胡正宇

（沈陽速捷智慧建筑科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

隨著數(shù)字化技術(shù)興起，給各產(chǎn)業(yè)帶來了深刻的技術(shù)變革，也為建筑設(shè)計的技術(shù)突破帶來了新的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計方法，在面對功能要求日益多樣化、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)時顯得力不從心，經(jīng)常出現(xiàn)無法完成準(zhǔn)確設(shè)計，設(shè)計效率低下等問題[1]。而一旦出現(xiàn)不合理的情況時進行改動，傳統(tǒng)建筑設(shè)計方法也面臨著更大的工作量，不僅修正過程和改動效果不夠明顯直觀，還給設(shè)計人員提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。在施工階段，傳統(tǒng)建筑設(shè)計方法對局部細(xì)節(jié)和整體的動態(tài)展示，都存在較大的難度[2]。以上種種問題，通過數(shù)字化技術(shù)的轉(zhuǎn)型，可以有效地解決。數(shù)字化建筑設(shè)計通過強大的三維設(shè)計和展示功能，可以更快捷地完成建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，并將設(shè)計成果以更清晰直觀的形式展現(xiàn)出來，同時也可以提升設(shè)計效率[3]。該文以建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計為核心研究內(nèi)容，進而對其設(shè)計結(jié)果進行仿真校核，并提出具體的方案。

1 建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計流程及效果

根據(jù)設(shè)計任務(wù)的需要，建筑結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計模式，從功能需求、品質(zhì)需求等方面出發(fā)，完成圖紙設(shè)計并選擇合適的建筑材料，然后形成用于指導(dǎo)實際建筑施工的建筑工藝流程卡片，建筑施工人員根據(jù)設(shè)計圖紙和工藝流程卡進行具體施工。如果建筑結(jié)構(gòu)要求比較復(fù)雜，圖紙上會形成復(fù)雜的投影關(guān)系，該設(shè)計可能產(chǎn)生錯誤，或者施工人員在施工過程中，不能準(zhǔn)確閱讀圖紙，導(dǎo)致施工中出現(xiàn)錯誤。而設(shè)計結(jié)果在施工前是無法進行有效檢驗和可視化展示的。

建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計，從數(shù)字化技術(shù)理念出發(fā)，依托強大的三維設(shè)計軟件，形成三維設(shè)計圖紙和可視化的展示效果，并且能在軟件上對設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理的地方進行實時修正，避免因設(shè)計錯誤導(dǎo)致的施工問題。建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計流程如圖1 所示。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計流程

從圖1 中可以看出，建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計流程大概包括8 個環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)的下達(dá)；第二個環(huán)節(jié)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)的要求，進行功能需求分析；第三個環(huán)節(jié)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)的要求和功能需求分析結(jié)果，進行原材料需求分析；第四個環(huán)節(jié)，根據(jù)功能需求在三維軟件上完成建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計；第五個環(huán)節(jié)，對建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計結(jié)果進行動態(tài)展示，包括多個角度的觀察、局部信息的審核、強度校核分析、校核數(shù)據(jù)生成和結(jié)果審定；第六個環(huán)節(jié)，如果前一個環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果存在問題，應(yīng)運用三維軟件進行更改和修正，這個環(huán)節(jié)和第五個環(huán)節(jié)應(yīng)該反復(fù)執(zhí)行，直到數(shù)字化設(shè)計結(jié)果中不存在問題；第七個環(huán)節(jié)，對最終完成的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計結(jié)果進行動態(tài)展示，這也是施工前的最終審驗環(huán)節(jié)；第八個環(huán)節(jié)，根據(jù)最終的數(shù)字化設(shè)計結(jié)果，生成建筑工藝流程卡，用于對施工過程進行指導(dǎo)。

如圖2 所示，這是運用三維設(shè)計軟件得出的建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計結(jié)果。

圖2 建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計結(jié)果

圖2 是一個三層方形臺亭結(jié)構(gòu)的設(shè)計效果。最頂層，包括一層樓蓋、頂部閣樓單元。其下分別是二層樓蓋和三層樓蓋，在最低層用角立柱和中間立柱支撐。同時，視野區(qū)域內(nèi)還能看到一個安全井。

根據(jù)三維軟件的數(shù)字化設(shè)計效果，可以對三層方形臺亭做進一步的細(xì)節(jié)展示，如圖3 所示。

圖3 三層方形臺亭的差分結(jié)果

從圖3 中可以看出，根據(jù)三層方形臺亭的總體組裝結(jié)果，可以拆分展示出局部細(xì)節(jié)和構(gòu)成，并可以通過軟件中施加不同的標(biāo)記，讓某些特定單元的顯示更直觀和突出。三維軟件的設(shè)計結(jié)果，具有立體感強、結(jié)構(gòu)空間可視化等特點，易于施工前期發(fā)現(xiàn)并及時修正設(shè)計問題。

2 建筑結(jié)構(gòu)的強度校核

在建筑結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計方法中，對設(shè)計結(jié)果各部分進行強度校核，需要依賴手動完成計算。即便中間過程運用計算機，仍然需要自行編制程序和輸入代碼，校核過程煩瑣并不利于實現(xiàn)。在三維軟件的數(shù)字化設(shè)計過程中，軟件內(nèi)嵌了強度校核功能，可以自動化地完成建筑結(jié)構(gòu)的強度校核，不僅操作簡單而且準(zhǔn)確性高。

建筑結(jié)構(gòu)的強度校核一般以可靠度評價作為替代手段，考察的基本原則是“結(jié)構(gòu)最小化”、“符合設(shè)計規(guī)范中的規(guī)定”。以一個構(gòu)件的可靠度評價來完成校核工作，可以采用非迭代的方法，校核計算如公式（1）所示。

式中：β為建筑結(jié)構(gòu)校核中某一個單獨構(gòu)件的可靠度，βS為建筑結(jié)構(gòu)校核中某一個單獨構(gòu)件的總體載荷可靠度分項指標(biāo)，βR為建筑結(jié)構(gòu)校核中某一個單獨構(gòu)件的抗力驗算點可靠度分項指標(biāo)。

上述各項，都是在理想情況下的指標(biāo)，對應(yīng)于它們，形成實際設(shè)計結(jié)果的校核公式，如公式（2）所示。

式中：β為實際設(shè)計出來的建筑結(jié)構(gòu)中某一個單獨構(gòu)件的可靠度，βSD為實際設(shè)計出來的建筑結(jié)構(gòu)校核中某一個單獨構(gòu)件的總體載荷可靠度分項指標(biāo)，βRD為實際設(shè)計出來的建筑結(jié)構(gòu)校核中某一個單獨構(gòu)件的抗力驗算點可靠度分項指標(biāo)。

在某一個驗算點完成可靠度的計算過程中，可以計算出方向夾角的正切值，如公式（3）所示。

式中：θ為驗算點處可靠度方向夾角的角度，βS為建筑結(jié)構(gòu)校核中某一個單獨構(gòu)件的總體載荷可靠度分項指標(biāo)，βR為建筑結(jié)構(gòu)校核中某一個單獨構(gòu)件的抗力驗算點可靠度分項指標(biāo)，σS為建筑結(jié)構(gòu)校核中某一個單獨構(gòu)件的總體載荷可靠度分項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差，σR為建筑結(jié)構(gòu)校核中某一個單獨構(gòu)件的抗力驗算點可靠度分項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計結(jié)果的最終可靠度計算按照下文的公式計算，如公式（4）所示。

式中：β為建筑結(jié)構(gòu)校核中某一個單獨構(gòu)件的可靠度參數(shù)，β'為實際設(shè)計出來的建筑結(jié)構(gòu)中某一個單獨構(gòu)件的可靠度，?為設(shè)計結(jié)果和安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的比值形成的可靠度。理論上講，?須達(dá)到0.85 以上，建筑結(jié)構(gòu)才具有安全的可靠度，施工后可以正常使用。

3 建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計的校核仿真

在該文第二節(jié)給出的校核方法之下，對該文第一節(jié)的三層方形亭臺進行強度校核，其主要的承載關(guān)鍵部件包括立柱和樓蓋板，只有他們滿足了可靠度校核條件，三層方形亭臺建成后才可以安全使用。

該研究選擇立柱和樓蓋板作為強度校核的關(guān)鍵參數(shù)，有以下原因：第一，立柱是三層方形亭臺底部完成支撐的關(guān)鍵部件，不僅作用大、而且數(shù)量多、布局范圍廣。從形式上看，各立柱呈現(xiàn)出對稱結(jié)構(gòu)排列，平均分擔(dān)亭臺的整個載荷，如果某個承受的載荷超出了安全范圍，必將引發(fā)整個亭臺的安全隱患。第二，樓蓋板負(fù)責(zé)三層方形亭臺各層的頂部覆蓋，除了第一層樓蓋板承受的載荷較小以外，第二層樓蓋板和第三層樓蓋板在覆蓋本層的同時，還要承受上一層建筑的重力，因此相關(guān)載荷會更大、面臨的安全隱患會更復(fù)雜。所以，如果樓蓋板無法通過強度校核，也很難保證三層方形亭臺的整體安全性。為此，以這2 個關(guān)鍵構(gòu)件進行參數(shù)校核。

首先，對三層方形亭臺底層的10 個立柱進行可靠度校核，相關(guān)過程和參數(shù)計算如公式（1）～公式（4）所示，得到的結(jié)果見表1。

表1 三層方形亭臺底層立柱的可靠度校核結(jié)果

表1 中的數(shù)據(jù)直觀的顯示結(jié)果如圖4 所示。

圖4 表1 中數(shù)據(jù)的柱狀圖結(jié)果

圖4 中，橫軸為10 個立柱的序號，縱軸為立柱的可靠度校核結(jié)果，即?的值，這是一個無量綱的單位。結(jié)合表1 中的數(shù)據(jù)和圖4 中的柱狀圖展示結(jié)果可以看出，10 個立柱的可靠度計算結(jié)果都在0.85 以上，表明這些立柱的設(shè)計結(jié)果非常接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，立柱在承載三層方形亭臺的使用過程中，是安全的。通過比對也可以看出，10 號立柱和3號立柱的可靠度相對較低，二者的可靠度都在0.88 以下。尤其是10 號立柱的可靠度，與0.85 的極限值非常接近。因此，要進一步增強三層方形亭臺立柱的承載安全，可以進一步強化10 號立柱和3 號立柱的設(shè)計，如選用更好的型材等。

其次，對三層方形亭臺底層的9 塊樓蓋板進行可靠度校核，相關(guān)過程和參數(shù)計算按照公式（1）～公式（4）進行，得到的結(jié)果見表2。

表2 三層方形亭臺樓蓋板的可靠度校核結(jié)果

表2 中的數(shù)據(jù)直觀地顯示結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 表2 中數(shù)據(jù)的柱狀圖結(jié)果

圖5 中，橫軸為9 個樓蓋板的序號，縱軸為立柱的可靠度校核結(jié)果，即?的值，這是一個無量綱的單位。結(jié)合表5中的數(shù)據(jù)和圖5 中的柱狀圖展示結(jié)果可以看出，9 個樓蓋板的可靠度計算結(jié)果都在0.85 以上，表明這些樓蓋板的設(shè)計結(jié)果非常接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，樓蓋板在承載三層方形亭臺的使用過程中是安全的。通過對比可知，1 號樓蓋板和2 號樓蓋板的可靠度相對較低，二者的可靠度都在0.89 以下。尤其是1號樓蓋板的可靠度，超出0.85 的極限值并不多。因此，要進一步增強三層方形亭臺立柱的承載安全，可以進一步強化1號樓蓋板和2 號樓蓋板的設(shè)計，如增強其覆蓋厚度。

4 結(jié)論

為應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)字化技術(shù)轉(zhuǎn)型，該文對建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計和強度校核展開了研究。首先，給出了建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計的一般流程，并分析了其相較于傳統(tǒng)設(shè)計方法的優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上給出了一個具體案例——三層方形亭臺的數(shù)字化設(shè)計結(jié)果。其次，基于可靠度校核方法，給出了建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵組件的強度校核過程。最后，針對三層方形亭臺的數(shù)字化設(shè)計結(jié)果進行強度校核，結(jié)果顯示：10 個立柱和9 塊樓蓋板都通過了可靠度校核，可以確保三層方形亭臺的使用安全。