基于BIM的樹杈型鋼結構設計施工優化研究

文/李霞 鄢維峰 陳衛文

引言

隨著公共建筑的不斷發展和人們對建筑藝術性要求的日益提高，新時代各種特色建筑不斷涌現，并迅速成為各個城市和區域的地標性建筑。樹形鋼柱作為豎向支撐結構的分支，因其可用較小的桿件形成較大的支撐空間、經濟效益好、造型美觀而被越來越廣泛的應用于公共建筑中。

異型樹杈屋面承重鋼結構是通過鋼結構仿照樹杈的受力形式進行設計施工，其造型多樣，樹杈每個節點受力均有所不同，設計和施工難度較大。目前針對此類建筑，絕大多數的工程仍采用傳統的設計和施工方法，設計與施工分離，彼此的溝通協作不夠，且設計未考慮施工過程的受力狀態而產生安全問題。伴隨著 BIM技術的大力推廣和應用，結合建筑業面臨的復雜結構施工時出現的問題，基于 BIM 的異型樹杈鋼結構設計施工優化具有較大的研究價值。在各種異型承重結構不斷發展的今天，研究和總結異型鋼結構施工過程中普遍存在的技術問題，并提出專業的解決方法，保證其安全、可靠，為今后異型承重鋼結構設計和施工提供有益參考，促進基于BIM技術的樹形支撐體系的發展。

本文結合廣州市增城區新少年宮項目的BIM實踐，總結BIM技術在異型樹杈鋼結構設計施工優化中的應用。

1.工程概況

增城少年宮位于廣州市增城區掛綠湖城市中軸線東側，建筑高度31.9m，占地面積26291.30m2，工程總建筑面積為56099.60m2（其中地上 6 層面積共 32953.70m2， 地下二層面積共 23145.90m2）。

圖1 增城少年宮效果圖

主體大樓為鋼筋混凝土框架結構，鋼結構主要作為屋面及外墻鋁板的骨架。中心筒部分為鋼管柱與 H 型鋼梁組合結構，筒屋面呈不規則鋼樹杈造型；屋面圍護系統由上屋面層（鋁鎂合金板+ 防火巖棉）和下屋面層（氟碳噴涂鋁板）組成。建筑外框為鋁板幕墻，設計合理使用年限50 年，工程總用鋼量 1500 噸。

中心筒部分由異型樹杈鋼結構連接屋面和鋼筋混凝土圓柱，并將屋面荷載傳遞至圓柱中。屋面樹杈結構體系為圓鋼管與屋面 H 型鋼梁組成空間結構體系；與鋼管柱和梁連接節點采用螺栓連接。造型取代常規鋼柱來支撐屋面結構，節點設計多樣，受力復雜（見圖1、圖2）。

2.BIM技術在設計優化中的應用

本工程中心筒處有八根樹杈造型的柱子，每根樹杈柱造型和節點受力均有所不同。樹杈柱作為主要的受力構件，要承受屋面的結構荷載，取代常規鋼柱來支撐屋面，在其周圍不允許有其它的支撐結構。由于是斜向支撐結構，受力分析十分復雜，但在設計方案中并未明確樹杈柱各分支的角度，給施工帶來了較大困難。由于樹杈柱是空間受力，因此在深化設計階段首先利用有限元軟件Ansys進行仿真分析，計算并優化樹杈柱各分支的角度；然后用Tekla軟件創建工程鋼結構三維模型，生成樹杈柱節點詳圖及各類報表，從而對后續的施工進度和精度形成有力管控。

圖2 中心筒樹杈柱部位剖面圖

2.1 有限元軟件Ansys仿真分析優化

首先取一根樹杈柱利用有限元軟件Ansys建立仿真模型（見圖3），基于力學理論計算原理對樹形節點的角度進行優化設計，分析樹形桿件節點處內力與夾角的關系，在結構構件滿足正常工作的強度、剛度及穩定性的前提下,承受相同的荷載（即承載力相同）時使樹形結構質量達到最小（即用鋼量最少）的節點夾角值即為最優。通過ANSYS和3D3S二元結構設計相結合的優化設計，使得結構位移滿足規范要求，結構各項受力更加合理。

圖3 樹杈柱有限元模型

為了便于建立參數化模型，有限元分析“優化結果——優化曲線”中的曲線對應的夾角并非全局坐標系下分支之間相對的豎向夾角。在此經過多次轉換計算，得到全局坐標系下分支之間相對豎向夾角的優化結果分別為：31°、51°、51.5°、53.9°。

通過Ansys仿真分析，得到優化前最大綜合應力最大值為313.7MPa,優化后為221.94MPa，優化效果為29.3%。

2.2 基于BIM的鋼結構深化設計

在有限元軟件Ansys仿真分析優化結果的基礎上，利用Tekla軟件創建鋼結構三維模型，可生成樹杈柱節點詳圖及材料、構件報表等，用于指導現場施工和動態合理安排材料加工采購，形成清晰可控的施工進度表，有效節省人工工日和管理費用。

3.BIM技術在施工優化中的應用

本工程在施工前基于BIM技術進行施工模擬，通過數字化加工技術和現場全站儀測量定位等方法以確保異型樹杈鋼結構的安裝精度,確保了復雜節點拼裝焊接的質量，實現了對復雜鋼結構節點的有效管控。

利用Navisworks軟件在施工前進行各關鍵節點的虛擬施工（見圖4），可以直觀了解整個施工的步驟（見圖5），提前發現施工中的問題，調整制定更加合理的施工方案；實現施工前的可視化交底，使施工人員對關鍵節點的施工流程和要求有清晰直觀的認識，提高施工精度；為確保屋面鋼梁與樹杈鋼結構施工安裝精度與BIM模型一致，通過數字化加工技術和現場全站儀測量定位的方法確保安裝精度。通過與傳統施工方法的對比測算，采用BIM技術指導樹杈柱進行拼裝焊接施工可使返工率降為零，滿足施工質量和精度要求，節省了工期和機械費、管理費用，經濟效益顯著。

圖4 復雜梁柱節點BIM虛擬施工

4.BIM技術應用的效益分析

圖5 樹杈柱BIM虛擬施工與現場施工對比

本工程通過在設計和施工階段應用BIM技術對鋼樹杈設計節點和施工工序進行優化，發現對復雜鋼結構梁柱節點建立BIM模型，能夠有效減少返工率，確保施工精度，加快異型鋼結構施工進度，有效節約工期，產生顯著的工期效益，同時在機械費用和管理費方面也能產生明顯的節約，節約費用如上表所示。

如表中所示，通過BIM技術的合理運用，產生直接經濟效益約55.1萬元。

經濟效益分析表

5.結束語

本文基于BIM技術分析異型樹杈屋面承重鋼結構設計施工優化措施。通過在設計階段ANSYS、3D3S和Tekla對樹杈柱的角度優化和建立三維模型，為后續精準施工打下良好基礎。通過在施工階段數字化加工技術、Navisworks虛擬施工等措施，實現了可視化交底，大大提高了梁柱關鍵復雜節點拼裝焊接效率和施工速度，使返工率降為零。通過綜合運用BIM技術對樹杈型鋼結構設計施工進行優化，符合國家現行政策和綠色建筑發展方向，在工期、費用、節能環保方面效益顯著，社會反饋良好，對促進本行業技術進步和提高企業技術水平的意義深遠，具有較好的推廣前景。