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        BIM技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

        2022-05-21 08:15:58李雙雙
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2022年1期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)分析模型

        李雙雙

        (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 城市軌道與地下工程設(shè)計(jì)研究院,湖北 武漢 430063)

        0 引言

        BIM技術(shù)是以數(shù)據(jù)信息為核心,對(duì)工程項(xiàng)目分析模擬、三維可視化、二維出圖、施工模擬、運(yùn)維管理的過程,其作為建筑信息化的重要技術(shù)逐步推廣應(yīng)用于各類工程技術(shù)[1]。

        隨著車站結(jié)構(gòu)模型日益復(fù)雜,在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中,設(shè)計(jì)師必須根據(jù)建筑二維平面圖想象空間三維結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式,并重新建立車站結(jié)構(gòu)計(jì)算模型;當(dāng)遇到重大方案變更時(shí),結(jié)構(gòu)計(jì)算模型需要隨之進(jìn)行大量修改,甚至重新建模,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工程師缺少對(duì)結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算的專注[2]。

        Revit軟件是目前我國城市地鐵工程中使用最廣泛的BIM軟件之一[3],與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式對(duì)比,利用Revit軟件可實(shí)現(xiàn)模型平面、立面、剖面不同視圖之間的信息聯(lián)動(dòng),各專業(yè)均可基于同一個(gè)幾何物理模型進(jìn)行設(shè)計(jì),即使遇到方案變更,也可大大減少不同專業(yè)設(shè)計(jì)師修改模型的工作量,可有效提高設(shè)計(jì)師的工作效率。

        在城市地鐵工程中,地鐵車站設(shè)計(jì)涉及建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、系統(tǒng)等眾多工程設(shè)計(jì)專業(yè),各專業(yè)間聯(lián)系緊密,專業(yè)間相互協(xié)同配合非常重要。目前BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)應(yīng)用較少,市場(chǎng)上能與BIM工作平臺(tái)無縫對(duì)接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的軟件少之又少[4-9],目前沒有成熟的軟件適用于城市地鐵工程車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可以實(shí)現(xiàn)Revit軟件與計(jì)算軟件良好對(duì)接且結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

        因此,如何完美對(duì)接Revit模型與結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型、打通BIM協(xié)同設(shè)計(jì)的一體化流程、提高結(jié)構(gòu)專業(yè)在BIM設(shè)計(jì)中的參與度,成為目前研究的重難點(diǎn)。以武漢地鐵12號(hào)線園林路站為例,測(cè)試北京盈建科軟件有限責(zé)任公司(簡稱盈建科)開發(fā)的BIM輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件(YJK),通過對(duì)比YJK與SAP軟件的計(jì)算結(jié)果,為結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM設(shè)計(jì)師的正向設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

        1 工程實(shí)例

        1.1 車站概況

        園林路站為武漢市地鐵12號(hào)線的一個(gè)換乘車站,車站全長176.8 m,標(biāo)準(zhǔn)段外包寬23.5 m,為地下3層站。車站位于武漢市洪山區(qū)和平街武豐村,團(tuán)結(jié)大道與園林路交叉路口以北,沿園林路地下南北方向布設(shè),車站南端設(shè)換乘通道,可與既有4號(hào)線換乘。園林路站平面位置示意見圖1。

        圖1 園林路站平面位置示意圖

        1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

        (1)計(jì)算理論模型:主體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用荷載-結(jié)構(gòu)模式,計(jì)算模型為底板置于彈性地基上的平面框架,對(duì)主體結(jié)構(gòu)按各階段實(shí)際工況進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)要求,按荷載最不利組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪、抗壓、抗扭強(qiáng)度和裂縫寬度驗(yàn)算。

        (2)設(shè)計(jì)使用年限:地下結(jié)構(gòu)中的主體結(jié)構(gòu)及其相連的重要構(gòu)件,按可靠度理論設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)使用年限為100年。主要構(gòu)件包括構(gòu)成主體框架的各層樓板、側(cè)墻、框架梁、框架柱以及其他在維護(hù)或更換時(shí)會(huì)影響正常運(yùn)營的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

        (3)結(jié)構(gòu)安全等級(jí):地鐵結(jié)構(gòu)中,主要構(gòu)件的安全等級(jí)為一級(jí)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)取1.1;按荷載效應(yīng)的偶然組合進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí),結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)取1.0。

        (4)荷載及分項(xiàng)系數(shù)取值按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和地鐵車站的使用要求確定??紤]最不利水位承受全水頭水壓力,竣工初期水位位于底板下1 m。設(shè)備區(qū)荷載按8 kPa計(jì)算,超過8 kPa按設(shè)備實(shí)際質(zhì)量及運(yùn)輸路線計(jì)算;公共區(qū)人群荷載按4.0 kPa計(jì)算。地面活荷載考慮土層擴(kuò)散效應(yīng)按均布荷載計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)段按20 kPa計(jì)算,端頭井按30 kPa計(jì)算。盾構(gòu)端頭墻的盾構(gòu)臨時(shí)組裝拆卸帶來的地面超載按75 kPa計(jì)算。

        2 結(jié)構(gòu)受力分析軟件

        2.1 SAP

        微機(jī)結(jié)構(gòu)分析通用軟件SAP84是常用的結(jié)構(gòu)受力分析軟件之一,具有力學(xué)模型合理、使用方便、功能強(qiáng)、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。SAP84圖形交互系統(tǒng)GIS可以通過交互式圖形生成SAP84的數(shù)據(jù)文件,其工具欄見圖2。該軟件通過自動(dòng)迭代計(jì)算處理單向受力的桿件和彈簧,可以比較好地解決一般受土壤作用的地下結(jié)構(gòu),因此常采用SAP進(jìn)行城市地鐵車站的結(jié)構(gòu)受力分析。

        但目前SAP尚未開發(fā)出與Revit的接口。因此,采用此軟件的車站力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果作為驗(yàn)證YJK計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的依據(jù)。

        2.2 midas Gen

        midas Gen是通用的空間有限元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng),其工具欄見圖3。該軟件在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和空間特構(gòu)方面有明顯優(yōu)勢(shì),可綜合處理有層和無層的結(jié)構(gòu)類型;適用于民用建筑、工業(yè)建筑等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。除了一般的靜力、動(dòng)力分析外,還可以進(jìn)行施工階段、水化熱、靜力彈塑性、動(dòng)力彈塑性、隔震和消能減震分析,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)更合理的結(jié)構(gòu)提供有力的工具。目前midas Gen也是城市地鐵車站進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析的常用軟件之一。

        圖3 midas Gen工具欄

        經(jīng)過測(cè)試,midas Gen與Revit的接口在模型傳導(dǎo)過程中數(shù)據(jù)丟失較嚴(yán)重,因此,采用此軟件的車站力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果作為驗(yàn)證YJK計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的依據(jù)。

        2.3 YJK

        YJK是一套集成化建筑結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)軟件,軟件功能主要包括結(jié)構(gòu)建模、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和接口軟件等,其工具欄見圖4。軟件依據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)系列規(guī)范編制,在連續(xù)完成恒、活、風(fēng)、地震作用等效應(yīng)計(jì)算的基礎(chǔ)上,自動(dòng)完成荷載效應(yīng)組合、考慮抗震要求調(diào)整、構(gòu)件設(shè)計(jì)及驗(yàn)算等,基于受力分析計(jì)算的結(jié)果,軟件還可以自動(dòng)選配鋼筋并進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì),這些特點(diǎn)都是SAP系列軟件不具備的。

        圖4 YJK工具欄

        BIM技術(shù)在國內(nèi)剛開始進(jìn)行推廣時(shí),盈建科便著手開發(fā)YJK與Revit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。目前已開發(fā)出Revit-YJK軟件,其工具欄見圖5。該軟件實(shí)現(xiàn)了YJK和Revit數(shù)據(jù)雙向互通,轉(zhuǎn)換程序中內(nèi)置了與結(jié)構(gòu)計(jì)算模型截面一致的Revit參數(shù)族,該接口在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配族類型,智能處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的連接關(guān)系。模型經(jīng)接口轉(zhuǎn)換后,可繼續(xù)在Revit中對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行數(shù)據(jù)修改等操作。

        圖5 Revit-YJK工具欄

        但目前YJK僅廣泛適用于框架、框剪、剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)等多高層建筑結(jié)構(gòu)形式,在城市地鐵車站這種地下結(jié)構(gòu)中應(yīng)用很少。因此,采用該軟件進(jìn)行地鐵車站主體結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析計(jì)算,并將其計(jì)算結(jié)果與SAP的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證其對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適用性。

        3 結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        3.1 SAP

        SAP84采用平面桿系有限單元法計(jì)算,車站主體結(jié)構(gòu)按底板支撐在彈性地基上的平面框架進(jìn)行內(nèi)力分析,取縱向1 m的斷面為1個(gè)計(jì)算單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。用梁單元模擬各層板、側(cè)墻及柱等構(gòu)件,各構(gòu)件截面特性及材料按結(jié)構(gòu)實(shí)際取值,節(jié)點(diǎn)位置取結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)。底板、側(cè)墻外的土體采用受壓彈簧模擬,彈簧剛度根據(jù)地勘資料提供的底板、側(cè)墻所處地層的基床系數(shù)確定。

        利用SAP84對(duì)園林路站的標(biāo)準(zhǔn)段和盾構(gòu)段分別進(jìn)行二維受力分析計(jì)算。

        3.2 midas Gen

        利用midas Gen進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí),三維模型中的單元類型主要包括梁單元和板單元2種單元類型,其中,梁柱采用二節(jié)點(diǎn)三維彈性梁單元,板墻采用四節(jié)點(diǎn)三維彈性板單元。材料特性取值按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定,構(gòu)件自質(zhì)量由程序自動(dòng)加載。

        利用midas Gen對(duì)園林路站進(jìn)行三維受力分析計(jì)算,其部分計(jì)算結(jié)果見圖6。

        圖6 midas Gen計(jì)算結(jié)果

        3.3 YJK

        BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題,主要是不同軟件之間數(shù)據(jù)交換時(shí)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、丟失以及結(jié)構(gòu)三維物理模型向分析模型簡化的問題[3];利用盈建科開發(fā)的Revit-YJK交換接口,可以較好地保證物理模型和分析模型同時(shí)轉(zhuǎn)換,從而確保結(jié)構(gòu)分析的精確度。

        利用Revit-YJK,實(shí)現(xiàn)Revit與YJK的互導(dǎo),YJK計(jì)算模型與Revit結(jié)構(gòu)模型見圖7,對(duì)園林路站進(jìn)行三維受力分析計(jì)算,其部分計(jì)算結(jié)果見圖8。

        圖7 YJK計(jì)算模型與Revit結(jié)構(gòu)模型

        圖8 YJK計(jì)算結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)段斷面彎矩圖)

        3.4 軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

        通過Revit-YJK對(duì)園林路站進(jìn)行實(shí)際工程建模,測(cè)試Revit與YJK互導(dǎo),與二維SAP計(jì)算結(jié)果比較,并通過midas Gen三維模型計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證,標(biāo)準(zhǔn)段彎矩計(jì)算結(jié)果見表1、盾構(gòu)段彎矩計(jì)算結(jié)果見表2。經(jīng)比較分析,YJK三維計(jì)算內(nèi)力分布合理,但是部分?jǐn)?shù)值稍偏小,考慮二維平面應(yīng)變計(jì)算結(jié)果普遍較實(shí)際內(nèi)力偏大,可認(rèn)為三維計(jì)算內(nèi)力總體較合理。

        表1 標(biāo)準(zhǔn)段彎矩計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        表2 盾構(gòu)段彎矩計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        4 結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)

        YJK計(jì)算完成后可以自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三維鋼筋,便于查看構(gòu)件的三維鋼筋排布以及鋼筋工程量統(tǒng)計(jì)。但目前YJK施工圖模塊默認(rèn)的鋼筋排布樣式以及平法鋼筋圖的表達(dá)樣式偏向于民用建筑,與地鐵車站結(jié)構(gòu)施工圖表達(dá)樣式有些差異,施工圖表達(dá)對(duì)比見圖9。因此,若想在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推廣YJK的應(yīng)用,須對(duì)YJK多模塊進(jìn)行二次開發(fā),使其適用于地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。

        圖9 施工圖表達(dá)對(duì)比

        5 結(jié)論

        (1)通過測(cè)試Revit-YJK接口軟件的BIM模型轉(zhuǎn)換功能可知,該接口可以實(shí)現(xiàn)地鐵車站Revit結(jié)構(gòu)模型和YJK計(jì)算模型間較好地轉(zhuǎn)換,但該接口目前不支持荷載的傳遞,且混凝土構(gòu)件的材料屬性匹配存在問題,因此完成模型互導(dǎo)后,需要對(duì)模型修改才能進(jìn)行下一階段的應(yīng)用。

        (2)分別通過SAP、midas Gen、YJK進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算,對(duì)比計(jì)算結(jié)果,YJK地鐵車站三維模型計(jì)算結(jié)果數(shù)值略微偏小,考慮到二維平面應(yīng)變計(jì)算結(jié)果普遍較實(shí)際內(nèi)力偏大,可認(rèn)為YJK三維計(jì)算內(nèi)力總體較合理。

        (3)YJK完成結(jié)構(gòu)計(jì)算后,可以利用軟件自帶的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工圖的輔助設(shè)計(jì),自動(dòng)進(jìn)行構(gòu)件配筋及施工圖設(shè)計(jì)。但該軟件是按地上多高層結(jié)構(gòu)的圖集及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行鋼筋排布、施工圖自動(dòng)繪制,與地鐵結(jié)構(gòu)施工圖表達(dá)樣式存在差異。

        (4)若要在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推廣YJK的應(yīng)用,須對(duì)YJK多模塊進(jìn)行二次開發(fā),使其適用于地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。

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