基于Revit 的BIM 技術(shù)在異型空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

周勇

（中國(guó)十九冶集團(tuán)有限公司，四川 成都 610031）

隨著人們的生活水平和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的大幅度提高，建筑師的想法越來越大膽，不斷提出前所未有的新穎的設(shè)計(jì)理念。為了符合建筑的造型裝飾要求，異型鋼結(jié)構(gòu)隨之產(chǎn)生。由于空間異型鋼結(jié)構(gòu)三維模型不能用簡(jiǎn)單的函數(shù)表達(dá)，給模型的創(chuàng)建帶來了極大的障礙。Revit體量建模能力極其強(qiáng)大，可以創(chuàng)建任意三維形狀，為空間異型鋼結(jié)構(gòu)建模提供了一種新的思路。但是，目前我國(guó)的BIM(Building Information Modeling)技術(shù)應(yīng)用仍然處于起步階段，主要應(yīng)用于施工管理，張彥坤[1]針對(duì)項(xiàng)目施工管理中的三大管理目標(biāo)運(yùn)用BIM 技術(shù)進(jìn)行具體的分析，通過對(duì)施工進(jìn)度、質(zhì)量和成本進(jìn)行控制取得了較好的效果。王成華[2]認(rèn)為隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也隨之增強(qiáng)，傳統(tǒng)的施工管理模式已不能適應(yīng)當(dāng)前施工管理工作，通過BIM 技術(shù)策劃，構(gòu)建BIM信息化模型，提升了現(xiàn)場(chǎng)施工管理水平，提高了項(xiàng)目效益。李彭[3]將BIM 技術(shù)與建筑施工成本精細(xì)化管理結(jié)合，極大提高了企業(yè)在成本控制中的經(jīng)濟(jì)效益。目前BIM 技術(shù)極少運(yùn)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用方面。龍輝元[4]分析了當(dāng)前BIM 技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的難點(diǎn)，由于結(jié)構(gòu)分析模型中包含了大量的力學(xué)分析要素，如桿件有限元單元類型、截面特性、分析假定和支座設(shè)定條件等，因此BIM 模型信息極為繁瑣，BIM 信息模型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析模型無法完美銜接。另外，BIM 相關(guān)軟件本身在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用功能不完善，如BIM 核心建模軟件不能有效對(duì)接常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM，3D3S，ADINA，ANSYS 等，使結(jié)構(gòu)模型力學(xué)分析受到很大的限制，因此目前BIM 信息化技術(shù)在設(shè)計(jì)方面真正的運(yùn)用還比較少，極大影響了BIM 信息化技術(shù)的運(yùn)用和推廣。

本文以某空間異型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，通過對(duì)結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建體量族，提取BIM 模型信息，以CAD 為中轉(zhuǎn)導(dǎo)入3D3S 中，成功實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，初步實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在空間異型鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，旨在響應(yīng)國(guó)家大政方針，推廣BIM 技術(shù)應(yīng)用，為BIM 技術(shù)開發(fā)者和應(yīng)用者提供一些方向。

1 BIM 概念體量的創(chuàng)建及其在建模中的應(yīng)用

在Revit 軟件中，族是組成項(xiàng)目的構(gòu)件，同時(shí)也是參數(shù)化建模的信息化載體；體量可以在建筑模型的初始設(shè)計(jì)中形成三維形狀，通過體量研究，可以生成各種異型建筑的空間模型。Revit 提供了概念體量工具，可用于項(xiàng)目前期概念設(shè)計(jì)階段，為建筑師提供靈活、簡(jiǎn)單、快速的概念設(shè)計(jì)模型。建筑師可以通過概念體量模型推敲建筑形態(tài)，可以統(tǒng)計(jì)概念體量模型的建筑樓層面積、占地面積和外表面積等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)概念體量模型表面創(chuàng)建建筑模型中的墻、樓板、屋頂?shù)葓D元對(duì)象，完成從概念設(shè)計(jì)到方案和施工圖設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換。利用Revit 靈活的體量建模功能，可以創(chuàng)建NURBS 曲面模型，并通過該曲面轉(zhuǎn)換為屋頂、墻體等對(duì)象，在項(xiàng)目中創(chuàng)建復(fù)雜對(duì)象模型。在Revit 中，還可以對(duì)概念體量的表面進(jìn)行劃分，配合使用“自適應(yīng)構(gòu)件”生成多種復(fù)雜表面肌理。

在Revit 中創(chuàng)建體量有兩種方式，一種是“在項(xiàng)目中創(chuàng)建體量”；實(shí)現(xiàn)的方法：體量和場(chǎng)地→概念體量→內(nèi)建體量；另一種是“創(chuàng)建獨(dú)立的概念體量族”，實(shí)現(xiàn)的方法：應(yīng)用程序菜單→新建→概念體量。

本文以“公制體量.rtf”族樣板為基礎(chǔ)，創(chuàng)建三維模型的概念體量族。

具體操作步驟如下。步驟一：由于本文的建筑結(jié)構(gòu)空間為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此取結(jié)構(gòu)左半邊進(jìn)行建模。以結(jié)構(gòu)對(duì)稱軸為原點(diǎn)，為保證結(jié)構(gòu)模型的精度，在CAD 中確定每個(gè)異型面的邊界控制點(diǎn)坐標(biāo)。步驟二：通過Revit 的CAD 導(dǎo)入功能導(dǎo)入空間結(jié)構(gòu)每個(gè)異型面的邊界控制點(diǎn)坐標(biāo)，并將邊界控制點(diǎn)坐標(biāo)生成每個(gè)異型面的邊界線，通過Revit 創(chuàng)建形狀功能，創(chuàng)建異型結(jié)構(gòu)的每個(gè)異型面（見圖1）；步驟三：將Revit 概念體量中的所有創(chuàng)建的異型面進(jìn)行整體拼接，得到半結(jié)構(gòu)模型（見圖2）；步驟四：在Revit 中直接對(duì)異型面進(jìn)行網(wǎng)格剖分（見圖3），導(dǎo)入CAD 進(jìn)行過簡(jiǎn)單的處理，便可生成桿件單線圖，為整體空間網(wǎng)格模型桿件的布置提供了極大的便利，通過鏡像得到整體結(jié)構(gòu)線框模型（見圖4）。

圖1 異型面

圖2 半結(jié)構(gòu)模型

圖3 面剖分

圖4 整體結(jié)構(gòu)線框模型

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為8 度（0.2g），場(chǎng)地類別為二類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本風(fēng)壓為0.55KN/m2。

考慮到本工程空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，同時(shí)節(jié)點(diǎn)處桿件較多，決定使用圓鋼管。原因是圓形桿件可以有效避免方鋼管各向異性在節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力集中的問題，同時(shí)避免了桿件方位的判別問題。此外，本工程空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特別不規(guī)則，極大地增加了節(jié)點(diǎn)處理難度，使用圓形桿件也可以降低節(jié)點(diǎn)制作難度。

利用3D3S 進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析計(jì)算，計(jì)算模型見圖4，為了滿足建筑效果，對(duì)柱子的數(shù)量和布置位置嚴(yán)格要求，最后的整體計(jì)算模型中帶有20m 大跨外加8.3m 懸挑，考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，模型所有節(jié)點(diǎn)采用全剛接，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比控制不宜過高，結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力比控制為0.8，圖5 為計(jì)算所得空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)二層面應(yīng)力云圖，圖6 為結(jié)構(gòu)整體計(jì)算內(nèi)力云圖，圖7 為結(jié)構(gòu)整體最大位移，為22.9mm，皆滿足規(guī)范要求。

圖5 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)二層面應(yīng)力云圖

圖6 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算內(nèi)力云圖

圖7 結(jié)構(gòu)整體最大位移

3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)驗(yàn)算

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處桿件較多，節(jié)點(diǎn)連接處的處理極為復(fù)雜，同時(shí)考慮到空間結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，決定對(duì)結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)采用剛接節(jié)點(diǎn)。

考慮到本結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，盡量真實(shí)模擬節(jié)點(diǎn)剛性，最終決定采用焊接空心球加相貫焊節(jié)點(diǎn)，即在桿件干涉處采用管管相貫辦法處理，匯交兩桿中，截面積大的桿件必須全截面焊接在球上（當(dāng)兩桿截面面積相等時(shí)，取受拉桿），另一桿坡口焊在相匯交桿上，但相應(yīng)保證有3/4截面在球上并設(shè)置加勁板見圖8，在受力較大的地方設(shè)置支托板見圖9。

圖8 加勁板

圖9 支托板

在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，在此空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中桿件除承受軸力外，還承受相當(dāng)大的彎矩，且部分節(jié)點(diǎn)彎矩起控制作用，但目前規(guī)范對(duì)焊接空心球節(jié)點(diǎn)在軸力和彎矩共同作用下的設(shè)計(jì)方法尚屬空白，董石麟等[8]對(duì)此種節(jié)點(diǎn)做了深入的研究，并總結(jié)出實(shí)用計(jì)算公式，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該公式的可用性，并成功應(yīng)用于國(guó)家體育館水立方。本文通過董石麟等[8]總結(jié)出的公式，運(yùn)用MathCAD 編制計(jì)算程序，驗(yàn)證焊接球的極限承載能力，通過計(jì)算，確定選用250mm×10mm 焊接球,即可滿足要求。

4 結(jié)論

本工程的難點(diǎn)在于空間結(jié)構(gòu)體系特別復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的空間異型面特別多，三維空間模型的建立極為困難，同時(shí)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在規(guī)范中尚屬空白。本文在BIM 核心建模軟件Revit 中創(chuàng)造性地創(chuàng)建概念體量族來創(chuàng)建三維空間模型，并成功將Revit 模型導(dǎo)入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件3D3S 中進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，初步實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用Revit 概念體量創(chuàng)建在空間中特別復(fù)雜的建筑模型的應(yīng)用。

（1）通過將Revit 概念體量運(yùn)用于復(fù)雜空間異型鋼結(jié)構(gòu)建模中，能夠非常準(zhǔn)確地表達(dá)建筑意圖，全面直觀地建立結(jié)構(gòu)分析模型，同時(shí)通過在Revit 中直接進(jìn)行網(wǎng)格的剖分，從Revit 導(dǎo)出后即可形成單線圖，為后期導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置提供方便。

（2）以CAD 為中轉(zhuǎn)，將Revit 幾何信息模型導(dǎo)入到計(jì)軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，所建立的模型成功實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，證明了該方法準(zhǔn)確有效。

本文的工作只是初步的，尚有許多方面值得深入研究。

（1）由于Revit 所提供的概念體量功能僅僅是在建筑模型初步設(shè)計(jì)中進(jìn)行三維形狀的設(shè)計(jì)，所以本文基于概念體量的方法僅僅創(chuàng)建了建筑模型的幾何信息，無法對(duì)建筑模型添加物理信息，降低了建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的效率。

（2）在完成該實(shí)際項(xiàng)目時(shí)，作者對(duì)本文提出的方法進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的探索，但時(shí)間比較緊迫，大部分的工作未實(shí)現(xiàn)全部自動(dòng)化，模型轉(zhuǎn)換速度較慢，同時(shí)導(dǎo)入CAD 后需要簡(jiǎn)單修正，效率依然不夠高。

（3）在BIM 建模過程中，模型參數(shù)信息僅僅是該結(jié)構(gòu)的物理模型信息，其結(jié)構(gòu)力學(xué)分析所需附帶的有限元單元類型、力學(xué)假定和支座條件等并不附帶，因此并未實(shí)現(xiàn)力學(xué)有限元分析和BIM 建模的無縫銜接，有待后續(xù)深入研究。