陳小峰，周勁煒，李 強，劉向剛，康永君

(中國建筑西南設計研究院有限公司， 成都 610041)

1 工程概況

獨角獸島為全球首個以獨角獸企業(yè)孵化和培育為主體的產(chǎn)業(yè)載體，位于四川省成都市天府新區(qū)科學城片區(qū)。獨角獸島啟動區(qū)展廳項目位于獨角獸島北端，為一棟多層獨角獸島城市展廳建筑(圖1)，建筑造型突破常規(guī)，多重流線形曲面構建成了復雜的空間異形造型，立面和屋蓋采用獨特的空間自由曲面，在建筑物中部位置設置漏斗狀采光中庭，在屋面設置點狀星空透光玻璃，屋蓋和漏斗網(wǎng)格中筒室內空間結構桿件外露，空間視覺要求高，結構就是建筑形態(tài)本身。

圖1 項目建筑效果圖

建筑縱剖面圖見圖2。平面近似橢圓形，屋頂建筑外輪廓約73.5m×44.6m，建筑總面積12 205m2；地下1層，地上2層，各層層高6m，地下室建筑面積3 717m2，地上建筑面積8 488m2，屋蓋最高點高度為20.4m(以基頂作為±0.00標高)。主要功能包括展示大廳、媒體發(fā)布大廳、工程建設指揮部、辦公、會議室、停車場、設備機房等其他配套服務設施。

圖2 建筑縱剖面示意圖

建筑方案設計由英國扎哈·哈迪德公司完成，施工圖設計由中國建筑西南設計研究院有限公司承擔。項目主體及外立面建成后的實景照片如圖3所示，可以看出該項目建筑外觀效果完成度非常高。

圖3 項目實景圖

2 屋蓋建筑結構方案演變

前期建筑概念方案采用周邊四點支承方案，如圖4所示，整個屋蓋及墻面網(wǎng)格由四個支點和內部漏斗網(wǎng)格筒支承，屋蓋前端整體坡度緩平，整體懸挑較大，約25m。屋蓋大部分結構桿件室內外露，故外露部分不考慮雙層網(wǎng)格或桁架等結構形式，屋面及中部漏斗筒等外露部分均采用單層網(wǎng)格結構形式。

圖4 建筑概念方案雛形

根據(jù)建筑概念方案設計屋蓋結構初步方案雛形，如圖5所示，周圈采用弧形環(huán)梁，為單層網(wǎng)格提供支承。對建筑方案可行性行進行試算分析，根據(jù)結構靜力及模態(tài)分析結果，屋蓋懸挑端是整個結構變形最大的地方，單純的單層網(wǎng)格結構無法實現(xiàn)大懸挑，需增大屋蓋周邊曲線環(huán)梁剛度和網(wǎng)格截面尺寸以實現(xiàn)整個屋蓋結構承載力驗算及變形控制要求，同時環(huán)梁根部采用鋼桁架加腋的方式進一步地提高懸挑根部結構剛度和承載力。經(jīng)試算，環(huán)梁和屋面桿件截面尺寸均較大，結構經(jīng)濟性指標和建筑整體內部尺度控制效果均較為困難，視覺感官效果不理想。

圖5 屋蓋結構初步方案

針對上述問題，在方案深化階段，依據(jù)合理化設計的要求，經(jīng)過多輪試算和建筑方案深化反饋結果，最終在滿足建筑使用功能、美觀效果、空間尺度感、經(jīng)濟性等前提下，周邊環(huán)梁優(yōu)化為空間曲線立體桁架，同時外環(huán)桁架支承立柱增設至8根，以減小屋蓋前段懸挑跨度。外環(huán)曲線立體桁架支承屋面和墻面網(wǎng)格，同時為屋面單層網(wǎng)格提供較強邊界條件，整個屋蓋形成以漏斗狀網(wǎng)格筒+8根鋼管柱+外環(huán)曲線立體桁架+單層網(wǎng)格組成的多重復雜空間結構(圖6)。

圖6 屋蓋結構方案

3 結構體系

整體結構可分為外罩(由屋蓋、部分墻面及中部漏斗網(wǎng)格筒組成)和屋面以下內部主體結構兩部分。由于建筑內部有較多異形大空間、大跨度區(qū)域，下部主體結構采用鋼框架結構體系，鋼柱采用圓鋼管柱，鋼梁采用H型鋼梁，樓板采用現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板；二層外圍流線形曲面裙帶屋面為坡度較大的覆土種植屋面，因混凝土澆筑滑移而產(chǎn)生離析，故此部分采用鋼板樓板屋面。

考慮到本項目室內空間視覺效果，屋蓋、墻面及中部漏斗網(wǎng)格筒等結構外露部分采用桿件布置整齊簡潔、桿件截面相對統(tǒng)一單層網(wǎng)格結構，不外露的屋面懸挑部分和墻面采用剛度較大立體桁架。為明確結構體系以及減少中心漏斗網(wǎng)格筒截面尺寸，中部漏斗網(wǎng)格筒和內部樓層鋼結構部分相互獨立，僅支承周圈立體桁架的外圍8根鋼柱與二層樓層梁柱剛接相連，項目結構體系組成關系見圖7。

圖7 結構體系組成關系

4 屋蓋構件截面尺寸優(yōu)選

單層網(wǎng)格若采用圓管截面，圓管相貫節(jié)點構造簡單，桿件截面均勻，無方向性，但缺點是需增加較高支托連接幕墻，幕墻與結構表面距離較大，整體效果不夠簡潔通透。單層網(wǎng)格采用矩管，矩管截面剛度大且外表面平整，幕墻與結構表面距離大幅度減小，可實現(xiàn)建筑空間效果通透靈動，造型美觀的建筑效果；缺點是桿件較多時節(jié)點加工難度大、節(jié)點構造復雜。基于建筑方案多輪視覺效果對比，本工程外露部分單層網(wǎng)格需采用特窄翼緣焊接箱形截面。

為降低屋蓋幕墻建造成本，盡可能地保證幕墻可采用普通平面玻璃，網(wǎng)格采用了六根桿件相交三角形網(wǎng)格，同時方案要求桿件盡可能薄，幕墻與主體鋼結構的距離盡可能近。經(jīng)過多次試算、截面優(yōu)化，同時結合國內鋼結構加工制作能力，最終確定采用80mm寬特窄翼緣焊接矩管，此寬度和幕墻分割連接件寬度也一致。截面長邊沿建筑外表面的法線方向布置，能夠同時滿足建筑效果和結構穩(wěn)定的要求，優(yōu)選后的桿件截面尺寸分布如圖8所示。圖9為建成后的室內結構實景與建筑效果圖的對比?？梢钥闯稣麄€結構外露桿件輕盈通透，賦予建筑與結構之美感。

圖8 桿件截面尺寸分布圖

圖9 建成后室內結構實景與建筑效果圖對比

5 結構設計與分析

5.1 計算模型的建立

5.1.1 構件定位及方向

該工程桿件定位比較復雜，首先建立建筑幕墻外表皮模型，根據(jù)幕墻構造確定結構外表皮中心線與幕墻表面距離為220mm，由于屋面構造做法不同，在屋頂與墻面交接處一定范圍構造距離為220～300mm；然后通過GH參數(shù)化控制按每個節(jié)點相關6個面的法線合成矢量方向向內偏移出幕墻構造距離，得到結構桿件外表面中心控制曲線，而非傳統(tǒng)的桿件軸心中心線[1]；再將曲線有理化為直線，導入MIDAS Gen軟件中進行結構計算模型的建立，計算模型中通過指定桿件的插入點來考慮由此帶來的節(jié)點區(qū)桿件偏心問題[2]。通過GH二次開發(fā)參數(shù)化控制得到桿件截面空間向量，實現(xiàn)批量計算桿件局部坐標系，保證計算模型中每根桿件的局部坐標系與實際一致。

5.1.2 分析模型

在三維建模軟件RHINO中建立結構線模型并通過5.1.1節(jié)的方法計算得到各個桿件局部坐標系，導入MIDAS Gen軟件中得到有限元模型。采用MIDAS Gen軟件進行鋼結構設計計算，所有構件采用考慮剪切變形影響的Timoshenko梁單元來模擬。漏斗網(wǎng)格筒柱腳與基礎連接采用鉸接連接，8根鋼柱柱頂與立體桁架采用剛接，柱底與2層樓層鋼梁鋼柱剛接。

另外，為了進一步考察下部鋼結構剛度對上部鋼結構屋蓋受力狀態(tài)的影響，建立了整體分析模型，如圖10所示，其中樓板采用膜單元模擬。

圖10 整體分析模型

5.2 設計條件

(1)設計參數(shù)。設計使用年限期50年，結構設計安全等級二級，抗震設防類別標準設防類。

(2)抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組第三組，建筑場地類別Ⅱ類，場地特征周期0.45s，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[3](簡稱抗規(guī))的規(guī)定，大跨度結構在8，9度區(qū)時，應計算豎向地震作用，考慮到該結構大跨度的敏感性，屋蓋鋼結構結構計算中考慮了豎向地震作用。

(3)風荷載[4]?；撅L壓0.30kN/m2，考慮屋面鋼結構風荷載敏感性，選用100年一遇基本風壓0.35kN/m2，場地粗糙度類別B類。

(4)幕墻荷載

根據(jù)不同區(qū)域的幕墻做法分別將計算幕墻荷載施加到計算模型中，如表1所示。

幕墻荷載 表1

(5)活荷載。屋面活荷載取不上人屋面活荷載及雪荷載兩者較大值，為0.5kN/m2，為防止溢水孔堵塞而造成屋面結構超載，結構計算中考慮300mm深度的天溝的積水荷載，以活荷載形式加入模型進行計算分析。

(6)溫度作用。根據(jù)成都市的氣象條件及工程合攏時氣溫，本工程考慮結構整體溫差±25℃的作用。

5.3 結構分析主要結果

5.3.1 結構動力特征分析

在單體結構模型中對屋蓋支承鋼管柱柱底設置固端約束，2層(12m標高處)設置水平向彈性約束，剛度由下部結構樓層側向剛度計算得到，近似取75 000kN/m，抗彎剛度近似取與之相連的樓層鋼梁的抗彎剛度，即4EI/L，其中E為鋼梁彈性模量，I為鋼梁截面慣性矩，L為鋼梁桿件長度。考慮樓板對鋼梁剛度放大的作用，鋼梁剛度取1.6×104kN·m/m。

屋蓋單體模型和總裝模型前5階周期如表2所示。單體模型第1階振型為屋蓋Y向平動，第2階振型為屋蓋X向平動伴有局部豎向振動，第3階振型為屋蓋的扭轉伴有豎向局部振動；總裝模型第1階振型為屋蓋和下部結構Y向整體平動，第2階振型為屋蓋和下部結構X向整體平動，同時伴有屋蓋中部豎向局部Z向振動，第3階整體結構振型扭轉。

屋蓋單體模型和總裝模型結構自振周期 表2

綜合分析，前3階振型總裝模型與單體模型動力特征基本一致，總裝模型中屋蓋更多體現(xiàn)為隨下部結構共同振動；后續(xù)振型中，整體結構和單體模型動模態(tài)類似，多以局部豎向振動為主。從以上振型可以看出，結構扭轉周期比小于0.9，滿足抗規(guī)要求；結構水平周期和豎向周期都小于1s，結構整體剛度較大，整體性好。

5.3.2 結構位移分析

正常使用極限狀態(tài)荷載組合作用下屋蓋結構最大位移位于屋面跨度最大且較平緩區(qū)域的結構中部，屋蓋結構最大豎向位移如表3所示。由表3可以看出，最大豎向位移為42mm，其中恒荷載產(chǎn)生的豎向變形占83%，結構撓跨比約為1/640，滿足1/400的撓度限值[5]。同時，為避免在結構下?lián)隙鴮е屡潘涣鲿骋鹞菝娣e水，對變形較大的部位進行起拱，起拱值為恒荷載作用下的撓度，通過起拱消除一部分由于恒荷載引起的變形，起拱后屋面坡度接近原始位置，排水坡度趨于流暢(圖11)。

圖11 最大結構位移構件側視示意圖

屋蓋結構最大豎向位移及撓跨比 表3

屋蓋結構最大水平位移如表4所示。由表4可知，由于漏斗網(wǎng)格筒剛度較大且位于結構中部，在風荷載和雙向地震作用下最大水平位移和層間位移角均較小，支承屋蓋的鋼管柱在雙向地震作用下最大水平位移為1/550，滿足1/250的限值[5]要求。

屋蓋結構最大水平位移及層間位移角 表4

5.3.3 結構內力和應力分析

圖12為恒荷載作用下屋蓋單層網(wǎng)格與漏斗網(wǎng)格筒結構內力分布云圖。由圖可知，屋蓋坡度平滑區(qū)域徑向桿件近似呈梁式受力，中部正彎矩最大(最大值為68.7kN·m)，邊緣負彎矩最大(最大值為-245.9kN·m)，位于框架柱斜向支承點位置。屋蓋平緩區(qū)域徑向桿件主要受壓，但壓力較小，環(huán)向桿件主要受拉，拉力較大；漏斗網(wǎng)格筒頂部環(huán)向桿件受壓，最大壓力值為-560.3kN，出現(xiàn)在豎筒上部彎折處。

圖12 恒荷載作用下屋蓋單層網(wǎng)格與漏斗網(wǎng)格筒結構內力分布云圖

各工況包絡下結構受力形式與恒荷載作用下內力分部基本一致，最大彎矩為-327.0kN·m，位于屋蓋前端邊緣框架柱支承點處；軸力最大壓力值為684.6kN，出現(xiàn)在豎筒上部彎折處。

屋蓋單層網(wǎng)格和漏斗網(wǎng)格筒應力云圖如圖13所示。由圖可知，徑向桿件強軸(曲面平面外)以彎曲應力為主，環(huán)向桿件以軸向應力為主，故本工程屋蓋網(wǎng)格受力與典型的薄膜應力為主的單層網(wǎng)殼結構受力不同，部分徑向桿件彎曲應力占比較大，結構徑向桿件采用大高寬比的矩管比圓管截面受力更為合理。

圖13 屋蓋單層網(wǎng)格與漏斗網(wǎng)格筒應力云圖/MPa

支承屋蓋的8根外圍鋼管柱與中部漏斗網(wǎng)格筒的水平剪力如表5所示。通過表5的對比可知，整個屋蓋水平荷載由外圍8根立柱和中部網(wǎng)格筒共同承擔，且通過外圍立柱傳給2層鋼框架的水平剪力大于中部網(wǎng)格筒傳遞給柱腳的水平剪力，這是由于外圍立柱在2層與剛度較大的鋼框架剛接，且多數(shù)立柱高度較矮，局部傾斜，剛度較大，中部網(wǎng)格筒雖桿件較多，但僅基頂與基礎鉸接，樓層位置與下部鋼框架結構脫開并相互獨立，網(wǎng)格筒高度較高，故中部漏斗網(wǎng)格筒承擔的水平剪力小于外圍8根鋼柱承擔的水平剪力之和。

支承鋼柱與漏斗網(wǎng)格筒水平剪力對比 表5

依據(jù)《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[6]驗算屋蓋最大應力比，應力比分布見圖14。由圖可知，屋蓋結構最大應力比為0.73，出現(xiàn)在屋蓋前端框架柱支承點負彎矩最大位置；豎筒最大應力比為0.65，出現(xiàn)在豎筒上部彎折處；支承網(wǎng)格鋼管柱最大應力比為0.70，出現(xiàn)在2層彎折處。由于建筑造型需要，豎筒中下部鋼結構桿件較密，應力比較低，除上述彎矩和軸力較大部位桿件外，其他大部分桿件應力比均處于較低水平，故本工程單層網(wǎng)格部分結構承載力和變形控制均位于屋蓋坡度平滑區(qū)域。

圖14 屋蓋結構應力比分布

表6為外露部分矩管單層網(wǎng)格最大應力比。由表可知，豎向荷載工況組合和地震作用組合下單體模型和總裝模型的應力比差別很小，但包絡組合工況下結果略有差別，這是由于單體結構采用了簡化的邊界條件來模擬下部結構剛度，導致溫度應力偏大，溫度效應對單體模型下結構應力比有一定影響。由表還可知，桿件應力主要以豎向荷載為主，地震作用下桿件應力比較小，地震作用不起控制作用。

外露部分矩管單層網(wǎng)格最大應力比 表6

6 整體穩(wěn)定分析

本工程外罩為多重復雜空間網(wǎng)格結構，屋蓋和漏斗狀網(wǎng)格筒均采用單層網(wǎng)格結構，結構存在整體失穩(wěn)的可能性，不僅要在構件層次需進行桿件強度和穩(wěn)定進行設計，還需考察結構的整體穩(wěn)定性。參考《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程》(JGJ 7—2010)[5]的要求，對結構進行線性特征值屈曲分析和考慮初始缺陷的幾何非線性分析。

6.1 結構特征值屈曲分析

采用MIDAS Gen軟件對結構進行恒荷載+活荷載(滿跨和半跨)工況下線彈性特征值屈曲分析，前6階屈曲特征值如表7所示。分析結果表明，半跨活荷載與滿跨活荷載屈曲模態(tài)無明顯變化，且由滿跨活荷載工況控制；結構主要屈曲模態(tài)為漏斗網(wǎng)格筒受壓屈曲，前3階屈曲特征值分別為28.83，32.64，34.94，第4階屈曲模態(tài)為屋蓋的局部屈曲模態(tài)，屈曲特征值為37.33，其屈曲模態(tài)如圖15所示。

圖15 結構特征值屈曲模態(tài)

結構屈曲特征值 表7

6.2 幾何非線性分析

幾何非線性對結構穩(wěn)定承載力有顯著影響，并且單層網(wǎng)殼對初始缺陷非常敏感，而初始缺陷的分布是隨機的，目前實際分析過程常采用“一致缺陷分析模態(tài)法”來近似模擬，其分布為具有統(tǒng)計意義的最不利缺陷分布。本工程按此方法，將初始缺陷按最低階屈曲模態(tài)分布，其最大初始缺陷取結構跨度的1/300[5]。

恒荷載+活荷載的組合作用下節(jié)點的荷載-位移曲線如圖16所示。結構穩(wěn)定承載力系數(shù)為18，大于《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程》(JGJ 7—2010)[5]對非線性穩(wěn)定承載力安全系數(shù)4.2的要求，可見該體系的整體穩(wěn)定問題不起控制作用。

圖16 荷載-位移曲線

7 窄翼緣矩管節(jié)點設計與分析

節(jié)點分析在空間結構設計中是非常重要的環(huán)節(jié)，節(jié)點破壞可能導致結構的整體失穩(wěn)或連續(xù)性倒塌。設計中綜合考慮本工程結構的受力特點、建筑美觀需求以及工程造價等方面的因素，對外露部分特窄翼緣焊接矩管相交節(jié)點進行精細化設計與分析。

外露部分的網(wǎng)格具有復雜的自由曲面，由于矩管截面方向性和桿件軸線方向的空間性，鋼結構桿件兩兩不共面，必然造成桿件在節(jié)點處不完全相交，形成“扭轉節(jié)點”。這種節(jié)點若直接焊接，則會有部分截面焊接不了，這樣的相貫節(jié)點力學性能有問題，安全度不足，也難以達到設計時假定的剛性連接的效果。根據(jù)以往的工程實例[7-10]，對如下幾種可選用節(jié)點的適用性進行分析。

1) 鑄鋼節(jié)點：鑄鋼節(jié)點外觀平順光滑，制作安裝精度高；但鑄鋼節(jié)點制作費用高，生產(chǎn)周期長，同時鑄鋼節(jié)點重量較大，本工程696個節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點對自重比價敏感的單層網(wǎng)格結構不利，同樣無法滿足本工程經(jīng)濟性和施工進度要求。2) 鼓形節(jié)點：鼓形節(jié)點分為標準鼓形節(jié)點和改進鼓形節(jié)點(圓柱形節(jié)點)，但是較大的鼓形節(jié)點在鋼結構中顯得突出，難以得到建筑師和業(yè)主的認可。3) 插板節(jié)點：插板節(jié)點具有加工制作方便，有效保證焊接質量，降低施工難度及剛度大等優(yōu)點；缺點是局部節(jié)點板外漏，凸出桿件上下表面，影響建筑美觀和增加幕墻與主體鋼構件的構造距離。4) 陽光谷相貫焊接節(jié)點：在多向矩管交匯的節(jié)點區(qū)改進為上、下2塊六邊形端板及1塊豎向加勁板，節(jié)點主要通過矩管的上下翼緣傳力，但由于節(jié)點區(qū)為不規(guī)則的六邊形組成，還是未得到建筑師和業(yè)主的認可。5) 曲面板相貫焊接節(jié)點：在網(wǎng)格節(jié)點區(qū)設置一定長度的扭曲過渡接頭，用火烤鋼板使之形成彎曲面或扭曲面，利用曲面的不同邊分別對齊交匯鋼構件的上下翼緣板進行焊接相連。這種節(jié)點不增加節(jié)點的重量，也不擴大節(jié)點域的體積，將支管桿件與接頭焊接；其缺點在于采用火烤的方法使鋼板彎曲或扭轉這一技術較難控制，經(jīng)常返工，變形后的鋼板凹凸不平，且火烤彎板的費用較高，工期也較長；若采用軋制彎扭成型技術對于小型節(jié)點不太適用。此種做法雖然美觀，但由于本工程桿件翼緣僅80mm寬，桿件高寬比大，人工火烤工藝方無法實現(xiàn)如此高精度的窄翼緣彎曲加工制作。

后經(jīng)對該節(jié)點多次嘗試和空間放樣，發(fā)現(xiàn)一定長度范圍的節(jié)點區(qū)以直代曲，即采用折線彎折代替曲面彎折對空間視覺效果影響極其微小，改進后節(jié)點(圖17)外觀簡潔且無附加板件，經(jīng)打磨后外觀較為平滑，精度可達到外觀效果要求。

圖17 特窄翼緣焊接矩管彎折交匯焊接節(jié)點

由于本工程節(jié)點區(qū)翼緣寬度僅80mm，節(jié)點交匯處無法設置加勁肋，使得節(jié)點受力復雜，難以用現(xiàn)有規(guī)范或規(guī)程公式對節(jié)點承載力和剛度進行驗算，因此有必要對節(jié)點進行有限元分析。采用有限元軟件ABAQUS進行空間節(jié)點分析，以獲得節(jié)點應力和剛度。鋼管各向同性且壁厚比較薄，采用四節(jié)點減縮積分的殼單元(S4R)，鋼材本構關系采用ABAQUS軟件提供的三維等向彈塑性模型，滿足von Mises屈服準則，其輸入的單向應力-應變采用理想彈塑性模型，鋼材的彈性模量Es為2.06×105MPa，鋼材屈服強度設計值f為295MPa，泊松比為0.3。

圖18為典型節(jié)點在各桿件同時達到包絡設計最大內力時的應力云圖。由圖可以看出，節(jié)點1大部分區(qū)域應力為168MPa，與主桿連接處有局部應力集中，最大應力為302MPa，小于1.1f(1.1×295=324.5MPa)，應力集中面積很小，屬于工程可接受范圍。節(jié)點2大部分應力為164.3MPa，最大應力為263.4MPa，小于鋼材屈服強度設計值。從節(jié)點應力分布圖可以看出，典型節(jié)點連接形式能夠滿足強度設計需求。

圖18 典型節(jié)點應力云圖/MPa

由于結構中有大量6根桿件軸線交匯于一點，但實際中節(jié)點存在共用的節(jié)點域，節(jié)點域的剪切變形導致節(jié)點有可能不能按完全剛性連接處理，同時由于矩管內部沒有設置加勁肋，有可能出現(xiàn)局部屈曲的現(xiàn)象，進而影響節(jié)點剛度[11]。本工程單層網(wǎng)格空間節(jié)點受力復雜，現(xiàn)階段對其節(jié)點剛度沒有明確的判斷依據(jù)，而這在工程中又十分關鍵，所以本文利用歐洲鋼結構設計規(guī)范EN 1993-1-8[12]對節(jié)點的剛度進行評價。

根據(jù)歐洲鋼結構設計規(guī)范EN 1993-1-8[12]的規(guī)定對節(jié)點進行分類，對于有支撐結構，當節(jié)點的轉動剛度Sj滿足：Sj≥8EI/Lb，其中E為彈性模量，I為截面慣性矩，Lb為桿件長度，可認為節(jié)點滿足剛接；當節(jié)點的轉動剛度Sj滿足：Sj≤0.5EI/Lb，可認為節(jié)點為鉸接。為研究節(jié)點的剛度，取各桿件軸線交匯點1倍梁高范圍作為節(jié)點域[11]，有限元模型如圖19(a)所示。通過有限元分析，得到桿件的彎矩-轉角(M-φ)曲線(圖19(b))，桿件1和桿件3的節(jié)點剛度分別為7.3倍和7.7倍桿件的線剛度，節(jié)點接近剛性連接，工程中可認為滿足剛性節(jié)點連接要求。

圖19 節(jié)點剛度計算

8 BIM應用

鑒于該項目內部空間關系復雜、建筑體型異型、管線多、對專業(yè)協(xié)同要求高，管線綜合設計和施工難度較高，應用BIM技術完成施工圖三維設計，才能有效解決設計及施工過程中傳統(tǒng)二維設計不可能完成的任務。

8.1 協(xié)同配合機制

由于項目涉及方案、建筑、結構、幕墻、景觀、預制構件廠等多個參與方，BIM作為核心樞紐以及數(shù)據(jù)交互平臺，提供參與各方進行三維協(xié)作平臺。基于REVIT平臺建立項目的全專業(yè)高級工作集工作協(xié)同模型。各方直接依托REVIT平臺和計算機網(wǎng)絡進行多維協(xié)同設計，建立從方案、施工圖深化設計、施工、專業(yè)廠家之間整體BIM配合協(xié)同機制流程，BIM設計不但有效輸出傳統(tǒng)圖紙成果，其數(shù)據(jù)成果在也作為施工過程和廠家深化設計的重要數(shù)據(jù)來源，可直接對接BIM精確算量和BIM施工圖深化設計。

8.2 結構BIM正向設計流程

根據(jù)各軟件的自身特點，結合自主研發(fā)數(shù)據(jù)插件，綜合應用犀牛，REVIT，PKPM，MIDIS，3D3S，TEKLA相互傳導最終形成BIM協(xié)同設計結構模型，同時為滿足二維圖紙出圖習慣，自主研發(fā)出圖插件。具體流程詳見圖20，下部結構BIM三維模型圖見圖21。

圖20 結構BIM正向設計流程

圖21 結構REVIT模型

8.3 BIM應用及創(chuàng)新

本工程在結構BIM正向設計以及BIM應用方面有如下創(chuàng)新點。

(1)空間自由曲線與曲面的有理化：通過REVIT與GH對RHINO無理化曲面的數(shù)學分析簡化復雜曲面，減少三維曲面，節(jié)約施工造價。

(2)空間自由曲線的定位：首先利用GH將RHINO的模型進行切分操作，生成一系列空間定位平面，這些空間平面與建筑設計曲面相交，逐個形成鋼梁的空間位置；通過REVIT軟件二次開發(fā)，編制定位輔助程序，自動在所有需要三維定位的點上生成控制球，再通過軟件自動檢索模型內所有控制球，一鍵生成所有空間鋼梁和異形平面的控制坐標。

(3)管綜模型三維排布：利用三維技術自動分析空間凈高；管線綜合模型進行三維配合，確保結構鋼梁準確預留各類洞口。

(4)空間三維可視化：三維可視化環(huán)境下設計，基于BIM模型及時校核，確保各專業(yè)設計始終得到最優(yōu)解。

(5)本工程幕墻采用BIM建模技術進行深化設計，對部分節(jié)點進行建模優(yōu)化，提升整體建筑效果，降低施工難度。

(6)屋面鋼結構變形及動態(tài)控制措施分析：對于單層空間鋼網(wǎng)格結構，鋼結構變形較大，幕墻外皮與結構之間的距離已經(jīng)不是幕墻構造可以調節(jié)的，所以需要將卸載變形后的結構作為設計依據(jù)，通過高速激光三維掃描測量，可以高效率、高精度地建立結構的三維實體影像模型，利用BIM模型復核屋面鋼結構，并實時修改模型，依據(jù)最終BIM模型進行現(xiàn)場屋面測量放線工作。整個過程通過BIM模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)化控制及管理。

9 結論

(1)依據(jù)建筑效果需求及結構合理化設計要求，結合多輪試算結果，形成以漏斗網(wǎng)格筒+外圍8根柱+外環(huán)曲線立體桁架+單層網(wǎng)格組成的多重復雜空間結構。

(2)為達到更好的建筑室內效果，對外露桿件進行多方案優(yōu)選設計，最終采用80mm寬特窄翼緣焊接矩管，較好地實現(xiàn)了建筑方案視覺效果的高需求。

(3)對結構受力特點進行分析，使結構構件截面和桿件內力分布規(guī)律一致，最終形成結構布置與建筑形體美學完美統(tǒng)一。

(4)對結構進行幾何非線性屈曲穩(wěn)定分析，得出該結構具有較好的整體穩(wěn)定性。

(5)采用大量多向窄翼緣焊接矩管，對矩管桿件節(jié)點進行優(yōu)選比較，最終采用局部彎折相貫焊節(jié)點實現(xiàn)簡潔通透的空間視覺效果。

(6)選取關鍵節(jié)點進行有限元分析，對其應力和剛度進行分析，保證節(jié)點連接的安全可靠。

(7)采用BIM進行協(xié)同設計、管線綜合布置和碰撞檢查，有效解決了設計及施工過程中傳統(tǒng)二維設計不可能完成的任務。

(8)對于復雜異形建筑結構，采用多軟件BIM協(xié)同處理方法能較好的解決AUTODESK REVIT正向設計所面臨的各種難以處理的問題。