BIM技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李雙雙

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 城市軌道與地下工程設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

BIM技術(shù)是以數(shù)據(jù)信息為核心，對(duì)工程項(xiàng)目分析模擬、三維可視化、二維出圖、施工模擬、運(yùn)維管理的過(guò)程，其作為建筑信息化的重要技術(shù)逐步推廣應(yīng)用于各類工程技術(shù)［1］。

隨著車站結(jié)構(gòu)模型日益復(fù)雜，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中，設(shè)計(jì)師必須根據(jù)建筑二維平面圖想象空間三維結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式，并重新建立車站結(jié)構(gòu)計(jì)算模型；當(dāng)遇到重大方案變更時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型需要隨之進(jìn)行大量修改，甚至重新建模，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工程師缺少對(duì)結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算的專注［2］。

Revit軟件是目前我國(guó)城市地鐵工程中使用最廣泛的BIM軟件之一［3］，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式對(duì)比，利用Revit軟件可實(shí)現(xiàn)模型平面、立面、剖面不同視圖之間的信息聯(lián)動(dòng)，各專業(yè)均可基于同一個(gè)幾何物理模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，即使遇到方案變更，也可大大減少不同專業(yè)設(shè)計(jì)師修改模型的工作量，可有效提高設(shè)計(jì)師的工作效率。

在城市地鐵工程中，地鐵車站設(shè)計(jì)涉及建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、系統(tǒng)等眾多工程設(shè)計(jì)專業(yè)，各專業(yè)間聯(lián)系緊密，專業(yè)間相互協(xié)同配合非常重要。目前BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)應(yīng)用較少，市場(chǎng)上能與BIM工作平臺(tái)無(wú)縫對(duì)接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的軟件少之又少［4-9］，目前沒(méi)有成熟的軟件適用于城市地鐵工程車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可以實(shí)現(xiàn)Revit軟件與計(jì)算軟件良好對(duì)接且結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

因此，如何完美對(duì)接Revit模型與結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型、打通BIM協(xié)同設(shè)計(jì)的一體化流程、提高結(jié)構(gòu)專業(yè)在BIM設(shè)計(jì)中的參與度，成為目前研究的重難點(diǎn)。以武漢地鐵12號(hào)線園林路站為例，測(cè)試北京盈建科軟件有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱盈建科）開(kāi)發(fā)的BIM輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（YJK），通過(guò)對(duì)比YJK與SAP軟件的計(jì)算結(jié)果，為結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM設(shè)計(jì)師的正向設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 車站概況

園林路站為武漢市地鐵12號(hào)線的一個(gè)換乘車站，車站全長(zhǎng)176.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬23.5 m，為地下3層站。車站位于武漢市洪山區(qū)和平街武豐村，團(tuán)結(jié)大道與園林路交叉路口以北，沿園林路地下南北方向布設(shè)，車站南端設(shè)換乘通道，可與既有4號(hào)線換乘。園林路站平面位置示意見(jiàn)圖1。

圖1 園林路站平面位置示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

（1）計(jì)算理論模型：主體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用荷載-結(jié)構(gòu)模式，計(jì)算模型為底板置于彈性地基上的平面框架，對(duì)主體結(jié)構(gòu)按各階段實(shí)際工況進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)要求，按荷載最不利組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪、抗壓、抗扭強(qiáng)度和裂縫寬度驗(yàn)算。

（2）設(shè)計(jì)使用年限：地下結(jié)構(gòu)中的主體結(jié)構(gòu)及其相連的重要構(gòu)件，按可靠度理論設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)使用年限為100年。主要構(gòu)件包括構(gòu)成主體框架的各層樓板、側(cè)墻、框架梁、框架柱以及其他在維護(hù)或更換時(shí)會(huì)影響正常運(yùn)營(yíng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

（3）結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：地鐵結(jié)構(gòu)中，主要構(gòu)件的安全等級(jí)為一級(jí)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)取1.1；按荷載效應(yīng)的偶然組合進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)取1.0。

（4）荷載及分項(xiàng)系數(shù)取值按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和地鐵車站的使用要求確定。考慮最不利水位承受全水頭水壓力，竣工初期水位位于底板下1 m。設(shè)備區(qū)荷載按8 kPa計(jì)算，超過(guò)8 kPa按設(shè)備實(shí)際質(zhì)量及運(yùn)輸路線計(jì)算；公共區(qū)人群荷載按4.0 kPa計(jì)算。地面活荷載考慮土層擴(kuò)散效應(yīng)按均布荷載計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)段按20 kPa計(jì)算，端頭井按30 kPa計(jì)算。盾構(gòu)端頭墻的盾構(gòu)臨時(shí)組裝拆卸帶來(lái)的地面超載按75 kPa計(jì)算。

2 結(jié)構(gòu)受力分析軟件

2.1 SAP

微機(jī)結(jié)構(gòu)分析通用軟件SAP84是常用的結(jié)構(gòu)受力分析軟件之一，具有力學(xué)模型合理、使用方便、功能強(qiáng)、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。SAP84圖形交互系統(tǒng)GIS可以通過(guò)交互式圖形生成SAP84的數(shù)據(jù)文件，其工具欄見(jiàn)圖2。該軟件通過(guò)自動(dòng)迭代計(jì)算處理單向受力的桿件和彈簧，可以比較好地解決一般受土壤作用的地下結(jié)構(gòu)，因此常采用SAP進(jìn)行城市地鐵車站的結(jié)構(gòu)受力分析。

但目前SAP尚未開(kāi)發(fā)出與Revit的接口。因此，采用此軟件的車站力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果作為驗(yàn)證YJK計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的依據(jù)。

2.2 midas Gen

midas Gen是通用的空間有限元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其工具欄見(jiàn)圖3。該軟件在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和空間特構(gòu)方面有明顯優(yōu)勢(shì)，可綜合處理有層和無(wú)層的結(jié)構(gòu)類型；適用于民用建筑、工業(yè)建筑等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。除了一般的靜力、動(dòng)力分析外，還可以進(jìn)行施工階段、水化熱、靜力彈塑性、動(dòng)力彈塑性、隔震和消能減震分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)更合理的結(jié)構(gòu)提供有力的工具。目前midas Gen也是城市地鐵車站進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析的常用軟件之一。

圖3 midas Gen工具欄

經(jīng)過(guò)測(cè)試，midas Gen與Revit的接口在模型傳導(dǎo)過(guò)程中數(shù)據(jù)丟失較嚴(yán)重，因此，采用此軟件的車站力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果作為驗(yàn)證YJK計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的依據(jù)。

2.3 YJK

YJK是一套集成化建筑結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)軟件，軟件功能主要包括結(jié)構(gòu)建模、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和接口軟件等，其工具欄見(jiàn)圖4。軟件依據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)系列規(guī)范編制，在連續(xù)完成恒、活、風(fēng)、地震作用等效應(yīng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，自動(dòng)完成荷載效應(yīng)組合、考慮抗震要求調(diào)整、構(gòu)件設(shè)計(jì)及驗(yàn)算等，基于受力分析計(jì)算的結(jié)果，軟件還可以自動(dòng)選配鋼筋并進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)，這些特點(diǎn)都是SAP系列軟件不具備的。

圖4 YJK工具欄

BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)剛開(kāi)始進(jìn)行推廣時(shí)，盈建科便著手開(kāi)發(fā)YJK與Revit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。目前已開(kāi)發(fā)出Revit-YJK軟件，其工具欄見(jiàn)圖5。該軟件實(shí)現(xiàn)了YJK和Revit數(shù)據(jù)雙向互通，轉(zhuǎn)換程序中內(nèi)置了與結(jié)構(gòu)計(jì)算模型截面一致的Revit參數(shù)族，該接口在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配族類型，智能處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的連接關(guān)系。模型經(jīng)接口轉(zhuǎn)換后，可繼續(xù)在Revit中對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行數(shù)據(jù)修改等操作。

圖5 Revit-YJK工具欄

但目前YJK僅廣泛適用于框架、框剪、剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)等多高層建筑結(jié)構(gòu)形式，在城市地鐵車站這種地下結(jié)構(gòu)中應(yīng)用很少。因此，采用該軟件進(jìn)行地鐵車站主體結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析計(jì)算，并將其計(jì)算結(jié)果與SAP的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適用性。

3 結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.1 SAP

SAP84采用平面桿系有限單元法計(jì)算，車站主體結(jié)構(gòu)按底板支撐在彈性地基上的平面框架進(jìn)行內(nèi)力分析，取縱向1 m的斷面為1個(gè)計(jì)算單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。用梁?jiǎn)卧M各層板、側(cè)墻及柱等構(gòu)件，各構(gòu)件截面特性及材料按結(jié)構(gòu)實(shí)際取值，節(jié)點(diǎn)位置取結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)。底板、側(cè)墻外的土體采用受壓彈簧模擬，彈簧剛度根據(jù)地勘資料提供的底板、側(cè)墻所處地層的基床系數(shù)確定。

利用SAP84對(duì)園林路站的標(biāo)準(zhǔn)段和盾構(gòu)段分別進(jìn)行二維受力分析計(jì)算。

3.2 midas Gen

利用midas Gen進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，三維模型中的單元類型主要包括梁?jiǎn)卧桶鍐卧?種單元類型，其中，梁柱采用二節(jié)點(diǎn)三維彈性梁?jiǎn)卧鍓Σ捎盟墓?jié)點(diǎn)三維彈性板單元。材料特性取值按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，構(gòu)件自質(zhì)量由程序自動(dòng)加載。

利用midas Gen對(duì)園林路站進(jìn)行三維受力分析計(jì)算，其部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 midas Gen計(jì)算結(jié)果

3.3 YJK

BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，主要是不同軟件之間數(shù)據(jù)交換時(shí)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、丟失以及結(jié)構(gòu)三維物理模型向分析模型簡(jiǎn)化的問(wèn)題［3］；利用盈建科開(kāi)發(fā)的Revit-YJK交換接口，可以較好地保證物理模型和分析模型同時(shí)轉(zhuǎn)換，從而確保結(jié)構(gòu)分析的精確度。

利用Revit-YJK，實(shí)現(xiàn)Revit與YJK的互導(dǎo)，YJK計(jì)算模型與Revit結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖7，對(duì)園林路站進(jìn)行三維受力分析計(jì)算，其部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖7 YJK計(jì)算模型與Revit結(jié)構(gòu)模型

圖8 YJK計(jì)算結(jié)果（標(biāo)準(zhǔn)段斷面彎矩圖）

3.4 軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)Revit-YJK對(duì)園林路站進(jìn)行實(shí)際工程建模，測(cè)試Revit與YJK互導(dǎo)，與二維SAP計(jì)算結(jié)果比較，并通過(guò)midas Gen三維模型計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn)段彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、盾構(gòu)段彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。經(jīng)比較分析，YJK三維計(jì)算內(nèi)力分布合理，但是部分?jǐn)?shù)值稍偏小，考慮二維平面應(yīng)變計(jì)算結(jié)果普遍較實(shí)際內(nèi)力偏大，可認(rèn)為三維計(jì)算內(nèi)力總體較合理。

表1 標(biāo)準(zhǔn)段彎矩計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2 盾構(gòu)段彎矩計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)

YJK計(jì)算完成后可以自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三維鋼筋，便于查看構(gòu)件的三維鋼筋排布以及鋼筋工程量統(tǒng)計(jì)。但目前YJK施工圖模塊默認(rèn)的鋼筋排布樣式以及平法鋼筋圖的表達(dá)樣式偏向于民用建筑，與地鐵車站結(jié)構(gòu)施工圖表達(dá)樣式有些差異，施工圖表達(dá)對(duì)比見(jiàn)圖9。因此，若想在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推廣YJK的應(yīng)用，須對(duì)YJK多模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使其適用于地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。

圖9 施工圖表達(dá)對(duì)比

5 結(jié)論

（1）通過(guò)測(cè)試Revit-YJK接口軟件的BIM模型轉(zhuǎn)換功能可知，該接口可以實(shí)現(xiàn)地鐵車站Revit結(jié)構(gòu)模型和YJK計(jì)算模型間較好地轉(zhuǎn)換，但該接口目前不支持荷載的傳遞，且混凝土構(gòu)件的材料屬性匹配存在問(wèn)題，因此完成模型互導(dǎo)后，需要對(duì)模型修改才能進(jìn)行下一階段的應(yīng)用。

（2）分別通過(guò)SAP、midas Gen、YJK進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，對(duì)比計(jì)算結(jié)果，YJK地鐵車站三維模型計(jì)算結(jié)果數(shù)值略微偏小，考慮到二維平面應(yīng)變計(jì)算結(jié)果普遍較實(shí)際內(nèi)力偏大，可認(rèn)為YJK三維計(jì)算內(nèi)力總體較合理。

（3）YJK完成結(jié)構(gòu)計(jì)算后，可以利用軟件自帶的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工圖的輔助設(shè)計(jì)，自動(dòng)進(jìn)行構(gòu)件配筋及施工圖設(shè)計(jì)。但該軟件是按地上多高層結(jié)構(gòu)的圖集及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行鋼筋排布、施工圖自動(dòng)繪制，與地鐵結(jié)構(gòu)施工圖表達(dá)樣式存在差異。

（4）若要在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推廣YJK的應(yīng)用，須對(duì)YJK多模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使其適用于地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。