基于BIM的樹(shù)杈型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工優(yōu)化研究

文/李霞 鄢維峰 陳衛(wèi)文

引言

隨著公共建筑的不斷發(fā)展和人們對(duì)建筑藝術(shù)性要求的日益提高，新時(shí)代各種特色建筑不斷涌現(xiàn)，并迅速成為各個(gè)城市和區(qū)域的地標(biāo)性建筑。樹(shù)形鋼柱作為豎向支撐結(jié)構(gòu)的分支，因其可用較小的桿件形成較大的支撐空間、經(jīng)濟(jì)效益好、造型美觀而被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于公共建筑中。

異型樹(shù)杈屋面承重鋼結(jié)構(gòu)是通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)仿照樹(shù)杈的受力形式進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，其造型多樣，樹(shù)杈每個(gè)節(jié)點(diǎn)受力均有所不同，設(shè)計(jì)和施工難度較大。目前針對(duì)此類建筑，絕大多數(shù)的工程仍采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工方法，設(shè)計(jì)與施工分離，彼此的溝通協(xié)作不夠，且設(shè)計(jì)未考慮施工過(guò)程的受力狀態(tài)而產(chǎn)生安全問(wèn)題。伴隨著 BIM技術(shù)的大力推廣和應(yīng)用，結(jié)合建筑業(yè)面臨的復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，基于 BIM 的異型樹(shù)杈鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工優(yōu)化具有較大的研究?jī)r(jià)值。在各種異型承重結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的今天，研究和總結(jié)異型鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中普遍存在的技術(shù)問(wèn)題，并提出專業(yè)的解決方法，保證其安全、可靠，為今后異型承重鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供有益參考，促進(jìn)基于BIM技術(shù)的樹(shù)形支撐體系的發(fā)展。

本文結(jié)合廣州市增城區(qū)新少年宮項(xiàng)目的BIM實(shí)踐，總結(jié)BIM技術(shù)在異型樹(shù)杈鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工優(yōu)化中的應(yīng)用。

1.工程概況

增城少年宮位于廣州市增城區(qū)掛綠湖城市中軸線東側(cè)，建筑高度31.9m，占地面積26291.30m2，工程總建筑面積為56099.60m2（其中地上 6 層面積共 32953.70m2， 地下二層面積共 23145.90m2）。

圖1 增城少年宮效果圖

主體大樓為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)主要作為屋面及外墻鋁板的骨架。中心筒部分為鋼管柱與 H 型鋼梁組合結(jié)構(gòu)，筒屋面呈不規(guī)則鋼樹(shù)杈造型；屋面圍護(hù)系統(tǒng)由上屋面層（鋁鎂合金板+ 防火巖棉）和下屋面層（氟碳噴涂鋁板）組成。建筑外框?yàn)殇X板幕墻，設(shè)計(jì)合理使用年限50 年，工程總用鋼量 1500 噸。

中心筒部分由異型樹(shù)杈鋼結(jié)構(gòu)連接屋面和鋼筋混凝土圓柱，并將屋面荷載傳遞至圓柱中。屋面樹(shù)杈結(jié)構(gòu)體系為圓鋼管與屋面 H 型鋼梁組成空間結(jié)構(gòu)體系；與鋼管柱和梁連接節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接。造型取代常規(guī)鋼柱來(lái)支撐屋面結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)多樣，受力復(fù)雜（見(jiàn)圖1、圖2）。

2.BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用

本工程中心筒處有八根樹(shù)杈造型的柱子，每根樹(shù)杈柱造型和節(jié)點(diǎn)受力均有所不同。樹(shù)杈柱作為主要的受力構(gòu)件，要承受屋面的結(jié)構(gòu)荷載，取代常規(guī)鋼柱來(lái)支撐屋面，在其周圍不允許有其它的支撐結(jié)構(gòu)。由于是斜向支撐結(jié)構(gòu)，受力分析十分復(fù)雜，但在設(shè)計(jì)方案中并未明確樹(shù)杈柱各分支的角度，給施工帶來(lái)了較大困難。由于樹(shù)杈柱是空間受力，因此在深化設(shè)計(jì)階段首先利用有限元軟件Ansys進(jìn)行仿真分析，計(jì)算并優(yōu)化樹(shù)杈柱各分支的角度；然后用Tekla軟件創(chuàng)建工程鋼結(jié)構(gòu)三維模型，生成樹(shù)杈柱節(jié)點(diǎn)詳圖及各類報(bào)表，從而對(duì)后續(xù)的施工進(jìn)度和精度形成有力管控。

圖2 中心筒樹(shù)杈柱部位剖面圖

2.1 有限元軟件Ansys仿真分析優(yōu)化

首先取一根樹(shù)杈柱利用有限元軟件Ansys建立仿真模型（見(jiàn)圖3），基于力學(xué)理論計(jì)算原理對(duì)樹(shù)形節(jié)點(diǎn)的角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析樹(shù)形桿件節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力與夾角的關(guān)系，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足正常工作的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的前提下,承受相同的荷載（即承載力相同）時(shí)使樹(shù)形結(jié)構(gòu)質(zhì)量達(dá)到最?。从娩摿孔钌伲┑墓?jié)點(diǎn)夾角值即為最優(yōu)。通過(guò)ANSYS和3D3S二元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)位移滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)受力更加合理。

圖3 樹(shù)杈柱有限元模型

為了便于建立參數(shù)化模型，有限元分析“優(yōu)化結(jié)果——優(yōu)化曲線”中的曲線對(duì)應(yīng)的夾角并非全局坐標(biāo)系下分支之間相對(duì)的豎向夾角。在此經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)換計(jì)算，得到全局坐標(biāo)系下分支之間相對(duì)豎向夾角的優(yōu)化結(jié)果分別為：31°、51°、51.5°、53.9°。

通過(guò)Ansys仿真分析，得到優(yōu)化前最大綜合應(yīng)力最大值為313.7MPa,優(yōu)化后為221.94MPa，優(yōu)化效果為29.3%。

2.2 基于BIM的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

在有限元軟件Ansys仿真分析優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用Tekla軟件創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)三維模型，可生成樹(shù)杈柱節(jié)點(diǎn)詳圖及材料、構(gòu)件報(bào)表等，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工和動(dòng)態(tài)合理安排材料加工采購(gòu)，形成清晰可控的施工進(jìn)度表，有效節(jié)省人工工日和管理費(fèi)用。

3.BIM技術(shù)在施工優(yōu)化中的應(yīng)用

本工程在施工前基于BIM技術(shù)進(jìn)行施工模擬，通過(guò)數(shù)字化加工技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)全站儀測(cè)量定位等方法以確保異型樹(shù)杈鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度,確保了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)拼裝焊接的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的有效管控。

利用Navisworks軟件在施工前進(jìn)行各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的虛擬施工（見(jiàn)圖4），可以直觀了解整個(gè)施工的步驟（見(jiàn)圖5），提前發(fā)現(xiàn)施工中的問(wèn)題，調(diào)整制定更加合理的施工方案；實(shí)現(xiàn)施工前的可視化交底，使施工人員對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的施工流程和要求有清晰直觀的認(rèn)識(shí)，提高施工精度；為確保屋面鋼梁與樹(shù)杈鋼結(jié)構(gòu)施工安裝精度與BIM模型一致，通過(guò)數(shù)字化加工技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)全站儀測(cè)量定位的方法確保安裝精度。通過(guò)與傳統(tǒng)施工方法的對(duì)比測(cè)算，采用BIM技術(shù)指導(dǎo)樹(shù)杈柱進(jìn)行拼裝焊接施工可使返工率降為零，滿足施工質(zhì)量和精度要求，節(jié)省了工期和機(jī)械費(fèi)、管理費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖4 復(fù)雜梁柱節(jié)點(diǎn)BIM虛擬施工

4.BIM技術(shù)應(yīng)用的效益分析

圖5 樹(shù)杈柱BIM虛擬施工與現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)比

本工程通過(guò)在設(shè)計(jì)和施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)鋼樹(shù)杈設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)和施工工序進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)建立BIM模型，能夠有效減少返工率，確保施工精度，加快異型鋼結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度，有效節(jié)約工期，產(chǎn)生顯著的工期效益，同時(shí)在機(jī)械費(fèi)用和管理費(fèi)方面也能產(chǎn)生明顯的節(jié)約，節(jié)約費(fèi)用如上表所示。

如表中所示，通過(guò)BIM技術(shù)的合理運(yùn)用，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益約55.1萬(wàn)元。

經(jīng)濟(jì)效益分析表

5.結(jié)束語(yǔ)

本文基于BIM技術(shù)分析異型樹(shù)杈屋面承重鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工優(yōu)化措施。通過(guò)在設(shè)計(jì)階段ANSYS、3D3S和Tekla對(duì)樹(shù)杈柱的角度優(yōu)化和建立三維模型，為后續(xù)精準(zhǔn)施工打下良好基礎(chǔ)。通過(guò)在施工階段數(shù)字化加工技術(shù)、Navisworks虛擬施工等措施，實(shí)現(xiàn)了可視化交底，大大提高了梁柱關(guān)鍵復(fù)雜節(jié)點(diǎn)拼裝焊接效率和施工速度，使返工率降為零。通過(guò)綜合運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)樹(shù)杈型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工進(jìn)行優(yōu)化，符合國(guó)家現(xiàn)行政策和綠色建筑發(fā)展方向，在工期、費(fèi)用、節(jié)能環(huán)保方面效益顯著，社會(huì)反饋良好，對(duì)促進(jìn)本行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和提高企業(yè)技術(shù)水平的意義深遠(yuǎn)，具有較好的推廣前景。