استفاده از BIM جهت کاهش خسارات زلزله در سازه

معرفی BIM

در ساخت‌وساز، مفهوم BIM یا سیستم مدل‌سازی اطلاعات ساختمان به عنوان رویکردی جدید در استناد سازی مبتنی بر مدل‌سازی اجزای ساختمانی به عنوان یک رویکرد نوین در سطح کشورهای توسعه یافته مطرح است.

فناوری BIM علاوه بر ایجاد ارتباط هوشمند بین اجزاء مختلف طراحی، امکان بررسی سناریوهای مختلف طراحی را برای تمام گروه‌ها، به صورت مجازی می‌دهد. به عنوان مثال یکی از سناریوها، می‌تواند چرخش مدل ساختمان و بررسی تغییرات میزان مصرف انرژی آن، بر حسب زوایای مختلف تابش خورشید باشد.

کاربرد BIM در زمان وقوع زلزله

همواره باید سعی کرد علل بروز حوادث را به دقیق‌ترین روش، شناسایی و با تدابیر و راهکارهای ایمن میزان وقوع آن‌ها را در کارهای بعدی تقلیل داد و یا از بین برد.

درواقع فروریختن ساختمان‌ها مهم‌ترین علل مستقیم مرگ و آسیب در زمین‌لرزه‌ها در مناطق شهری می‌باشد. که در این زمینه به بررسی دو مورد پیشگیری قبل از زلزله و سپس فعالیت‌های بعد از رویداد پرداختیم.

بررسی جنبه‌های اهمیت استفاده از BIM قبل از وقوع رویداد

با بررسی موردی زلزله کرمانشاه به سه نوع خرابی برخوردیم :

• فروریزش سازه‌های قدیمی غیر مهندسی ساز که الزامات لرزه‌ای در زمان ساخت آن‌ها به صورت آنچه در آیین‌نامه‌ها امروزی دیده می‌شود، وجود نداشته است.
• خرابی میان قاب‌ها و نمای معماری در سازه‌های جدید که با وجود الزامات آیین‌نامه‌ای، قصور در اجرا و یا طراحی صورت گرفته است.
• خرابی اجزای سازه‌ای و غیر سازه‌ای در سازه‌های با اهمیت زیاد که منجر شده است تا ساختمان از سطح عملکرد مورد انتظار خارج گردد.

فروریزش برخی ساختمان‌های قدیمی که در زمان ساخت خود از آیین‌نامه لرزه‌ای جامعی بهره‌مند نبوده‌اند، قابل پیش‌بینی بود زیرا با وجود اینکه آیین‌نامه‌های لرزه‌ای پس از زلزله‌های بزرگ دستخوش تغییر می‌شوند اما بهسازی سازه‌های موجود کمتر مورد توجه قرار می‌گیرد.

مدل‌سازی اطلاعات ساختمان پیش از ساخت برای سازه‌های جدید و پس از ساخت برای سازه‌های موجود باعث فراهم کردن بانک اطلاعاتی جامعی در خصوص وضعیت سازه‌های ساخته شده و در حال ساخت می‌شود که امکان نظارت مستمر و دائمی را میسر می‌کند. مدل‌سازی اطلاعات همچنین باعث می‌شود سازه‌های آسیب‌دیده در زلزله با کوچک‌ترین جزییات قابل مطالعه بوده و عیب‌یابی شوند.

با مدل‌سازی اطلاعات و راهکار BIM می‌توان تحلیل دقیق و درستی از علل آسیب سازه پس از زلزله داشت. BIM علاوه بر پیشگیری از خطای اجرایی، عیب‌یابی پس از آسیب را نیز میسر سازد.

دومین نوع خرابی‌ای که در زلزله کرمانشاه به صورت چشمگیری جلب توجه می‌کند، خرابی میان قاب‌ها و اجزای غیر سازه‌ای در بسیاری از سازه‌ها اعم از قدیمی و جدید است.

زلزله کرمانشاه نشان داد تغییرات آیین‌نامه لرزه‌ای به طور کلی در سازه‌های جدید موجب بهبود عملکرد لرزه‌ای سازه‌ها شده و آمار فروریزش ساختمان‌ها به طور کلی کاهش پیدا کرده است. با این حال تلفات انسانی ناشی از فروریختن میان قاب‌ها و آسیب اجزای غیر سازه‌ای نیز می‌تواند موجب خسارت‌های جانی و مالی عمده‌ای گردد.

با وجود سالم ماندن اسکلت سازه و عملکرد به نسبت قابل قبول در برابر نیروی زلزله، به علت اجرا نشدن مهار برای اجزای غیر سازه‌ای و میان قاب‌ها، نمای ساختمان به همراه دیوارهای میان قاب دچار آسیب جدی شده است. این امر اهمیت مدل‌سازی کوچک‌ترین اجزای ساختمان مانند نمای معماری، میان قاب‌ها، اتصالات میان این دو و تأسیسات ساختمان را نشان می‌دهد. با کمک روش مدل‌سازی اطلاعات ساختمان امکان مدل‌سازی اطلاعات تک‌تک اجزای سازه‌ای و غیر سازه‌ای وجود دارد که می‌تواند همگی را در آنالیز ساختمان در نظر بگیرد و پاسخ‌های واقعی سازه را به صورت خروجی قابل استفاده فراهم کند.

خرابی میان قاب‌ها به صورت خرابی خارج از صفحه  – زلزله کرمانشاه – ۲۱ آبان ۱۳۹۶

آنچه راهکار BIM می‌تواند در زمینه میان قاب‌ها و اجزای غیر سازه‌ای در اختیار مهندسان طراح قرار دهد این است که امکان مدل‌سازی و تحلیل و طراحی با در نظر گرفتن کوچک‌ترین جزییات امکان‌پذیر بوده و می‌تواند پاسخ‌های دقیقی را فراهم کند.

در پایان می‌توان خاطر نشان کرد که راهکار مدل‌سازی اطلاعات ساختمان علاوه بر امکان ایجاد تحلیل دقیق سازه و طراحی آن با کوچک‌ترین جزییات، امکان ایجاد نقشه‌های اجرایی دقیق را فراهم می‌کند تا در فرآیند اجرا اشتباهات را به حداقل برساند.

بررسی جنبه‌های اهمیت استفاده از BIM پس از وقوع رویداد

جهت مدل‌سازی مجدد سازه در نرم افزارهای تحلیل سازه و المان محدود به علت فقدان اطلاعات سازه‌های فروریزش کرده، با محدودیت اطلاعات مواجه هستیم. با مدل‌سازی اطلاعات و راهکار BIM می‌توان تحلیل دقیق و درستی از علل آسیب سازه پس از زلزله داشت. BIM می‌تواند از ریزترین جزییات همچون اجزای تشکیل‌دهنده یک لایه دیوار تا المان‌های بزرگ سازه‌ای را مدل‌سازی کند و علاوه بر پیشگیری از خطای اجرایی، عیب‌یابی پس از آسیب را نیز میسر سازد. جستجو و نجات با مشکل یافتن مکان قربانیان به مانع برمی‌خورد. بازماندگان تنها در صورتی نجات می‌یابند که عملیات جستجو و نجات (SAR) سریع و کارآمد باشند.

اطلاعات مربوط به عناصر ساختاری و سایر عناصر ساختمان بزرگ، اندازه اصلی آن‌ها و مکان‌های جدید در ساختمان آسیب‌دیده، به تیم‌های SAR کمک می‌کند و به این ترتیب ریسک را کاهش داده و فرایند جستجو را تسریع می‌کند.

اکثر روش‌های موجود برای ارزیابی آسیب خودکار، طبقه‌بندی گسترده‌ای از وضعیت آسیب‌دیده کل ساختمان‌ها را تنها با اطلاعات عمومی توصیفی درباره شرایط ممکن در یک ساختمان ارائه می‌دهند. برای مثال، برنامه‌های کاربردی اسکن لیزر برای زمین‌لرزه‌ها می‌توانند مکان بندی و طبقه‌بندی نوع آسیب هر ساختمان را تعیین کنند. با این حال، نمی‌توانند چیزی درباره اجزای داخلی آشکار کنند.

با توجه به این محدودیت‌ها، به استفاده از فناوری BIM و ابزارهای شبیه‌سازی برای تخمین الگوهای سقوط می‌پردازند تا به سرعت اطلاعات مربوط به هندسه داخلی ساختمان آسیب‌دیده و محتویات آن را به تیم SAR ارائه دهند. روش پیشنهادی به دو منبع اطلاعات متکی است:

1. تعاریف دقیق از وضعیت یک ساختمان قبل از یک رویداد زلزله که در مدل BIM ساخته شده است
2. یک مدل BIM جزئی از اجزای بیرونی قابل مشاهده آسیب دیده ساختمان.

هدف، نشان دادن روش پیشنهادی و قابلیت آن است که بستگی به پردازش سریع اطلاعات پس از رویداد زلزله دارد. اطلاعات شامل الگوهای احتمالی سقوط است که قبل از وقوع زلزله تولید می‌شوند. پس از رویداد، اطلاعات برای انتخاب شبیه‌ترین الگوی مورد بررسی و فیلتر قرار می‌گیرد.

پس از یک زمین‌لرزه در یک منطقه شهری، تعداد و مکان ساختمان‌های فروپاشی، وضعیت پزشکی بازماندگان زیر آوار ناشناخته است، برای بازیابی کارآمد فاجعه، تیم SAR نیاز به اطلاعات در مورد مکان و وضعیت ساختمان‌های آسیب‌دیده یا به طور کامل یا نیمه فرو ریخته در منطقه آسیب‌دیده دارد.

Schweier یک سیستم طبقه‌بندی ساختمان‌های فروریخته را بر اساس تجزیه و تحلیل مجموعه بزرگ داده‌هایی از گزارشات و عکس‌های خسارت پس از زلزله ایجاد کردند. این “کاتالوگ آسیب” شامل ده نوع مختلف آسیب انواع کل ساختمان‌ها است که معمولاً پس از زلزله رخ می‌دهد. هر نوع آسیب دارای ویژگی‌های خاص هندسی است که می‌تواند با مقایسه داده‌های پیشین مقیاس و داده‌های اسکن پس از رویداد شناسایی شود. نوع آسیب هر ساختمان آسیب‌دیده می‌تواند تعیین شود.

دستگاه‌های الکترونیکی مانند دوربین‌های جستجو کوچک برای نفوذ به فضاهای خالی برای ارائه اطلاعات در مورد قربانیان به دام افتاده استفاده می‌شوند، اما اغلب دید محدودی دارند. سیستم‌های مادون قرمز (IR) نیز جهت شناسایی منابع گرما استفاده می‌شوند. هرچند اطلاعاتی که آن‌ها ارائه می‌دهند اغلب ناشی از منابع گرما غیر از قربانیان انسان است. دستگاه‌های صوتی نیز استفاده می‌شوند، اما استفاده از آن‌ها در سایت‌های جستجوی پر سر و صدا بسیار محدود است. یکی دیگر از ضعف‌ها این است که ناتوانی چنین دستگاه‌هایی برای یافتن قربانیان بیهوش است. همچنین استفاده از سگ‌های جستجوگر که مجهز به ابزارهای الکترونیکی برای پیدا کردن بازماندگان (به دام افتاده یا بیهوش) و بدن‌ها می‌شوند. اما روند جستجو آهسته است. لازم به ذکر است که تعداد سگ‌های آموزش داده‌شده برای جستجو محدود است و روند آموزش طولانی است.

هنگام برخورد با یک ساختمان مجزا، اطلاعات اسکن لیزر دیگر کافی نیست. مدل BIM بسیار مناسب برای ارائه اطلاعات در مورد اجزای ساختاری و غیر ساختاری ساختمان مربوطه است. مدل BIM شامل اطلاعات نه تنها در مورد هندسه، بلکه در مورد خواص عناصر و روابط فضایی آن‌ها است.

همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، این روش نیاز به ورود اسکن‌های لیزری زمینی از ساختمان آسیب دیده، مدل ساختمانی به عنوان ساخته شده و ورود کاربر را برای ثبت اولیه نیاز دارد.

نجات کارآمد افراد به دام افتاده، در میان عوامل دیگر، به توانایی نجات‌دهندگان برای حرکت در داخل ساختمان آسیب دیده بستگی دارد. به همین دلیل، مطالعات اضطراری پاسخ‌های متعدد به توسعه سیستم‌های ناوبری داخلی متمرکز شده‌اند، که برخی از آن‌ها با مدل‌های BIM هماهنگ شده‌اند.

با استفاده از مدل BIM نه تنها می‌تواند مکان قرارگیری مردم را شناسایی کند، بلکه می‌تواند دسترسی به این فضاها را نیز ارزیابی کند.

این روش از مدل پیش ساخته BIM ساختمان در یک موتور فروپاشی مناسب برای ایجاد الگوهای مختلف آسیب احتمالی ساختمان استفاده می‌کند و پایگاه داده گسترده‌ای را قبل از وقوع زلزله ایجاد می‌کند. پس از زلزله، تیم SAR ساختمان مورد نظر را برای مقابله و محاسبه BIM اسکن می‌کنند.

هر الگوی آسیب احتمالی از پایگاه داده پس از آن تجزیه و تحلیل و با BIM خارجی به عنوان آسیب دیده مقایسه شده است. محاسبه مجموعه‌ای از مدل‌های فروپاشی قبل از زلزله و الگوریتم انتخاب پس از زلزله، قلب این کار است. با توجه به شکل زیر، تمام کار می‌تواند در قالب سه مرحله بیان شود.

مرحله 1: مدل BIM ساختمان قبل از فروپاشی به موتور فروپاشی وارد می‌شود. نرم‌افزار موتور سقوط برای تخمین رفتار ساختمان در 3-D، بر اساس توپولوژی ساختاری، رفتار فیزیکی اجزای ساختاری، رفتار مفاصل، تعامل سازه خاک و طیف وسیعی از پارامترهای زلزله مورد انتظار کمک می‌گیرد. به منظور ایجاد مجموعه‌ای از الگوهای مختلف، یک سری از حرکات پارامتری متفاوت زمین به مدل اعمال می‌شود تا مجموعه‌ای از مکانیسم‌های سقوط احتمالی را به ارمغان بیاورد.

مرحله 2: اسکن لیزر زمین پس از آسیب دیدن ساختمان انجام می‌شود. داده‌های اسکن شده تجزیه و تحلیل شده و یک مدل BIM بعد از رویداد تولید می‌شود. اشیاء در این مدل نشان‌دهنده جابجایی واقعی عناصر بیرونی ساختمان آسیب‌دیده است.

مرحله 3: با استفاده از تطبیق مدل BIM بیرونی پس از زلزله، حالتی که تقریباً توصیف الگو واقعی سقوط ساختمان است، از مجموعه‌ای از الگوها انتخاب می‌شود. هر الگوی پیشنهادی که در مرحله 1 ایجاد شده است، الگوی آسیب احتمالی کل ساختمان، از جمله عناصر بیرونی و داخلی را توصیف می‌کند. هر الگو، با استفاده از یک الگوریتم ریاضی مناسب، برای ارزیابی کمی از درجه شباهت به مدل بیرونی واقعی، ارزیابی می‌شود.

مرحله 4: همان‌طور که عملیات SAR در ساختمان انجام می‌شود، اطلاعات جدید را می‌توان از دوربین‌ها توسط اعضای تیم بدست آورد. با استفاده از این اطلاعات اضافی، مراحل 2 و 3 تکرار کرده و یک حالت را که بیشتر با شرایط واقعی مطابقت دارد، انتخاب می‌شود.

با توجه به توضیحات، کاربرد BIM در این مورد، شناسایی الگوی احتمالی تخریب قبل از زلزله است که به تصحیح خطاهای احتمالی کمک کرده و پس از زلزله نیز به تیم نجات برای جستجو و جست‌و‌جو در محل‌های ریزش و فضاهای قابل تردد کمک می‌کند.

منابع

Tanya Bloch, Rafael Sacks, Oded Rabinovitch, “Interior models of earthquake damaged buildings for search and rescue’, Advanced Engineering Informatics ,2016

سهند مردی، بررسی زلزله کرمانشاه و اثرات فقدان BIM قبل و پس از زمین‌لرزه قسمت اول و دوم، وبلاگ ایران بیم/https://iranbim.com.

R. Zeibak-Shini, L. Ma, R. Sacks, Mapping the structural frame of a damaged reinforced concrete building using as-damaged scans and as-built BIM, in: TU Eindhoven, Eindhoven, Netherlands, 2015