胡軼敏 洪兵鋒 黃維燕 蔣 韜

(1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311231; 2.浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司,浙江 杭州 310052;3.浙江東南建筑設(shè)計有限公司,浙江 杭州 310012; 4.杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司,浙江 杭州 311232)

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基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點模型的建立★

胡軼敏1洪兵鋒2黃維燕3蔣 韜4

(1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311231; 2.浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司,浙江 杭州 310052;3.浙江東南建筑設(shè)計有限公司,浙江 杭州 310012; 4.杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司,浙江 杭州 311232)

分析了門式剛架、多高層鋼結(jié)構(gòu)柱腳的主要節(jié)點形式，運用Tekla structures與Revit兩款軟件，建立了節(jié)點模型，探討了軟件在鋼結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點建模過程中的優(yōu)勢，進(jìn)而實現(xiàn)基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計管理。

鋼結(jié)構(gòu)，柱腳節(jié)點，BIM技術(shù)，深化設(shè)計

1 概述

鋼結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點設(shè)計的合理性直接影響鋼結(jié)構(gòu)的可靠性，課題組通過對門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)及多高層鋼結(jié)構(gòu)中常見柱腳節(jié)點的設(shè)計分析，運用Tekla structures和Revit軟件進(jìn)行建模，分析鋼柱腳節(jié)點建模的各自優(yōu)勢，指導(dǎo)設(shè)計團(tuán)隊實現(xiàn)基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計管理。

2 門式剛架柱腳的設(shè)計要點

門式剛架柱腳多數(shù)按鉸接支承柱腳設(shè)計，通常采用平板支座，設(shè)一對或兩對錨栓。當(dāng)用于工業(yè)廠房且有5 t以上橋式吊車時宜將柱腳設(shè)計成剛接柱腳[1]。受力特點：柱腳處存在較小軸力和較大剪力，剛接柱腳還存在較大彎矩。按鉸接柱腳設(shè)計時剪力由底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力或抗剪鍵來承擔(dān)。按剛接柱腳設(shè)計時，柱腳承擔(dān)剪力、軸力和彎矩。設(shè)計建議：高勇在《門式輕鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計》[2]，張宜輝在《淺談輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架的設(shè)計體會》[3]的文章中均對門式剛架柱腳設(shè)計提出了建議，選用鉸接還是剛接柱腳，應(yīng)根據(jù)房屋高度、風(fēng)載大小、吊車噸位、地質(zhì)條件等情況綜合考慮。

3 多高層鋼結(jié)構(gòu)柱腳的設(shè)計要點

多高層鋼結(jié)構(gòu)的柱腳形式復(fù)雜，鉸接柱腳設(shè)計時主要考慮軸力和剪力。剛接柱腳設(shè)計時考慮軸力、剪力和彎矩，形式有埋入式、外包式、支承式三類。

3.1 鉸接柱腳

受力特點：鉸接柱腳只傳遞軸力和剪力。軸力通過柱身和底板傳至基礎(chǔ)，剪力由底板與混凝土間的摩擦力承擔(dān)，底板與混凝土間的摩擦力有限時，設(shè)置抗剪鍵來承擔(dān)剪力。

構(gòu)造要求：鉸接柱腳有軸承式、平板式、帶靴梁三種。錨栓直徑設(shè)置20 mm～25 mm，數(shù)目為2個或4個，端部設(shè)置彎鉤、錨板或錨梁，錨固長度不應(yīng)小于25d。

3.2 剛接柱腳

剛接柱腳按構(gòu)造形式分為埋入式、外包式、支承式三種。埋入式和外包式柱腳抗震性能較好，是高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中常用形式，如圖1所示為埋入式和外包式柱腳。支承式柱腳則較多應(yīng)用于多層鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

1)埋入式柱腳。受力特點：鋼柱腳以一定深度埋入基礎(chǔ)，埋入的鋼柱表面設(shè)置栓釘。栓釘對柱腳受力的作用不大，柱腳內(nèi)力傳遞主要依靠混凝土對鋼柱表面的承壓，壓力由柱腳底板傳給基礎(chǔ)，彎矩產(chǎn)生的軸向拉力由底板伸出部分傳給混凝土或由錨栓傳給基礎(chǔ)。埋置深度：埋入式柱腳受力的支配因素是埋置深度。JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[4]中指出，H型鋼柱的埋置深度不應(yīng)小于鋼柱截面高度的2倍。箱型柱埋置深度不應(yīng)小于鋼柱截面長邊的2.5倍，圓管柱埋置深度不應(yīng)小于柱外徑的3倍。構(gòu)造要求：埋入部分應(yīng)配置直徑不小于10 mm，間距不大于250 mm的箍筋。柱腳底板按抗彎連接設(shè)計布置錨栓，錨栓埋深不應(yīng)小于25d，錨栓底部設(shè)錨板或彎鉤。

2)外包式柱腳。受力特點：外包式柱腳中栓釘起傳力作用，彎矩和剪力由外包鋼筋混凝土和鋼柱共同承擔(dān)，軸力通過底板傳給基礎(chǔ)，拉力通過底板伸出邊緣、錨栓及外包鋼筋混凝土傳遞給基礎(chǔ)。包腳高度：外包式柱腳受力支配因素是包腳高度，JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[4]中指出，外包的鋼筋混凝土高度不應(yīng)小于鋼柱截面高度的2.5倍。構(gòu)造要求：包腳處縱向主筋配置應(yīng)符合最小含鋼率要求，且不宜小于4根22的三級鋼筋，頂部縱筋處應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)箍筋。

3)支承式柱腳。支承式柱腳主要由底板、加勁肋、錨栓、支承托座等組成，如圖2所示為支承式柱腳。受力特點：豎向軸力經(jīng)柱身和底板傳給基礎(chǔ)，剪力由底板與混凝土間摩擦力傳遞，剪力過大時設(shè)置抗剪鍵。彎矩由底板傳遞給基礎(chǔ)，通過基礎(chǔ)混凝土承壓來抵抗，彎矩產(chǎn)生的拉力通過錨栓受拉來抵抗。構(gòu)造要求：柱腳底板厚度不應(yīng)小于柱子較厚板件的厚度，且不宜小于30 mm，底板長寬根據(jù)柱子截面尺寸和錨栓設(shè)置的構(gòu)造進(jìn)行確定。

4 BIM建模軟件的比較

鋼柱腳節(jié)點建模的思路：運用核心建模軟件Autodesk Revit和Tekla structures建立模型，比較軟件各自的優(yōu)勢，將建模結(jié)果反饋回設(shè)計軟件，輔助設(shè)計人員完成項目的深化設(shè)計。

4.1 Tekla structures的主要功能及建模優(yōu)勢

Tekla structures的主要功能包括3D模型建立、結(jié)構(gòu)分析、細(xì)部設(shè)計、材料表生成。3D模型中包含設(shè)計、制造、安裝的信息，圖形與報告都能整合在模型中形成輸出文件。Tekla structures軟件涵蓋結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件加工、施工安裝的信息。軟件分單用戶和多用戶版本，便于多人參與建模，交流模型包括主模型和工作模型，多用戶模式下工作模型信息會反饋到主模型中進(jìn)行修改。

4.2 Revit的主要功能及建模優(yōu)勢

Revit系列軟件包含Revit Architecture,Revit Structure,Revit MEP，即建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電，通過Revit創(chuàng)建建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電的模型，通過模型生成圖紙、表格、工程量的清單。基于同一平臺創(chuàng)建的模型，設(shè)計變更時只需修改模型，Revit會自動更新信息，通過軟件實現(xiàn)項目的信息互傳，能同時查看三維圖、平面圖、剖面圖、統(tǒng)計表，Revit軟件創(chuàng)建的三維模型可通過插件或其他軟件，如3D max,Tekla,Archicad等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互傳。

5 鋼結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點的模型實現(xiàn)

5.1 運用Tekla structures建立柱腳節(jié)點模型

柱腳建模的正確率是建筑整體模型建立的關(guān)鍵。通過Tekla structures建立的模型導(dǎo)入設(shè)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，與其他專業(yè)模型進(jìn)行碰撞校核，可提高制造與安裝的準(zhǔn)確性。通過軟件能將柱腳部件與基礎(chǔ)鋼筋的關(guān)系清晰地呈現(xiàn)出來，提高柱腳安裝的合理性，提前防止鋼筋與底板產(chǎn)生碰撞、底板錨栓孔位偏差、錨栓位置偏離等情況。如圖3所示為運用Tekla structures軟件建立的柱腳節(jié)點模型。

5.2 運用Revit建立柱腳節(jié)點模型

運用Revit進(jìn)行柱腳節(jié)點的模型創(chuàng)建，按照參數(shù)化的思路建立柱腳節(jié)點族。參數(shù)化是指創(chuàng)建族的同時，通過參照平面、參照線、參數(shù)公式，輸入具體的數(shù)據(jù)庫，使構(gòu)件按構(gòu)造要求進(jìn)行協(xié)同變化。支承式柱腳的部件包括H型鋼柱、箱型截面柱、圓鋼管柱、方鋼管柱、十字型截面柱、柱腳底板、靴梁、加勁肋、錨栓、錨栓支承托座、螺母、螺母墊板等。建模時盡量減少族的參數(shù)，將柱腳底板和鋼柱模型作為母族，錨栓單獨建立子族，在母族中添加子族的位

置參數(shù)形成柱腳節(jié)點模型。如圖4所示為運用Revit軟件建立的支承式柱腳節(jié)點模型。

埋入式、外包式柱腳的鋼構(gòu)件與基礎(chǔ)相連，根據(jù)基礎(chǔ)外部尺寸調(diào)整鋼筋的位置，型鋼柱腳節(jié)點建立完成后插入鋼筋，建模過程將中心參數(shù)與各構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，選擇中心參數(shù)控制其余參數(shù)。圖5為運用Revit軟件建立的埋入式和外包式鋼柱腳模型。

6 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點是鋼結(jié)構(gòu)建筑中的核心節(jié)點，本文通過對門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)、多高層鋼結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點的設(shè)計分析，運用基于BIM技術(shù)的Tekla structures,Revit這兩款軟件建立模型，分析軟件在建模過程中各自優(yōu)勢，將柱腳模型反饋回設(shè)計軟件，指導(dǎo)設(shè)計人員實現(xiàn)基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計管理。

[1] CECS 102:2002,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 高 勇,馬宏星,王俊敏，等.門式輕鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計[J].西部探礦工程,2009,21(3):159-160.

[3] 張宜輝.淺談輕鋼結(jié)構(gòu)門式鋼架的設(shè)計體會[J].四川建材,2011,37(5):36-37.

[4] JGJ 99—2015,高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

The establishment of steel structure column base model by BIM★

Hu Yimin1Hong Bingfeng2Huang Weiyan3Jiang Tao4

1.ZhejiangCollegeofConstruction,Hangzhou311231,China;2.ZhejiangZhongnanSteelStructureCo.,Ltd,Hangzhou310052,China; 3.ZhejiangSoutheastArchitecturalDesignCo.,Ltd,Hangzhou310012,China; 4.HangxiaoSteelStructureCo.,Ltd,Hangzhou311232,China)

Design and analysis of the column base node form through the portal frame, and the column base node form of the multi-storey and high-rise steel structure. Using two software Tekla structures and Revit to build the column base model. Analyze the advantages of modeling process, to realize the design management based on BIM.

steel structure, column node, BIM technology, deepen design

1009-6825(2017)10-0038-02

2017-01-20

胡軼敏(1973- )，女，碩士，講師

TU391

A

★：浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳建設(shè)科研項目(2015K85)；浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教研教改項目(JGB201603)