基于BIM的某城市展館結構設計

龔 琦，劉佳毅，肖 湘，張 勇

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

該項目位于云南省玉溪市。該展館共有2個建筑單體，其使用功能為城市規劃展示。總建筑面積為4 751.79 m2；地上1層(其中1個單體為2層)，建筑高度13.390 m，長62.2 m，寬15.3 m，其造型為2條首尾相連的魚。結構類型為鋼框架結構，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20 g，設計地震分組為第3組，場地類別為Ⅲ類，特征周期值0.45s，鋼框架抗震等級為3級，抗震設防類別為標準設防類。

該展館外觀為抽象的建筑造型，沒有幾何構圖規律，其幕墻及屋面均由多維空間曲面構成，主體結構采用鋼框架結構。設計時，首先將魚的“骨架”確定，主體框架以簡單的折線最大程度擬合建筑外形。其次，通過調整檁托的高度及幕墻與主體的連接件長度，再從簡單折線向復雜曲線過度，以實現“魚”的外形，見圖1～3。

圖1 效果圖

1 基礎設計

根據勘察報告顯示，場地存在飽和的粉土、粉砂層，搖震反應迅速，具有液化可能性，液化等級為中等。

圖2 建筑平面圖

圖3 施工現場照片

為避免液化土對結構產生的不利影響，基礎形式確定為樁基礎。該工程采用樁身直徑600 mm長螺旋鉆孔灌注樁，有效樁長為16 m，穿越液化層以粉質粘土層作為持力層，設計使用單樁承載力特征值為700 kN，見圖4。

圖4 基礎平面布置圖

2 結構選型及布置

綜合考慮建筑需求及地震烈度，確定結構類型為鋼框架結構，見圖5～6。

圖5 結構布置圖

結構單體典型柱跨為9.8 m×19.7 m、8.2 m×12.6 m。鋼材牌號Q345B。主要構件截面尺寸詳表1。

表1 構件截面尺寸

圖6 結構模型

幕墻與主體間常用的連接方式為吊掛式和下座式，由于該項目幕墻高度較大，為避免鋼梁承擔較大的面外彎矩，該項目幕墻采用下座式。在基礎層標高0.400 m位置設置了1道弧形鋼筋混凝土圈梁，以做為幕墻的支座，上部與屋面鋼梁側面通過連接件連接，從而避免上部鋼梁在平面外承擔幕墻豎向荷載，同時這樣的連接方式避免了幕墻構件的剛度對主體結構的不利影響，見圖7～9。

圖7 幕墻下部支座

圖8 幕墻上部支座

圖9 幕墻底座圈梁現場照片

3 上部結構設計

3.1 超限情況

該工程存在以下不規則項：考慮偶然偏心的扭轉位移比為1.68。

該建筑為平面一般不規則，豎向規則的結構。

3.2 性能目標

該工程為單跨結構，確立性能目標為框架柱中震彈性。

4 結構多遇地震下的分析

4.1 反應譜計算

計算軟件采用YJK(1.9.3)與SAP2000(19.0.0)2款軟件進行對比。主要計算指標見表2～4。

表2 結構周期對比

表3 結構樓層剪力對比

表4 結構位移角匯總

由表2～4可知2種軟件計算結果基本一致，計算模型可真實反映結構實際工作狀況，計算結果合理有效。表明結構布置合理，無較大的扭轉效應，各指標均滿足相關規范要求。

4.2 彈性時程分析

工程選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線，結果取平均值。所選取加速度時程曲線滿足規范要求且與反應譜擬合較好，詳見圖10。

圖10 規范反應譜與各時程反應譜曲線對比

經計算，各加速度時程曲線小震下最大層間位移角平均值X方向為1/818，Y方向為1/812，均小于規范限值1/250。

5 BIM模型建立

該項目的BIM設計流程如下：建筑專業通過Rhino+Grasshopper建立建筑模型，并提取軸線到CAD。結構依據軸線建立Tekla模型。建立的結構模型通過IFC文件與建筑Rhino模型進行整合后提交幕墻公司進行設計深化。最后結構依據建筑及幕墻公司的意見反饋再次對結構模型修改并提交鋼結構廠家進行深化放樣，進行鋼構件的加工。基于BIM的解決方案讓所有與項目相關的人員都在數字化的同一平臺上開展工作，不但設計效率得到提高，設計精度還得以保證，而且還能有效避免設計中的碰撞問題。空間模型形成后，主體結構構件的空間定位也就確定了，建筑師再將最外皮的控制面附入模型中，各類構件的控制尺寸就確定了。典型節點詳圖見圖11。經深化后的模型見圖12～13。

圖11 典型節點詳圖

圖12 結構BIM模型

圖13 結構深化節點

6 結 語

該項目造型獨特，結構構造復雜，采用BIM設計解決傳統設計中對復雜造型難以平面表達及準確定位的問題。有效地解決了將來施工過程中可能遇到的碰撞等問題，保證結構主體滿足建筑造型及使用功能。