ri為材料i的單位回收處理費用,元/t;Li為材料i的單位填埋費用,元/t。

在BIM提供了詳細工程量數(shù)據(jù)下,不同的處置方案成本比較模型是容易實現(xiàn)的。通過對不同方案的成本比較,可以在考慮經(jīng)濟成本、環(huán)境效益雙重因素下,制定各項材料的收集和存放位置,并確定后續(xù)運輸、處置方案,為整個拆除項目提供經(jīng)濟性指標參考。

2 工程實踐

為闡明本文所提出的智能拆除框架的過程,作者以西南地區(qū)某舊城改造項目中一棟磚混結(jié)構(gòu)的拆除工作為例,詳細介紹了基于BIM的智能拆除與固廢管理實施流程。該建筑始建于20世紀80年代,已經(jīng)使用近40年,圖紙和設(shè)計文件早已缺失,而當(dāng)?shù)卣Ｍ栽摻ㄖ槔?探索一個智能與可持續(xù)的建筑拆除新方法。

2.1 數(shù)據(jù)采集與BIM模型重建

在本項目中,研究人員使用3D地面掃描儀進行結(jié)構(gòu)物的調(diào)查和數(shù)據(jù)采集。整個采集工作主要分為3部分:1)建筑物外立面點云采集。在建筑物周圍,選取合適的設(shè)站位置及三角錐標靶設(shè)置位置,使用掃描儀對整個建筑物外立面進行掃描,其原則是:盡可能減少設(shè)站次數(shù)以降低拼站誤差,同時保證每相鄰兩站點云間包含同一個三角錐標靶面。2)建筑物內(nèi)部點云采集。建筑物內(nèi)部按照空間和功能分區(qū),分別采集各區(qū)域的完整點云。3)內(nèi)外連接處點云采集。為保證建筑物內(nèi)外點云的融合,需要對建筑物內(nèi)外連接處(如窗、門)進行加強掃描,以保證在連續(xù)兩站點云中包含同一掃描對象的特征點云,以作為后續(xù)點云拼接的參考點。值得注意的是,由于掃描儀的視角限值,結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角處和內(nèi)外連接處需增設(shè)站點對相鄰兩個平面進行點云加強采集。

在建筑物完整點云獲取后,使用1.1節(jié)中的方法進行點云注冊,將各站的點云數(shù)據(jù)進行全局注冊、拼接,得到建筑物的三維點云模型(圖 4a)。緊接著,使用1.2節(jié)的點云處理和幾何參數(shù)提取方法,對建筑物原始點云進行點云投影、聚類、特征線檢測等處理,得到各層的幾何參數(shù);最后,使用Excel參數(shù)表格驅(qū)動Dynamo重建該建筑物的BIM模型。圖 4b、4c展示了本項目特征線檢測結(jié)果,以及依據(jù)幾何參數(shù)重建的BIM;圖 5以2層點云為例,詳細展示了點云投影、聚類、去噪及特征線的檢測和擬合過程。

a—原始點云; b—特征線檢測; c—BIM模型。圖4 點云處理及BIM重建Fig.4 Point cloud processing and BIM reconstruction

a—點云投影; b—點云聚類、去噪; c—特征線檢測、擬合。圖5 點云處理結(jié)果(以二層為例)Fig.5 Point cloud processing results (taking the 2nd layer as an example)

2.2 拆除計劃

受限于現(xiàn)場條件和環(huán)境影響要求,本文選擇機械拆除、輔以人工的拆除方法。如圖 6,將待拆除構(gòu)件按照類別分為不同集合:門、窗、瓷磚、樓梯間、墻、板、樓梯、框架梁、框架柱、基礎(chǔ)等,并分別賦予必要的工作時間;在Naviswork的可視化施工模擬平臺中,可以對整個拆除方案按時間進度進行模擬。

本文依據(jù)文獻[29,33]的方法,將整個拆除過程分為16個小項,4個大項,分別為:1)準備工作。包括正式拆除前期的場地清理與規(guī)劃、水電氣等能源截斷、有害物質(zhì)清除以及人員和機械準備;2)非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件拆除。對門、窗、墻磚等非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件進行人工+機械拆除。這些構(gòu)件拆除工作相對簡單,且部分具有回收利用價值;3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件分層拆除。由于該結(jié)構(gòu)為服役多年的磚混結(jié)構(gòu),按照正向拆除順序,按照荷載傳遞路徑,從頂層樓梯間開始至底層分層拆除;每層按照墻、板、樓梯的構(gòu)件順序進行拆除;每個構(gòu)件先拆除其表層瓷磚、砂漿混凝土,再拆除其內(nèi)部混凝土、燒結(jié)磚等,并暫時堆放在對應(yīng)各樓層樓板上,待整層全部拆除結(jié)束后再轉(zhuǎn)運至臨時堆放場地;4)框架柱拆除。待所有其他構(gòu)件全部拆除結(jié)束后,使用大型機械對框架梁和柱進行拆除。模擬結(jié)果表明,樓梯及其隔墻的拆除應(yīng)調(diào)整至各樓層隔墻與樓板拆除之后最后進行,否則無法為人工、材料和機具轉(zhuǎn)運提供通道和臨空作業(yè)保護。進度模擬表明,在人員固定的情況下,數(shù)據(jù)采集、準備工作和非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件拆除工作可以穿插施工,以提高施工效率。按照標準工時計算,該拆除項目需要耗時5個工作日(從前期準備至材料轉(zhuǎn)運至回收處理廠),其中,樓層構(gòu)件的拆除和臨時存儲耗時接近2.5個工作日。雖然該方案在施工效率上稍有犧牲,但實現(xiàn)了各類材料的精細化分類拆除,推動了后續(xù)建筑固廢的資源化利用的高效進行。

a—拆除方案模擬; b—進度計劃制定。圖6 拆除方案與進度計劃模擬Fig.6 Deconstruction scheme and schedule simulation

2.3 安全性評估

ABAQUS作為經(jīng)典有限元分析軟件,與Revit有共同的內(nèi)核ACIS,均支持.sat格式的讀取,因此具有良好的交互性[36-38]。但是,由于.sat本身僅存儲ACIS的點、線和實體,目前僅支持Revit以Part的形式進行導(dǎo)出,然后在ABAQUS中進行修正[36-37]。當(dāng)結(jié)構(gòu)由多種復(fù)雜構(gòu)件組成時,這種傳輸方法反而會增加修正時間、降低傳輸效率。因此,本文基于Revit API中的應(yīng)用程序接口,在Revit中過濾和提取所有構(gòu)件類型、材料類型、構(gòu)件編號和位置,然后將其寫入INP文件的相應(yīng)字段下,整合并檢查正確性后寫入ABAQUS以實現(xiàn)Revit模型至有限元分析模型的快速轉(zhuǎn)換[14,36],來避免重復(fù)建立有限元模型。其轉(zhuǎn)換方法、數(shù)據(jù)流如圖7所示。

圖7 Revit模型信息提取方法流程Fig.7 The flowchart of Revit model information extraction method

由于在Revit模型中,結(jié)構(gòu)的荷載狀況難以準確獲取[42],因此需要在ABAQUS中,按照實際情況設(shè)定荷載情況,檢查邊界條件,并按照預(yù)定義的拆除方案設(shè)置分析步后進行仿真模擬。特別的,每層前序拆除的臨時堆放物,根據(jù)BIM模型中的體量和密度,換算為相應(yīng)的恒載均勻施加在樓板上:例如,當(dāng)拆除二層樓板和側(cè)墻時,將二層以上已經(jīng)拆除的側(cè)墻和樓板按其重力換算為均布荷載施加于二樓樓板[43]。機械振動按照其自重的1.2倍施加于樓層側(cè)墻。表 2列舉了本例中必要的材料特性,由現(xiàn)場工程師使用無損檢測方法獲得。如圖 8,頂樓拆除階段,最大主拉應(yīng)力為0.210 8 MPa,出現(xiàn)在二層樓板跨中位置,最大形變量為1.43 mm;二層拆除階段,最大主拉應(yīng)力為0.147 6 MPa,出現(xiàn)在一層南面圈梁跨中位置,最大形變量為3.69 mm;結(jié)果表明,其最大拉應(yīng)力和形變均在混凝土抗拉強度和可控形變[43]范圍內(nèi),不會產(chǎn)生突然倒塌現(xiàn)象,上述拆除方案安全。

表2 待拆建筑物材料特性Table 2 Material properties of the buildings to be demolished

需要注意的是,本方法僅對該案例中的梁、板、柱和墻單元的轉(zhuǎn)換進行了試驗分析,證明了其有效性。但由于本案例結(jié)構(gòu)簡單,包含結(jié)構(gòu)類型少且需要提取的數(shù)據(jù)量和類型不大,該方法仍具有限制性,對大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的信息流轉(zhuǎn)換仍需進一步研究。

a—頂樓拆除階段;b—二層拆除階段。圖8 不同拆除階段的應(yīng)力云圖 MPaFig.8 Stress cloud maps of different demolition stages

2.4 經(jīng)濟性評估

在本模塊中,結(jié)構(gòu)構(gòu)件按照其材料類型進行分類和統(tǒng)計,主要包括:混凝土、金屬、木材、玻璃、砌體磚、瓷磚。對于BIM中每個被選中的構(gòu)件,Revit的材料參數(shù)函數(shù)可以自動計算該構(gòu)件組成材料的數(shù)量,并按照類別累加。例如,本例中的室內(nèi)門由木材、金屬、玻璃3種材料組成,而該函數(shù)會分別提取這3種不同材料的類型、體積參數(shù)。本例中對應(yīng)材料類型、體積及待處理數(shù)量如表 3所示。

表3 材料分類與數(shù)量統(tǒng)計Table 3 Material classification and quantity statistics

為評估和確定各類材料的不同處置方案,本文通過比較3個典型方案下的經(jīng)濟成本:1)回收;2)填埋;3)選擇性回收,其結(jié)果如圖 9所示。經(jīng)測算,若將上述各類型固廢全部回收處置,總成本達到12 674.30元;其中,混凝土和黏土磚在專業(yè)處置工廠回收處置階段的成本分別占據(jù)29%和31%;若將上述所有固廢進行填埋,總成本僅為3 905.02元;其中混凝土和黏土磚的現(xiàn)場收集各自占比16%,填埋成本各占比25%左右。當(dāng)選擇將再利用價值高的混凝土、木材、玻璃、金屬進行回收,而對回收價值相對低的黏土磚、瓷磚進行填埋處理時,其總成本為9 435.07元;其中,混凝土的回收和黏土磚的運輸成本占據(jù)39.5%和20.7%。值得注意的是,該比較模型中,拆除現(xiàn)場至回收站的運輸距離為35 km,至填埋現(xiàn)場的距離為5 km。

基于上述比較分析可以看出,將該項目全部建筑固廢回收處理成本較高,而全部直接填埋又會造成嚴重的環(huán)境負荷;綜合分析下,同時考慮降低施工成本、并最大化建筑固廢的回收利用,本文決定采用選擇性回收方案,即將混凝土、木材、玻璃、金屬轉(zhuǎn)運至固廢綜合處理工廠進行回收處置,將黏土磚、瓷磚運輸至另一公路工程施工場地埋場處理。其最終的各類材料的不同處理過程費用見表 4。由計算結(jié)果可知,整個建筑物的固廢處置費用總計約9 435.07元,其中混凝土的回收處置費用占據(jù)了整個過程的大部分成本(39.5%),這是由于當(dāng)?shù)氐慕ㄖ虖U產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成,少量的幾家企業(yè)缺乏市場競爭導(dǎo)致的價格偏高;同時,由于回收處置的單價偏高,鋼筋等金屬的回收處理成本仍不容忽視,盡管在本例中其數(shù)量較少、所占用處理成本較小。另外,由于該建筑為磚混結(jié)構(gòu),黏土磚的填埋成本也不容忽視。

a—回收;b—填埋; c—選擇性回收。圖9 3種不同處置方案的成本分析Fig.9 Cost analysis of three different disposal options

總體來講,基于精細化BIM模型,本框架實現(xiàn)了建筑固廢的材料分類、算量,并基于該數(shù)據(jù),對各類固廢的處置方案的相應(yīng)成本進行了詳細估算。該方法能夠為工程承包商的成本控制提供參考,也更有利于生產(chǎn)出高質(zhì)量的固廢再生產(chǎn)品。

表4 各類建筑固廢的處置費用計算Table 4 Calculation of disposal costs for all types of building solid waste

3 結(jié) 論

在分析了我國建筑拆除和垃圾管理現(xiàn)狀的背景下,提出了基于三維掃描和BIM的建筑物智能拆除與管理系統(tǒng),對建筑物拆除過程中的預(yù)調(diào)查、拆除計劃、固廢管理提供了智能化的解決方案。以我國西南地區(qū)某建筑物拆除項目為例,應(yīng)用該系統(tǒng)對該建筑物完成了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、BIM模型創(chuàng)建、拆除方案與計劃模擬、安全性和經(jīng)濟性評估?？傮w來說,該方案具有以下優(yōu)勢:

1)提出了一種基于三角錐形標靶的建筑結(jié)構(gòu)點位精確注冊方法,降低了圓形標靶的點云散射飄移問題,提高了建筑結(jié)構(gòu)多站點云的注冊精度;

2)采用開發(fā)的相關(guān)算法,計算了建筑物的幾何參數(shù),并據(jù)此重建了待拆結(jié)構(gòu)的完整BIM模型,降低了人工測量與調(diào)查時的安全威脅,并提高了數(shù)據(jù)的真實性、完整性和可視化程度;

3)BIM為建筑物拆除的方法選擇、順序確定和進度計劃提供了可靠的三維可視化工具,可以對計劃中的不合理單項進行順序調(diào)整、工期優(yōu)化,以獲得最安全、高效的拆除方案;

4)基于BIM可快速建立待拆建筑物FEM模型,對各拆除階段進行力學(xué)分析計算,確保擬定拆除方案的安全性;

5)BIM模型提供了精確的材料分類、數(shù)量統(tǒng)計功能,基于此可實現(xiàn)拆除后各類固廢的分類收集、處理、轉(zhuǎn)運、填埋等成本計算,為實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)保、資源最大化的固廢管理提供了更為精細化的數(shù)據(jù)。

本文提出的基于BIM的建筑物智能拆除方案,能夠提升其信息化、可視化程度,并為拆除方案制定和后續(xù)建筑固廢的處置提供精細化管理工具,有利于實現(xiàn)既有建筑的安全,提升建筑固廢的再生利用率,實現(xiàn)智能化、可持續(xù)的建筑拆除生命周期管理。