BIM在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中的應(yīng)用

李長青， 趙楨木， 李方慧，*

(1.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150080;2.中國建筑總公司 第八工程局有限公司，上海 200135)

BIM在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中的應(yīng)用

李長青1， 趙楨木2， 李方慧1，*

(1.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150080;2.中國建筑總公司 第八工程局有限公司，上海 200135)

基于BIM平臺及相應(yīng)的改進策略，研究BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化問題。以多層框架結(jié)構(gòu)為例，利用BIM平臺和PKPM軟件進行設(shè)計與驗算，兩個軟件間配合與銜接，完成結(jié)構(gòu)計算、校核、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等工作。通過對BIM在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)基于BIM技術(shù)參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計具有全過程3D可視化、建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)協(xié)同設(shè)計、便于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的特點，從而提高工程的設(shè)計效率與質(zhì)量。

BIM；多層框架結(jié)構(gòu)；設(shè)計優(yōu)化

BIM的全稱是Building Information Modeling，即建筑信息模型，起源于20世紀(jì)70年代，目前在歐美等發(fā)達(dá)國家發(fā)展的十分成熟[1]。國內(nèi)于2003年引進BIM技術(shù)，給我國結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了新的發(fā)展與挑戰(zhàn)[2]。BIM摒棄傳統(tǒng)CAD制圖體系中資源不能共享、信息不能同步更新、參與方不能很好的相互協(xié)調(diào)、施工過程不能可視化模擬，檢查與維護不能做到物理與信息的碰撞預(yù)測等弊端，具有可視化、優(yōu)化性、協(xié)調(diào)性、模擬性等優(yōu)點。

國外很多學(xué)者、科研機構(gòu)都對BIM技術(shù)進行了大量的研究，并已取得實質(zhì)性的進展。Smith[3]、Sarah等[4]研究了BIM在工程管理及施工過程中對工程量精確控制，針對初步設(shè)計、招投標(biāo)、施工等階段利用BIM數(shù)據(jù)進行精確工程量計算，并指出采用BIM技術(shù)提高工程造價水平，可以更好地為企業(yè)創(chuàng)造效益。此外，Porwal等[5]、Hasanceli等[6]對BIM在建筑設(shè)計中三維建筑信息模型的應(yīng)用進行了研究，通過建立不同BIM模型，分析結(jié)果以便于減少材料的浪費，并且在建模的基礎(chǔ)上進行有限元分析。同時，A Ra Ko等[7]、Shini等[8]對BIM在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用進行了研究，提出了基于標(biāo)準(zhǔn)化BIM下的自動化鋼筋混凝土板邊界元分析方法和檢測砌體填充結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土框架構(gòu)件受損位置方法。

目前國內(nèi)研究人員對BIM技術(shù)應(yīng)用進行了廣泛的研究。陸海燕等[9]、樊裕偉等[10]、閆浩等[11]研究BIM在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的應(yīng)用，對預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計，并在實際工程中加以應(yīng)用，取得了較好效果。此外，李凱等[12]、尚超宏等[13]、潘劍峰等[14]對BIM在鋼結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用進行研究，將BIM技術(shù)應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)方案優(yōu)選、復(fù)雜鋼節(jié)點深化設(shè)計、超高層鋼結(jié)構(gòu)施工管理等方面。同時，王菊等[15]、徐暉等[16]、樂玥[17]將BIM應(yīng)用于橋梁建造過程中，解決橋梁建造過程中信息難以綜合利用的難題，并且將BIM技術(shù)應(yīng)用推廣到橋梁加固與改造的過程中，實現(xiàn)BIM技術(shù)在橋梁建造全生命周期的應(yīng)用。

1 BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化

多層框架結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，是利用BIM軟件建立數(shù)據(jù)信息模型，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)提取BIM模型的結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)建筑項目中的信息共享，最終將所提取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)計算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計[18]。

BIM應(yīng)用最廣泛的軟件有4大體系(圖1)，每個體系可以完成建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工管理等一系列建筑生命周期的過程，如Autodesk公司提供的系列軟件，Revit Archiecture用于建筑設(shè)計，Revit Structure用于結(jié)構(gòu)設(shè)計，Revit MEP用于暖通設(shè)計，且各專業(yè)共用一個平臺，可實時進行協(xié)同設(shè)計，同時Revit Structure 建立物理模型后，將該物理模型發(fā)送至Robot Structural Analysis 進行結(jié)構(gòu)分析，再將優(yōu)化后的有限元分析模型返回 Revit Structure中更新原有的物理模型。結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)束后，導(dǎo)入Auto CAD Structural Detailing得到施工圖，實現(xiàn)完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程[19]。但是，目前的 Robot Structural Analysis所含中國規(guī)范有限，不能完全契合我國的規(guī)范進行結(jié)構(gòu)分析。因此，需要對該體系進行相應(yīng)的改進才能更好地服務(wù)于國內(nèi)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖1 BIM系列軟件Fig.1 BIM series softwares

本文根據(jù)建筑信息建立三維建筑信息模型，通過BIM拓展功能進行構(gòu)件自動布置，提取出結(jié)構(gòu)信息模型，然后將模型導(dǎo)入國內(nèi)普遍使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM進行設(shè)計優(yōu)化。本項目為多層混凝土框架辦公樓?？偨ㄖ訑?shù)為9層，建筑物總高度為32.1 m，建筑外觀尺寸63 m×18 m。首層和2層柱截面采用700 mm×700 mm，3～9層的柱截面采用600 mm×600 mm。

結(jié)合本工程實例，在Revit三維建模平臺上，建立完整的三維建筑設(shè)計信息模型(圖2)。運用結(jié)構(gòu)構(gòu)件自動布置中的柱提取功能，提取其豎向受力構(gòu)件結(jié)構(gòu)柱(圖3)。在三維結(jié)構(gòu)柱布置基礎(chǔ)上，運行框架梁自動布置功能，生成框架梁模型(圖4)。最后運行板自動布置功能，生成屋面板和各層樓板(圖5)。

圖2 三維建筑信息模型Fig.2 3D building information model

圖3 提取的結(jié)構(gòu)柱模型Fig.3 Structural column model extracted

圖4 框架梁自動生成模型Fig.4 Automatic generation model of frame beam

圖5 板自動生成模型Fig.5 Automatic plate generation model

本文采用的是R-Starcad接口實現(xiàn)Revit Structure與PKPM數(shù)據(jù)的雙向交換。R-Starcad安裝后，在Revit structure與PKPM各生成一個接口，用來導(dǎo)出和接受.sc結(jié)尾格式的文件，同時接口能將二者的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成該格式文件，通過這個中間媒介完成數(shù)據(jù)傳遞。但是R-Starcad轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)時，不能識別軸線編號、樓板信息、荷載信息，因此，需要在PKPM中進行數(shù)據(jù)修正，然后進行下一步計算。

將Revit中結(jié)構(gòu)信息模型導(dǎo)入PKPM，對模型施加荷載，接入SATWE中進行運算，分析各主要參數(shù)計算結(jié)果如下：

1)軸壓比。從SATWE輸出的計算結(jié)果中，查得柱軸壓比最大為0.58，小于規(guī)范要求的0.85，結(jié)構(gòu)延性性能較好，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性能較好。

2)周期比。本結(jié)構(gòu)計算周期比(表1)，1.267 5/1.358 3=0.93，大于規(guī)范要求的0.9，結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

表1 周期、振型等計算結(jié)果Table 1 Calculation results of cycle and vibration modes

3)位移比。本框架結(jié)構(gòu)的最大位移比為：Y方向最大層間位移與平均層間位移的比值為1.23，小于規(guī)范要求的1.4(表2)，但結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大。

表2 位移輸出結(jié)果Table 2 Displacement output results

4)剪重比。本框架結(jié)構(gòu)剪重比的最小值：X方向為0.033 9(表3)，Y方向為0.035 3(表4)，均大于抗震規(guī)范要求的樓層最小剪重比0.016，滿足規(guī)定要求。

表3 X方向剪重比Table 3 Shear weight ratio in X direction

表4 Y方向剪重比Table 4 Shear weight ratio in Y direction

5)剛重比。本結(jié)構(gòu)的剛重比(表5)大于10，能夠通過規(guī)范的整體穩(wěn)定驗算，且大于20，可以不考慮重力二階效應(yīng)，結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下整體穩(wěn)定性較好。

表5 剛重比Table 5 Stiffness to weight ratio

6)層間位移角。本工程層間位移角最大值為1/1 842<1/550，滿足規(guī)范要求。

由PKPM計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)的抗扭剛度太弱，在地震作用下會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，需要加強結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。影響結(jié)構(gòu)抗扭剛度的主要構(gòu)件是結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件，由于框架結(jié)構(gòu)中柱為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，因此調(diào)整柱的布置是解決該結(jié)構(gòu)問題的關(guān)鍵。在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，增強結(jié)構(gòu)抗扭剛度的原則是：加強結(jié)構(gòu)外圍墻、柱或梁的剛度，適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)中間墻、柱的剛度[20]。調(diào)整方式可分為：調(diào)整柱截面大小和邊柱與中間柱截面的差異。

本結(jié)構(gòu)通過增大邊柱的截面面積和減小中間柱的截面面積調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。將邊柱面積增加，中間柱面積減小，每次增量50 mm進行試算。重點考察周期比、位移比等控制結(jié)構(gòu)抗扭剛度參數(shù)的變化過程，同時確保其他參數(shù)在正常取值范圍內(nèi)。最后確定優(yōu)化方案：將首層和2層的邊柱截面由原來的700 mm×700 mm改為邊柱800 mm×800 mm，中間柱600 mm×600 mm；3～9層的柱截面由原來的600 mm×600 mm改為邊柱750 mm×750 mm，中間柱500 mm×500 mm。優(yōu)化后計算結(jié)果見表6，各項參數(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的抗扭剛度得到有效的提升。然后將PKPM中優(yōu)化后的模型通過第三方接口傳輸?shù)紹IM平臺上，進行下一步的出圖工作，完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程。

表6 優(yōu)化后PKPM計算結(jié)果Table 6 PKPM calculation results after optimization

2 結(jié) 論

通過對BIM技術(shù)在多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中的應(yīng)用研究，得到如下結(jié)論：

1)在結(jié)構(gòu)模型建立方面，基于BIM平臺從建筑模型提取出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，提高了結(jié)構(gòu)工程師的效率。

2)在結(jié)構(gòu)分析方面，Revit Structure對應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析軟件Robot Structural Analysis不適應(yīng)在中國規(guī)范下進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)件驗算，采用R-Starcad將PKPM與Revit進行數(shù)據(jù)連接能夠有效解決這一問題。

3)框架結(jié)構(gòu)的抗扭剛度主要由周期比控制，采用調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件柱的布置方法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的周期比由0.93降到了0.89，抗扭剛度得到明顯提升。

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Application of BIM in technology structural design optimization

LI Chang-Qing1， ZHAO Zhen-Mu2， LI Fang-Hui1，*

(1.CollegeofCivilEngineering，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China; 2.ChinaConstructionEighthEngineeringDivision.CORP.LTD，Shanghai200135，China)

Based on the BIM platform and the corresponding improvement strategy， the optimization of BIM technology in structural design is studied. Structure calculation and checking， structure optimization are completed，based on the multilayer frame structure as an example， the design and calculation using BIM platform and PKPM software， two software coordination and cohesion. Technical parameters with the whole process of 3D visualization the building and structure， professional design， for the structural characteristics of collaborative optimization based are founded. Through the application of BIM in engineering structure design optimization of the structure design of BIM， so as to improve the efficiency and quality of design engineering.

BIM; multilayer frame structure; design optimization

10.13524/j.2095-008x.2017.03.034

TU375.4

A

2095-008X(2017)03-0015-05

2017-06-20;

2017-07-21

國家重點研發(fā)計劃“智能型臨時支撐安全技術(shù)與裝置研究及示范”(2016YFC0802004)

李長青(1992-)，男，河南項城人，碩士研究生，研究方向：BIM技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用，E-mail:651101354@qq.com;*

李方慧(1978-)，男，黑龍江肇源人，教授，博士，研究方向：結(jié)構(gòu)風(fēng)雪災(zāi)害、BIM技術(shù)優(yōu)化，E-mail:2006001@hlju.edu.cn。