BIM技術在超高層建筑復雜鋼結構中的應用*

劉宇軒

(中鐵二十局集團第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151)

0 引言

BIM概念起源于Charles Eastman博士的項目，主要發起人是杰里·萊瑟林，目的是為將來的決策提供可靠依據[1]。預制房屋建筑(PHC)具有清潔安全的工作環境、良好的質量，但因碎片化、不連續性、操作性差、實時信息可用性差等缺點對預制房屋施工進度產生不利影響。因此，Clyde等[2]確定并分析可能對PHC進度績效產生影響的進度風險因素，然后開發具有射頻識別設備(RFID)功能的BIM平臺，以處理關鍵進度因素，為不同利益相關者提供服務、工具和機制，提高PHC管理中日常運營和決策的成功率，從而減輕進度風險，提高PHC進度績效，確保項目及時交付。BIM工具很難集成材料庫存中發現的元件數字信息，并不能真正適應復雜元素的建模缺陷，Dautremont等[3]提出BIM和參數化工具間的工作流程。Gang[4]提出在BIM技術支持下實現系統設計和優化的方法，滿足預制構件系統可持續發展要求。以預制構件庫為出發點，對預制構件庫進行裝配設計，形成整體結構的BIM模型，并對BIM模型進行分析審查、碰撞檢查等，根據提出的文件加密算法對文件進行加密，最終形成BIM模型設計方案，指導預制結構生產、運輸和組裝。Aleksandrov等[5]提出用于構建和處理BIM、GIS、點云和傳感器獲取時間序列數據的系統結構，并證明作為區域信息模型(PIM)的一部分，BIM-GIS傳感器集成方法是可行的。系統架構允許靈活構造和操作不同空間數據，以管理三維空間和非空間數據。以能源與環境設計(LEED)中的評級系統領導層為例，研究按照LEED評級系統使用BIM的配置，并制作易于操作的評估模板。張跟柱等[6]在肥東大劇院項目中建立3D參數化BIM模型，全面顯示建筑模型，優化建筑區域分割和建設道路布局。郝會杰等[7]采用BIM軟件結合模板規范，解決三維結構模型不夠精確、封閉轉換層模板數量難以精確測量、復雜外模設計難以精細化等問題。周桂云[8]以鹽城某酒店辦公樓模板設計為背景，利用BIM技術對模板進行優化設計。張鐸等[9]利用BIM技術實現設計協作，運用案例研究建立數學模型，對專業按重要性進行排序，優化設計方案，解決建筑工程多專業設計協同過程中的實際問題。高翔等[10]應用BIM技術解決成都露天音樂廣場主舞臺鋼結構工程節點形式復雜、構件類型多樣、結構形式獨特、施工難度大等問題。

1 超高層建筑BIM技術應用

當超高層建筑具備奇特的形狀及豐富的環保功能時，設計過程中常出現設計效率低、設計繁瑣、管理混亂等問題，將BIM技術應用于高層建筑設計中，是解決這些問題的途徑[11-12]。

1.1 工程概況

中安創谷科技園項目總建筑面積為112 821m2， 其中地上面積89 334m2，地下面積23 487m2，該科技園總平面如圖1所示。 主辦公樓40層頂標高為176.700m，最高點196.800m，為鋼筋混凝土框架-核心筒結構。

圖1 科技園總平面

1.2 鋼結構BIM深化設計

由于超高層建筑鋼結構設計中存在連接復雜、節點眾多等問題，且二維CAD圖紙不能明確表示鋼結構部件的尺寸信息和連接方法，所以在制造、加工鋼結構部件時易發生錯誤。Tekla Structures基于BIM模型，可用于工程數據庫管理，整合從招標、圖紙深化、制造到設置的整個工作流程，所以鋼結構深化設計采用Tekla Structures能較好克服鋼結構設計在二維CAD中存在的問題。

該項目屋頂鋼結構使用Tekla Structures進行3D立體建模，螺栓和桿件通過3D實體建模輸入整個屋頂鋼結構模型中，螺栓如圖2a所示，結構柱腳三維模型如圖2b所示，可直觀反映鋼結構節點形狀，利用Tekla Structures的圖紙編輯功能，可發送滿足要求的圖紙。在繪制鋼結構圖紙過程中，由于后期存在很多設計變更，需不斷更新模型和圖紙，Tekla Structures可改善圖紙變更后的質量，將錯誤率降到最低。

圖2 鋼結構螺栓及柱腳

2 有限元分析

利用Revit建立屋頂鋼結構三維模型，結合MIDAS Gen，對屋頂鋼結構安全性進行有限元分析。

2.1 有限元模型

1)鋼結構模型導入MIDAS Gen 將Revit建立的鋼結構模型導入MIDAS Gen中，對鋼結構進行有限元分析。

2)荷載種類 屋頂鋼結構承受的恒荷載D為1.5kN/m2，基本雪壓S為0.60kN/m2，基本風壓L為0.35kN/m2，活荷載分項系數為1.4，組合系數為0.7，靜力荷載組合工況如下：①1.35D+1.4×0.7L；②1.2D+1.4L；③1.0D+1.4L；④1.35D+1.4×0.7×(L+S)；⑤1.2D+1.4×(L+S)；⑥1.0D+1.4×(L+S)。

3)邊界條件 實際建模中，不同柱腳支座是通過解除約束建立的，該鋼結構部件間的節點均為焊接連接方式，由于實際節點傳遞彎矩產生的應力效應比軸力小，所以通過焊接節點模擬鋼結構實際狀況。模型邊界如圖3所示。

圖3 模型邊界

2.2 靜力分析

評估建筑結構安全性時，首先對結構進行靜態分析。利用MIDAS Gen對屋頂鋼結構進行靜態分析計算后，可獲得結構桿件的應力比、應力及最大豎向變形，根據結構桿件應力比圖可得，桿件應力比全部<1，所以屋頂鋼結構桿件滿足規范要求；由結構桿件應力圖可得，在包絡負荷條件下，結構桿件最大應力為157MPa，小于屈服應力(345MPa)。根據結構最大豎向變形可知，屋頂鋼結構撓度最大值為6.5mm，因為結構桿件跨度為12m，規范要求結構桿件撓度不超過最小跨度的1/250，即48mm，因此屋頂鋼結構桿件最大豎向變形滿足要求。

2.3 動力分析

2.3.1模態分析

利用MIDAS Gen對屋頂鋼結構進行模態分析，得到結構的前12階模態頻率與周期，如圖4所示。由圖4可得，隨屋頂鋼結構模態階數的增加，結構自振頻率不斷增大，而屋頂鋼結構周期卻不斷變小。屋頂鋼結構前3階模態頻率圖中，第1，2，3階模態主要為x向平移、y向平移及以z軸為中心的旋轉。選取第1階模態進行分析，結構第一平動自振周期T1為2.628 6s，第一扭轉自振周期Tt為1.856 2s，模態周期比Tt/T1為0.706，小于規范要求的0.85，故屋頂鋼結構周期比符合規范。

圖4 結構前12階頻率與周期

2.3.2反應譜分析

根據振型分解法，結構在任意瞬間所受的地震作用是該瞬間結構所受各振型的地震作用和。本工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.1g，特征周期為0.35s，建筑場地類別為Ⅱ類，結構阻尼比為0.02。本工程水平地震作用僅考慮x，y向工況，即Ex,Ey。

通過MIDAS Gen對屋頂鋼結構進行反應譜分析，得到結構在x，y向地震作用下的總位移云圖及總應力云圖。從云圖中提取結構在x，y向地震作用下的位移和應力，如表1所示。由表1可知，屋頂鋼結構最大應力為174MPa，小于屈服應力345MPa；屋頂鋼結構最大位移為4.1mm，小于規范要求L/250的48mm。由此可得屋頂鋼結構在x，y向地震作用下的應力和位移均滿足要求。

表1 結構位移及單元應力的最大值

屋頂鋼結構在荷載組合工況⑤時的總位移與總應力云圖中，結構最大應力為192MPa，小于屈服應力。由總應力云圖可知，結構最大位移為14.5mm，小于規范要求的48mm，所以屋頂鋼結構在荷載組合工況下的位移與應力滿足要求。

綜上可得，屋頂鋼結構在動力分析中均滿足規范要求。

3 結語

1)通過BIM技術對鋼結構進行深化設計，利用Tekla Structures對屋頂鋼結構進行立體建模，該立體模型包含鋼結構所有信息，可實現鋼結構精確出圖、結構桿件統計，提高鋼結構出圖效率及出圖精度。

2)通過Revit建立屋頂鋼結構三維模型，將屋頂鋼結構三維模型導入MIDAS Gen，利用MIDAS Gen對屋頂鋼結構進行靜態分析，屋頂鋼結構最大應力為157MPa，豎向最大位移為6.5mm。利用MIDAS Gen對屋頂鋼結構進行動力分析，模態分析中的第1階模態周期比為0.706，在反應譜分析中，x，y向地震作用下的最大應力為174MPa，最大位移為4.1mm。屋頂鋼結構在各種荷載組合工況下的最大應力為192MPa，最大位移為14.5mm。通過對比結果與規范，滿足規范要求，由此可得基于BIM的鋼結構有限元分析具有實用性。