BIM技術在高層基礎組合隔震結構中的應用

齊 杰1 張 磊2 趙金年

(1.深圳市華陽國際工程設計股份有限公司，深圳 518048；2.深圳市華陽國際城市科技有限公司，深圳 518048；3.蘭州城市建設設計院，蘭州 730050)

引言

隨著工業技術和世界經濟的快速發展，建筑物正向“高、大、復、柔”的方向發展，如超高層建筑、高聳建筑、大跨度橋梁和復雜空間結構等各類結構，工程師們需要面臨一些更新更復雜的問題[1-2]。

數字虛擬空間里模擬出的建筑信息模型可直觀營建出完整的設計理念，使建筑全生命周期信息化，設計全階段可視化，使大型復雜結構體系能夠得以實現，與傳統的二維設計形成了鮮明對比[3]。在工業化和信息化普及深化的趨勢下，BIM技術是建筑業轉型升級和第二次變革的重要驅動力。

自我國引進BIM技術以來，已應用于國家游泳中心(水立方)、上海世博會中國館、中國尊、上海中心大廈、望京SOHO、國家會展中心(上海)、鳳凰國際傳媒中心、上海迪士尼樂園及天津周大福金融中心等工程中[4]。

1 BIM技術與結構振動控制技術

1.1 BIM技術特點

(1)可視化設計

可視化是CAD與BIM最為顯著的區別之一，即便是Sketchup模型也只是方案推敲和階段效果展示。數字化信息模型是可視化溝通的橋梁，BIM 提供的可視化思路，將以往線條形的構件用數字化構件展現出真實的建筑結構模型，讓模型的展現更符合人的直覺。 模擬設計出的建筑結構模型，可以提高建筑物的真實性和體驗感，更清楚地理清建筑的空間位置關系。在設計中實現“所見即所得”[5]。

(2)參數化設計

Revit的核心是參數變更，模型圖元的參變可以通過軟件的協同和變更管理功能完成； 任何圖元的修改都將在相關位置得到聯動，一個結構構件的變化聯動相關構件的變化； 不同的圖元通過參數維持它們的關系，并且在不同的參數之間施加一定的約束，形成關聯或連接。通過參數化可以大大提高結構專業建模效率[6]。

1.2 結構振動控制技術

中國是全球地震活動頻度高的國家之一，地震中建筑物倒塌和破壞導致了人員傷亡和財產損失。人們希望保護生命安全的同時還能保護財產安全，“生命線”工程其使用功能還不能中斷，需要在抗震防災減災中承擔重要的任務[7]。傳統抗震設計思想設計與現今時代人類的需求產生了矛盾，因此設計理論需要改進[8]。而基于性態的抗震設計和結構振動控制技術的出現帶來了抗震設計理論的變革。

減隔震技術就是結構振控技術中兩種方式。隔震結構是在一般的抗震結構某層設置隔震層并布置隔震支座[9]； 而減震結構是在一般的抗震結構附設消能減震裝置與原結構組成新的結構類型[10-11]。減隔震技術可以有效減少建筑上部結構的地震作用和風荷載作用，大大提高結構抗震和抗風的能力，在歷次地震和強風中到了有效驗證[12-13]； 確保結構安全冗余度和建筑功能可持續，滿足韌性城市的基本要求。

圖1 結構振控技術示意圖

2008年汶川地震促動了減隔震技術在中國的應用，我國應用減隔震技術眾所周知的項目有北京大興國際機場、港珠澳大橋、重慶來福士廣場、中國國際絲路中心大廈、首都博物館東館、西安國際絲路中心、蘆山縣人民醫院、北京通惠家園地鐵車輛段、上海徐涇萬科天空之城地鐵上蓋等項目[14-15]。

2 工程概況

建筑物地上15層，一層高3.60m，二層至十五層高2.90m，屋頂機房層高4.20m； 地下室共2層，地下一層高4m； 地下二層為隔震層，層高2m； 主屋面高度44.50m，長25.80m，寬14.80m，高寬比為3。

2.1 結構概況

隔震層通過轉換托起上部結構，上部結構體系為剪力墻結構，丙類建筑。設防烈度九度(0.4g)，抗震等級一級，地下室底板嵌固。地震分組第三組，特征周期0.45s。組合隔震結構計算模型見圖3。

圖2 建筑整體效果圖

圖3 組合隔震結構計算模型

2.2 減隔震設計概況

減隔震裝置作為一種預制構件，項目共設置59套隔震支座和6套粘滯阻尼器。在隔震層上柱墩底采取一柱一支座形式布置隔震支座，結構外圍布置23套鉛芯橡膠支座，結構內部布置36套天然橡膠支座； 粘滯阻尼器沿X、Y方向兩個主軸邊跨分別布置4套和2套，與主體結構采用單斜桿對角支撐型連接。減隔震裝置平面布置圖如圖4所示。

圖4 支座和阻尼器平面布置圖(CAD)

3 BIM模型案例分析

減隔震結構相比一般的抗震結構具有特殊性，涉及新技術和新材料，設計和施工相對較為復雜； 目前BIM技術在結構中的應用多局限于結構翻模，而且基本都是一般的抗震結構。本文應用BIM技術采用Revit軟件，對高烈度區某高層基礎組合隔震結構搭建整體結構模型，更直觀地闡述減隔震結構的組成及原理。由于BIM能方便統計結構信息，嘗試通過明細表統計減隔震裝置的力學性能參數和工程量。通過共享BIM模型數據一模多用，嘗試解決BIM模型結構計算的短板，探索BIM技術在高層減隔震結構設計中的應用。

3.1 上部與下部結構建模

通過鏈接CAD圖紙作為底圖載入到Revit軟件，在平面和立面圖中分別創建軸網和標高，之后根據構件的位置及截面開始上部結構的建模。

Revit提供了多種類型的基礎，比如擴展基礎、筏板基礎、樁基礎等。項目選用在下支墩下布置樁基礎。

3.2 隔震層建模

隔震層能夠有效耗散地震能量，降低上部結構地震響應，上部可降一度進行抗震設計。因此實現這個特殊的隔震層就顯得很關鍵。隔震層建模與一般結構無異，重點在于隔震支座和阻尼器這兩個裝置，Revit系統族里沒有相應可用的族，需要單獨創建可載入族。由于存在多種類型及型號的隔震支座和參數較多的阻尼器，故采用參數化創建支座和阻尼器的族，在族參數和共享參數里規劃相關參數，族樣板采用公制常規模型[16]。

(1)隔震支座

由于項目選用了兩種類型的支座，每種類型支座有幾種尺寸，考慮創建兩個類型族通過參變實現不同型號。

圖5 天然橡膠隔震支座三維及剖面圖

圖6 鉛芯橡膠隔震支座三維及剖面圖

(2)阻尼器

項目選用了一種型號的液體粘滯阻尼器。

圖7 粘滯阻尼器三維圖

隔震層平面布置和三維圖分別見圖8～9。

圖8 支座和阻尼器平面布置圖(Revit)

圖9 隔震層三維圖

3.3 結構整體模型和爆炸分解模型

模型除了能在平面、立面、剖面、三維四種視圖顯示外，還能制作爆炸分解圖。爆炸分解圖是結構的立體裝配圖，可以將所有構件炸開，爆炸的程度為可分辨出單獨的構件和細節，也可以只爆炸結構重要的部位。清楚認識建筑的整體結構框架與局部，更好地理解結構的組成關系。搭建的結構整體模型三維及立面詳見圖10。

圖10 整體結構模型

結構爆炸分解模型如圖11所示。由圖可見整體結構由上部結構、隔震層、下部結構三部分組成。上部結構包括地上塔樓和地下一層； 隔震層(轉換層)包括轉換梁、上柱墩、減隔震裝置和下柱墩； 下部結構包括地下室底板和樁基礎。

圖11 爆炸分解模型

3.4 明細表

BIM模型中反映了大量的數據信息，由于視圖模式中并不能直觀呈現結構的具體數字信息，卻可以通過明細表以圖表形式了解模型具體數字信息。明細表不僅能快速生成構件明細，還能生成構件物理和力學參數的明細。項目選用的隔震支座和阻尼器的力學參數明細如圖12～13所示。

3.5 Revit與Robot和Yjk雙向鏈接

圖12 隔震支座明細表

圖13 阻尼器明細表

眼下結構工程師主流的設計方法：主要使用結構計算軟件建模計算，然后采用有限元分析軟件進行結構整體或局部受力分析，最終使用CAD繪制施工圖。結構工程師基于BIM 技術的設計方法：將物理模型導入計算分析軟件，軟件進行計算分析，隨后反饋分析結果至Revit，并動態更新物理模型和施工圖，結構計算分析和施工圖兩者達到相互統一[17-18]。當前設計遇到的一個痛點在于，結構分析功能強的軟件建模功能不是很匹配，結構建模功能強的軟件分析功能不是很匹配，如果能夠實現雙向鏈接，達成物理模型和計算分析模型的數據共用，一模多用可以有效縮減建模和計算分析的時間，實現正向設計[19-20]。通過Revit軟件將BIM模型發送至Robot和Yjk軟件，兩種軟件非隔震計算分析模型見圖14。

圖14 Robot 和Yjk結構分析模型

4 結語

(1)通過參數化使得減隔震裝置的創建變得更加方便快捷；

(2)通過結構整體模型和爆炸分解模型對比可以清楚地認識減隔震結構各部分的組成、減隔震裝置與主體結構之間的關系，可視化使得減隔震結構能夠得以直觀真實準確的展現；

(3)通過明細表可以圖表的形式了解結構選用和布置的減隔震裝置力學信息；

(4)通過Revit與Robot和Yjk軟件間雙向鏈接，嘗試了結構信息的相互交換和共享，實現一模多用。

5 展望

在“新基建”的背景下，隨著AI技術、3D打印技術、裝配式技術、結構振控技術以及BIM和CIM技術的發展，未來很有可能實現建筑全工業化生產，像造車一樣造建筑。