劉宇軒

(中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151)

0 引言

BIM概念起源于Charles Eastman博士的項(xiàng)目，主要發(fā)起人是杰里·萊瑟林，目的是為將來(lái)的決策提供可靠依據(jù)[1]。預(yù)制房屋建筑(PHC)具有清潔安全的工作環(huán)境、良好的質(zhì)量，但因碎片化、不連續(xù)性、操作性差、實(shí)時(shí)信息可用性差等缺點(diǎn)對(duì)預(yù)制房屋施工進(jìn)度產(chǎn)生不利影響。因此，Clyde等[2]確定并分析可能對(duì)PHC進(jìn)度績(jī)效產(chǎn)生影響的進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)因素，然后開(kāi)發(fā)具有射頻識(shí)別設(shè)備(RFID)功能的BIM平臺(tái)，以處理關(guān)鍵進(jìn)度因素，為不同利益相關(guān)者提供服務(wù)、工具和機(jī)制，提高PHC管理中日常運(yùn)營(yíng)和決策的成功率，從而減輕進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)，提高PHC進(jìn)度績(jī)效，確保項(xiàng)目及時(shí)交付。BIM工具很難集成材料庫(kù)存中發(fā)現(xiàn)的元件數(shù)字信息，并不能真正適應(yīng)復(fù)雜元素的建模缺陷，Dautremont等[3]提出BIM和參數(shù)化工具間的工作流程。Gang[4]提出在BIM技術(shù)支持下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的方法，滿足預(yù)制構(gòu)件系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展要求。以預(yù)制構(gòu)件庫(kù)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)預(yù)制構(gòu)件庫(kù)進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，形成整體結(jié)構(gòu)的BIM模型，并對(duì)BIM模型進(jìn)行分析審查、碰撞檢查等，根據(jù)提出的文件加密算法對(duì)文件進(jìn)行加密，最終形成BIM模型設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)預(yù)制結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、運(yùn)輸和組裝。Aleksandrov等[5]提出用于構(gòu)建和處理BIM、GIS、點(diǎn)云和傳感器獲取時(shí)間序列數(shù)據(jù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并證明作為區(qū)域信息模型(PIM)的一部分，BIM-GIS傳感器集成方法是可行的。系統(tǒng)架構(gòu)允許靈活構(gòu)造和操作不同空間數(shù)據(jù)，以管理三維空間和非空間數(shù)據(jù)。以能源與環(huán)境設(shè)計(jì)(LEED)中的評(píng)級(jí)系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)層為例，研究按照LEED評(píng)級(jí)系統(tǒng)使用BIM的配置，并制作易于操作的評(píng)估模板。張跟柱等[6]在肥東大劇院項(xiàng)目中建立3D參數(shù)化BIM模型，全面顯示建筑模型，優(yōu)化建筑區(qū)域分割和建設(shè)道路布局。郝會(huì)杰等[7]采用BIM軟件結(jié)合模板規(guī)范，解決三維結(jié)構(gòu)模型不夠精確、封閉轉(zhuǎn)換層模板數(shù)量難以精確測(cè)量、復(fù)雜外模設(shè)計(jì)難以精細(xì)化等問(wèn)題。周桂云[8]以鹽城某酒店辦公樓模板設(shè)計(jì)為背景，利用BIM技術(shù)對(duì)模板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。張鐸等[9]利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)協(xié)作，運(yùn)用案例研究建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)專業(yè)按重要性進(jìn)行排序，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，解決建筑工程多專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題。高翔等[10]應(yīng)用BIM技術(shù)解決成都露天音樂(lè)廣場(chǎng)主舞臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)工程節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜、構(gòu)件類型多樣、結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特、施工難度大等問(wèn)題。

1 超高層建筑BIM技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)超高層建筑具備奇特的形狀及豐富的環(huán)保功能時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程中常出現(xiàn)設(shè)計(jì)效率低、設(shè)計(jì)繁瑣、管理混亂等問(wèn)題，將BIM技術(shù)應(yīng)用于高層建筑設(shè)計(jì)中，是解決這些問(wèn)題的途徑[11-12]。

1.1 工程概況

中安創(chuàng)谷科技園項(xiàng)目總建筑面積為112 821m2， 其中地上面積89 334m2，地下面積23 487m2，該科技園總平面如圖1所示。 主辦公樓40層頂標(biāo)高為176.700m，最高點(diǎn)196.800m，為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。

圖1 科技園總平面

1.2 鋼結(jié)構(gòu)BIM深化設(shè)計(jì)

由于超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在連接復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)眾多等問(wèn)題，且二維CAD圖紙不能明確表示鋼結(jié)構(gòu)部件的尺寸信息和連接方法，所以在制造、加工鋼結(jié)構(gòu)部件時(shí)易發(fā)生錯(cuò)誤。Tekla Structures基于BIM模型，可用于工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理，整合從招標(biāo)、圖紙深化、制造到設(shè)置的整個(gè)工作流程，所以鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)采用Tekla Structures能較好克服鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在二維CAD中存在的問(wèn)題。

該項(xiàng)目屋頂鋼結(jié)構(gòu)使用Tekla Structures進(jìn)行3D立體建模，螺栓和桿件通過(guò)3D實(shí)體建模輸入整個(gè)屋頂鋼結(jié)構(gòu)模型中，螺栓如圖2a所示，結(jié)構(gòu)柱腳三維模型如圖2b所示，可直觀反映鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形狀，利用Tekla Structures的圖紙編輯功能，可發(fā)送滿足要求的圖紙。在繪制鋼結(jié)構(gòu)圖紙過(guò)程中，由于后期存在很多設(shè)計(jì)變更，需不斷更新模型和圖紙，Tekla Structures可改善圖紙變更后的質(zhì)量，將錯(cuò)誤率降到最低。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)螺栓及柱腳

2 有限元分析

利用Revit建立屋頂鋼結(jié)構(gòu)三維模型，結(jié)合MIDAS Gen，對(duì)屋頂鋼結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行有限元分析。

2.1 有限元模型

1)鋼結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入MIDAS Gen 將Revit建立的鋼結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入MIDAS Gen中，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

2)荷載種類 屋頂鋼結(jié)構(gòu)承受的恒荷載D為1.5kN/m2，基本雪壓S為0.60kN/m2，基本風(fēng)壓L為0.35kN/m2，活荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4，組合系數(shù)為0.7，靜力荷載組合工況如下：①1.35D+1.4×0.7L；②1.2D+1.4L；③1.0D+1.4L；④1.35D+1.4×0.7×(L+S)；⑤1.2D+1.4×(L+S)；⑥1.0D+1.4×(L+S)。

3)邊界條件 實(shí)際建模中，不同柱腳支座是通過(guò)解除約束建立的，該鋼結(jié)構(gòu)部件間的節(jié)點(diǎn)均為焊接連接方式，由于實(shí)際節(jié)點(diǎn)傳遞彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)比軸力小，所以通過(guò)焊接節(jié)點(diǎn)模擬鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況。模型邊界如圖3所示。

圖3 模型邊界

2.2 靜力分析

評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)安全性時(shí)，首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析。利用MIDAS Gen對(duì)屋頂鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析計(jì)算后，可獲得結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力比、應(yīng)力及最大豎向變形，根據(jù)結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比圖可得，桿件應(yīng)力比全部<1，所以屋頂鋼結(jié)構(gòu)桿件滿足規(guī)范要求；由結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力圖可得，在包絡(luò)負(fù)荷條件下，結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力為157MPa，小于屈服應(yīng)力(345MPa)。根據(jù)結(jié)構(gòu)最大豎向變形可知，屋頂鋼結(jié)構(gòu)撓度最大值為6.5mm，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)桿件跨度為12m，規(guī)范要求結(jié)構(gòu)桿件撓度不超過(guò)最小跨度的1/250，即48mm，因此屋頂鋼結(jié)構(gòu)桿件最大豎向變形滿足要求。

2.3 動(dòng)力分析

2.3.1模態(tài)分析

利用MIDAS Gen對(duì)屋頂鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的前12階模態(tài)頻率與周期，如圖4所示。由圖4可得，隨屋頂鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)階數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)自振頻率不斷增大，而屋頂鋼結(jié)構(gòu)周期卻不斷變小。屋頂鋼結(jié)構(gòu)前3階模態(tài)頻率圖中，第1，2，3階模態(tài)主要為x向平移、y向平移及以z軸為中心的旋轉(zhuǎn)。選取第1階模態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)第一平動(dòng)自振周期T1為2.628 6s，第一扭轉(zhuǎn)自振周期Tt為1.856 2s，模態(tài)周期比Tt/T1為0.706，小于規(guī)范要求的0.85，故屋頂鋼結(jié)構(gòu)周期比符合規(guī)范。

圖4 結(jié)構(gòu)前12階頻率與周期

2.3.2反應(yīng)譜分析

根據(jù)振型分解法，結(jié)構(gòu)在任意瞬間所受的地震作用是該瞬間結(jié)構(gòu)所受各振型的地震作用和。本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，特征周期為0.35s，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02。本工程水平地震作用僅考慮x，y向工況，即Ex,Ey。

通過(guò)MIDAS Gen對(duì)屋頂鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析，得到結(jié)構(gòu)在x，y向地震作用下的總位移云圖及總應(yīng)力云圖。從云圖中提取結(jié)構(gòu)在x，y向地震作用下的位移和應(yīng)力，如表1所示。由表1可知，屋頂鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為174MPa，小于屈服應(yīng)力345MPa；屋頂鋼結(jié)構(gòu)最大位移為4.1mm，小于規(guī)范要求L/250的48mm。由此可得屋頂鋼結(jié)構(gòu)在x，y向地震作用下的應(yīng)力和位移均滿足要求。

表1 結(jié)構(gòu)位移及單元應(yīng)力的最大值

屋頂鋼結(jié)構(gòu)在荷載組合工況⑤時(shí)的總位移與總應(yīng)力云圖中，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為192MPa，小于屈服應(yīng)力。由總應(yīng)力云圖可知，結(jié)構(gòu)最大位移為14.5mm，小于規(guī)范要求的48mm，所以屋頂鋼結(jié)構(gòu)在荷載組合工況下的位移與應(yīng)力滿足要求。

綜上可得，屋頂鋼結(jié)構(gòu)在動(dòng)力分析中均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，利用Tekla Structures對(duì)屋頂鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行立體建模，該立體模型包含鋼結(jié)構(gòu)所有信息，可實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)精確出圖、結(jié)構(gòu)桿件統(tǒng)計(jì)，提高鋼結(jié)構(gòu)出圖效率及出圖精度。

2)通過(guò)Revit建立屋頂鋼結(jié)構(gòu)三維模型，將屋頂鋼結(jié)構(gòu)三維模型導(dǎo)入MIDAS Gen，利用MIDAS Gen對(duì)屋頂鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析，屋頂鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為157MPa，豎向最大位移為6.5mm。利用MIDAS Gen對(duì)屋頂鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，模態(tài)分析中的第1階模態(tài)周期比為0.706，在反應(yīng)譜分析中，x，y向地震作用下的最大應(yīng)力為174MPa，最大位移為4.1mm。屋頂鋼結(jié)構(gòu)在各種荷載組合工況下的最大應(yīng)力為192MPa，最大位移為14.5mm。通過(guò)對(duì)比結(jié)果與規(guī)范，滿足規(guī)范要求，由此可得基于BIM的鋼結(jié)構(gòu)有限元分析具有實(shí)用性。