周勇

（中國十九冶集團有限公司，四川 成都 610031）

隨著人們的生活水平和鋼結構設計技術的大幅度提高，建筑師的想法越來越大膽，不斷提出前所未有的新穎的設計理念。為了符合建筑的造型裝飾要求，異型鋼結構隨之產(chǎn)生。由于空間異型鋼結構三維模型不能用簡單的函數(shù)表達，給模型的創(chuàng)建帶來了極大的障礙。Revit體量建模能力極其強大，可以創(chuàng)建任意三維形狀，為空間異型鋼結構建模提供了一種新的思路。但是，目前我國的BIM(Building Information Modeling)技術應用仍然處于起步階段，主要應用于施工管理，張彥坤[1]針對項目施工管理中的三大管理目標運用BIM 技術進行具體的分析，通過對施工進度、質(zhì)量和成本進行控制取得了較好的效果。王成華[2]認為隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，建筑結構的復雜性也隨之增強，傳統(tǒng)的施工管理模式已不能適應當前施工管理工作，通過BIM 技術策劃，構建BIM信息化模型，提升了現(xiàn)場施工管理水平，提高了項目效益。李彭[3]將BIM 技術與建筑施工成本精細化管理結合，極大提高了企業(yè)在成本控制中的經(jīng)濟效益。目前BIM 技術極少運用于結構設計應用方面。龍輝元[4]分析了當前BIM 技術在結構設計方面的難點，由于結構分析模型中包含了大量的力學分析要素，如桿件有限元單元類型、截面特性、分析假定和支座設定條件等，因此BIM 模型信息極為繁瑣，BIM 信息模型與結構設計分析模型無法完美銜接。另外，BIM 相關軟件本身在結構設計中的應用功能不完善，如BIM 核心建模軟件不能有效對接常規(guī)結構計算軟件PKPM，3D3S，ADINA，ANSYS 等，使結構模型力學分析受到很大的限制，因此目前BIM 信息化技術在設計方面真正的運用還比較少，極大影響了BIM 信息化技術的運用和推廣。

本文以某空間異型結構設計為例，通過對結構模型創(chuàng)建體量族，提取BIM 模型信息，以CAD 為中轉(zhuǎn)導入3D3S 中，成功實現(xiàn)了結構的力學分析，初步實現(xiàn)了BIM技術在空間異型鋼結構中的應用，旨在響應國家大政方針，推廣BIM 技術應用，為BIM 技術開發(fā)者和應用者提供一些方向。

1 BIM 概念體量的創(chuàng)建及其在建模中的應用

在Revit 軟件中，族是組成項目的構件，同時也是參數(shù)化建模的信息化載體；體量可以在建筑模型的初始設計中形成三維形狀，通過體量研究，可以生成各種異型建筑的空間模型。Revit 提供了概念體量工具，可用于項目前期概念設計階段，為建筑師提供靈活、簡單、快速的概念設計模型。建筑師可以通過概念體量模型推敲建筑形態(tài)，可以統(tǒng)計概念體量模型的建筑樓層面積、占地面積和外表面積等設計數(shù)據(jù)，可以根據(jù)概念體量模型表面創(chuàng)建建筑模型中的墻、樓板、屋頂?shù)葓D元對象，完成從概念設計到方案和施工圖設計的轉(zhuǎn)換。利用Revit 靈活的體量建模功能，可以創(chuàng)建NURBS 曲面模型，并通過該曲面轉(zhuǎn)換為屋頂、墻體等對象，在項目中創(chuàng)建復雜對象模型。在Revit 中，還可以對概念體量的表面進行劃分，配合使用“自適應構件”生成多種復雜表面肌理。

在Revit 中創(chuàng)建體量有兩種方式，一種是“在項目中創(chuàng)建體量”；實現(xiàn)的方法：體量和場地→概念體量→內(nèi)建體量；另一種是“創(chuàng)建獨立的概念體量族”，實現(xiàn)的方法：應用程序菜單→新建→概念體量。

本文以“公制體量.rtf”族樣板為基礎，創(chuàng)建三維模型的概念體量族。

具體操作步驟如下。步驟一：由于本文的建筑結構空間為左右對稱結構，因此取結構左半邊進行建模。以結構對稱軸為原點，為保證結構模型的精度，在CAD 中確定每個異型面的邊界控制點坐標。步驟二：通過Revit 的CAD 導入功能導入空間結構每個異型面的邊界控制點坐標，并將邊界控制點坐標生成每個異型面的邊界線，通過Revit 創(chuàng)建形狀功能，創(chuàng)建異型結構的每個異型面（見圖1）；步驟三：將Revit 概念體量中的所有創(chuàng)建的異型面進行整體拼接，得到半結構模型（見圖2）；步驟四：在Revit 中直接對異型面進行網(wǎng)格剖分（見圖3），導入CAD 進行過簡單的處理，便可生成桿件單線圖，為整體空間網(wǎng)格模型桿件的布置提供了極大的便利，通過鏡像得到整體結構線框模型（見圖4）。

圖1 異型面

圖2 半結構模型

圖3 面剖分

圖4 整體結構線框模型

2 結構設計計算

本工程建筑結構安全等級為二級，建筑抗震設防分類為標準設防類，抗震設防烈度為8 度（0.2g），場地類別為二類，設計地震分組為第一組，基本風壓為0.55KN/m2。

考慮到本工程空間網(wǎng)格結構的復雜程度，同時節(jié)點處桿件較多，決定使用圓鋼管。原因是圓形桿件可以有效避免方鋼管各向異性在節(jié)點處應力集中的問題，同時避免了桿件方位的判別問題。此外，本工程空間網(wǎng)格結構特別不規(guī)則，極大地增加了節(jié)點處理難度，使用圓形桿件也可以降低節(jié)點制作難度。

利用3D3S 進行結構力學分析計算，計算模型見圖4，為了滿足建筑效果，對柱子的數(shù)量和布置位置嚴格要求，最后的整體計算模型中帶有20m 大跨外加8.3m 懸挑，考慮到結構的復雜性和特殊性，模型所有節(jié)點采用全剛接，結構的應力比控制不宜過高，結構桿件最大應力比控制為0.8，圖5 為計算所得空間網(wǎng)格結構二層面應力云圖，圖6 為結構整體計算內(nèi)力云圖，圖7 為結構整體最大位移，為22.9mm，皆滿足規(guī)范要求。

圖5 空間網(wǎng)格結構二層面應力云圖

圖6 結構整體計算內(nèi)力云圖

圖7 結構整體最大位移

3 節(jié)點設計驗算

網(wǎng)格結構節(jié)點處桿件較多，節(jié)點連接處的處理極為復雜，同時考慮到空間結構的整體穩(wěn)定性，決定對結構所有節(jié)點采用剛接節(jié)點。

考慮到本結構的復雜性，盡量真實模擬節(jié)點剛性，最終決定采用焊接空心球加相貫焊節(jié)點，即在桿件干涉處采用管管相貫辦法處理，匯交兩桿中，截面積大的桿件必須全截面焊接在球上（當兩桿截面面積相等時，取受拉桿），另一桿坡口焊在相匯交桿上，但相應保證有3/4截面在球上并設置加勁板見圖8，在受力較大的地方設置支托板見圖9。

圖8 加勁板

圖9 支托板

在計算中發(fā)現(xiàn)，在此空間網(wǎng)格結構中桿件除承受軸力外，還承受相當大的彎矩，且部分節(jié)點彎矩起控制作用，但目前規(guī)范對焊接空心球節(jié)點在軸力和彎矩共同作用下的設計方法尚屬空白，董石麟等[8]對此種節(jié)點做了深入的研究，并總結出實用計算公式，通過實驗驗證了該公式的可用性，并成功應用于國家體育館水立方。本文通過董石麟等[8]總結出的公式，運用MathCAD 編制計算程序，驗證焊接球的極限承載能力，通過計算，確定選用250mm×10mm 焊接球,即可滿足要求。

4 結論

本工程的難點在于空間結構體系特別復雜，結構的空間異型面特別多，三維空間模型的建立極為困難，同時節(jié)點設計在規(guī)范中尚屬空白。本文在BIM 核心建模軟件Revit 中創(chuàng)造性地創(chuàng)建概念體量族來創(chuàng)建三維空間模型，并成功將Revit 模型導入結構設計軟件3D3S 中進行結構力學分析，初步實現(xiàn)了運用Revit 概念體量創(chuàng)建在空間中特別復雜的建筑模型的應用。

（1）通過將Revit 概念體量運用于復雜空間異型鋼結構建模中，能夠非常準確地表達建筑意圖，全面直觀地建立結構分析模型，同時通過在Revit 中直接進行網(wǎng)格的剖分，從Revit 導出后即可形成單線圖，為后期導入設計軟件中進行結構布置提供方便。

（2）以CAD 為中轉(zhuǎn)，將Revit 幾何信息模型導入到計軟件中進行結構布置，所建立的模型成功實現(xiàn)了整體結構的力學分析，證明了該方法準確有效。

本文的工作只是初步的，尚有許多方面值得深入研究。

（1）由于Revit 所提供的概念體量功能僅僅是在建筑模型初步設計中進行三維形狀的設計，所以本文基于概念體量的方法僅僅創(chuàng)建了建筑模型的幾何信息，無法對建筑模型添加物理信息，降低了建筑結構計算模型的效率。

（2）在完成該實際項目時，作者對本文提出的方法進行了長時間的探索，但時間比較緊迫，大部分的工作未實現(xiàn)全部自動化，模型轉(zhuǎn)換速度較慢，同時導入CAD 后需要簡單修正，效率依然不夠高。

（3）在BIM 建模過程中，模型參數(shù)信息僅僅是該結構的物理模型信息，其結構力學分析所需附帶的有限元單元類型、力學假定和支座條件等并不附帶，因此并未實現(xiàn)力學有限元分析和BIM 建模的無縫銜接，有待后續(xù)深入研究。