鋼結構裝配式住宅建筑標準化設計及抗震設計優(yōu)化分析

孫 超

（同圓設計集團股份有限公司，山東 濟南 250103）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對住宅的需求已經從數量需求轉變成質量和安全需求[1]。鋼結構具備強度高、自重輕、剛度大等優(yōu)勢，且裝配式施工方式可提升住宅建筑的施工效率和質量[2]，因此鋼結構裝配式住宅建筑已逐步取代傳統(tǒng)的以現澆為主的住宅建筑[3]。但在鋼結構裝配式住宅建筑的推廣過程中，其工業(yè)化水平相對較低、抗震性能較差、構件標準不統(tǒng)一等問題逐漸凸顯[4-5]。基于此，本文分析鋼結構裝配式住宅建筑的標準化設計與優(yōu)化抗震設計，為鋼結構裝配式住宅建筑工業(yè)化水平及安全性能提供技術參考。

1 工程概況

某地住宅小區(qū)規(guī)劃包括9 棟11 層住宅、7 棟6 層住宅、1棟3層幼兒園、臨街設有商業(yè)且高度為2層。本文以20#樓的鋼結構裝配式住宅建筑為例，開展標準化設計與優(yōu)化設計研究，其建筑功能類型為住宅與商業(yè)結合，地上11層，其中底部2層位為商業(yè)，高度共33.6m，住宅區(qū)為標準層高，高度為2.8m，商業(yè)層較高，高度為4.2m。

遵循鋼結構裝配式住宅建筑建設要求，設置其建設配置如表1 所示。對于矩形鋼管混凝土框架柱中第一層柱、標準層柱的截面大小分別為450×16、400×10/400×12；框架梁截面尺寸為H400×200×6×14。鋼結構裝配式住宅建筑平面布置圖如圖1所示。

圖1 鋼結構裝配式住宅建筑平面布置圖

表1 鋼結構裝配式住宅建筑配置詳情

2 鋼結構裝配式住宅建筑的標準化設計

2.1 預制構件庫構建

基于BIM 的鋼結構裝配式住宅建筑標準化設計基礎工作就是預制構件庫的建立，統(tǒng)計分析已有結構的構件，構建不同類型預制構件。本文構建預制構件庫詳情見表2所示。

表2 預制構件庫詳情

不同預制構件類型有預制梁、預制柱、預制板和預制支撐等。

（1）預制梁：選取工字形預制梁，區(qū)分標準以跨度為主、梁高度和寬度為輔，多層鋼結構裝配式住宅有1.2m、1.4m 等10 種跨度，200mm×320mm、200mm×300mm等4種梁截面大小。

（2）預制柱：預制柱有2.8m 和4.2m 高的2種方鋼管柱，截面有200mm×250mm和200mm×220mm這2種。

（3）預制板：將壓型鋼板混凝土組合板作為預制構件庫的預制板，以1850mm 模數作為預制板寬度，跨度與梁跨一致，有10種。

（4）預制支撐：預制支撐為圓形鋼管，直徑2 種分別為120mm 和140mm，長度與區(qū)高一致，區(qū)高有2 種分別為2.8m和4.2m，跨度有2.6m和3.0m等4種。

2.2 標準化設計

建立完預制構件庫后，將相關構件輸入至Revit 軟件中，建立預制裝配式鋼結構住宅建筑的BIM 模型，利用BIM模型庫進行鋼結構裝配式住宅建筑標準化設計，得到戶型、立面、平面的最佳組合，并依據建筑設計結果組裝結構和設備，經合理性分析后，利用BIM 模型庫中構件模型進行深層次優(yōu)化，完成生產及施工，標準化設計流程如圖2所示。

圖2 標準化設計流程

2.2.1 建筑設計

利用BIM 建筑庫，完成鋼結構裝配式住宅建筑設計，主要包括戶型、柱棟平面、立面設計三部分。

（1）戶型設計：按照住宅使用功能需求，從BIM 模型庫中選取符合住宅戶型內部功能、布局的模數化功能模塊進行多樣化戶型布局組裝，并以兼顧成本和效率為前提滿足住宅用戶個性化戶型需求，完成鋼結構裝配式住宅建筑的戶型標準化設計。

（2）住棟平面設計：戶型、核心筒、走廊等構成住棟平面，其在戶型設計完成后，利用BIM 數據平臺將其結合其他附屬模塊完成住棟平面設計，多元化局部設計住棟平面，利用BIM 系列軟件對住棟平面的采光及通風性進行模擬，獲取符合住宅設計要求且具備最佳采光通風組合的住棟平面標準化設計方案。

（3）立面設計：選取BIM 構件庫中功能性構件和差異化預制墻體進行多元化形式組合，獲取最終的色彩豐富、造型多元化的立面形式，展現多元化鋼結構裝配式住宅建筑立面。

2.2.2 結構設計

以建筑設計完畢后的建筑模型為基礎，從BIM結構庫中獲取符合需求的結構模型與之進行裝配，構成鋼結構裝配式住宅建筑整體樓棟結構。利用Revit軟件外部接口將結構模型的初步裝配結果導入到BIM軟件，分析住宅建筑結構設計結果是否符合設計規(guī)范，如果不符合，利用BIM模型予以調整，直至滿足設計規(guī)范。

2.2.3 協(xié)同設計

BIM 協(xié)同設計是在統(tǒng)一的信息平臺上進行參數化協(xié)同設計，縮減各個專業(yè)之間實際應用時候的信息孤島，使信息準確傳達，避免源頭出錯，提升鋼結構裝配式建筑設計質量。利用BIM 技術設計完成建筑、結構、設備模型后，將三者整合到一起，實現協(xié)同，并利用各項專業(yè)技術進行微調，并進行碰撞檢測和優(yōu)化，避免模型之間的相互沖突，滿足裝配安全需求。

3 鋼結構裝配式住宅建筑的抗震優(yōu)化設計

將鋼結構裝配式住宅建筑結構優(yōu)化問題描述成確定性最優(yōu)問題，設置工程所需參數（EDP）應在設定閾值之內的確定性約束條件，則鋼結構裝配式住宅建筑抗震優(yōu)化設計方案數學表達式為：

式中：F(s)——不同地震強度下鋼結構裝配式住宅建筑層間位移最小值；

gi——問題的l個約束；

si——離散集Rd中m個設計變量中的一個；

hk——第k個概率約束；

vEDP——EDP 中第k個極限條件下超越概率均值，一般為最大層間位移。

遵循鋼結構裝配式住宅建筑抗震設計規(guī)范，設計具體約束條件如下：

（1）結構性約束：查驗設計滿足“柱強梁弱”原理與否，查驗結構符合截面緊湊原理與否，并避免軸向荷載和彎矩增加導致的屈曲變形；查驗梁、柱與對應橫截面幾何外型連接正確與否，如果不正確，必須整改。

（2）負載能力約束：查驗結構抗負載能力，可轉換恒載為活載。詳細為：軸向荷載下、柱的抗彎能力需符合公式（2）約束：

式中：kyy、χmin、χLT——分別為受軸向荷載和彎矩影響的校正參數、彎扭屈曲折減系數、彎扭失穩(wěn)折減系數；

Npl,Rd、Mpl,Rd——構件Nsd、Msd的截面承載力。

依據上述目標和約束條件，結合粒子群算法進行求解，獲取最佳的鋼結構裝配式住宅建筑抗震優(yōu)化設計方案。

4 標準化及優(yōu)化設計效果分析

為驗證鋼結構裝配式住宅建筑的設計效果，利用BIM 模型展示該住宅小區(qū)20#樓的鋼結構裝配式住宅建筑的標準化設計結果，如圖3所示。

圖3 鋼結構裝配式住宅建筑的標準化設計結果

采用建筑-結構-設備-協(xié)同的標準化設計得到鋼結構裝配式住宅建筑的BIM 模型，通過BIM 建筑模型清晰直觀地觀察模型整體以及內部細部構造。利用BIM 軟件進行碰撞檢測，查驗碰撞部位并及時調整，提前預示鋼結構裝配式住宅建筑BIM 模型不當之處，在設計階段就最大程度避免差錯，避免出現設計不當。

為驗證優(yōu)化后的鋼結構裝配式住宅建筑抗震性能，以優(yōu)化前的鋼結構裝配式住宅設計結果為對比，利用有限元分析軟件，模擬分析El Centro 波、北京人工波（BJRB）兩種地震波作用下，優(yōu)化前后鋼結構裝配式住宅建筑水平和豎直兩方向各樓層的層間位移情況，地震波加載和層間位移情況統(tǒng)計結果分別見表3、表4。

表3 地震波加載詳情

表4 優(yōu)化前后鋼結構裝配式住宅水平、豎直方向層間位移情況（單位：mm）

分析表3 中所示的地震波加載情況可知，優(yōu)化設計后的鋼結構裝配式住宅建筑水平和豎直方向層間位移的最大值和平均值均小于優(yōu)化前的位移；隨著樓層的增加，層間位移呈增加態(tài)勢，其中BJRG 地震波作用下1F與11F 的水平和豎直方向上的層間位移最大值分別相差1.21mm、1.02mm。El Centro地震波作用下的層間位移變化比BJRG地震波作用下的層間位移變化大，原因在于El Centro 地震輸入加速度值大，影響較大。說明本文優(yōu)化方案的應用，可顯著提升鋼結構裝配式住宅建筑的抗震能力。

5 結束語

綜上所述，做好鋼結構裝配式住宅建筑的標準化設計及抗震設計的優(yōu)化，對提升鋼結構裝配式住宅建筑工業(yè)化水平及安全性能具有重要意義。本文利用BIM 技術的可模擬性以及可視化，建立鋼結構裝配式住宅建筑的BIM 模型，在標準化設計結果的基礎上，以不同地震強度下鋼結構裝配式住宅建筑層間位移最小值為目標函數，進行鋼結構裝配式住宅的抗震優(yōu)化設計，提升鋼結構裝配式住宅的抗震能力。案例工程的實踐證明，采用優(yōu)化方案使鋼結構裝配式住宅的抗震能力得到顯著提升。