基于BIM技術(shù)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

丁 鋒

（新疆維吾爾自治區(qū)建筑設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830002）

由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有較好的空間受力能力，其自重比較輕、消耗的材料也比較少，而且安裝施工比較便捷，能夠有效提高建筑工程的施工質(zhì)量、縮短施工周期。同時(shí)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要通過(guò)工廠進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，能夠滿足豐富的建筑造型的需要，因此在現(xiàn)代建筑工程中得到了越來(lái)越廣泛的推廣應(yīng)用。這一發(fā)展趨勢(shì)在客觀上也對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。 而以計(jì)算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)的BIM技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模式，使設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入BIM技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的不斷優(yōu)化，從而提高網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，促進(jìn)我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步。

1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)概述

所謂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要是指很多桿件按照一定規(guī)律沿不同方向組合構(gòu)成的鉸接桿系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)體系具有較高的超靜定次數(shù)，其在抗震性、剛度以及整體性方面都有突出的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面[1]。

1.1 較好的受力性能

由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件形成了一個(gè)相互支撐的受力體系，其在多方向上的受力性能都比較好，結(jié)構(gòu)受力的均勻性比較高，地基降等因素對(duì)其受力性能的影響比較小，有效地提高了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.2 較輕的結(jié)構(gòu)重量

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所需要的鋼材等材料相對(duì)比較少，能夠有效減少對(duì)資源的消耗，同時(shí)該結(jié)構(gòu)的空間利用率也比較高。

1.3 較大的適應(yīng)范圍

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有較好的適應(yīng)性，能夠廣泛地用于大跨度結(jié)構(gòu)、異形結(jié)構(gòu)等不同的結(jié)構(gòu)。

1.4 適合規(guī)?；a(chǎn)

目前在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)加工中主要使用的是16Mn鋼以及Q235鋼材，其桿件一般采用的是型鋼以及鋼管，而節(jié)點(diǎn)則多為空心球或者實(shí)心球，加工材料具有較高的統(tǒng)一性，同時(shí)其結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，比較適合進(jìn)行工業(yè)化的規(guī)模生產(chǎn)加工。

2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 某建筑工程基本情況簡(jiǎn)介

某建筑工程為單體建筑結(jié)構(gòu)，其采用了雙層框架結(jié)構(gòu)，建筑局部為體育訓(xùn)練場(chǎng)所，其采用的是頂部為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的兩層通高結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的構(gòu)材主要是Q235-B，且平面規(guī)格設(shè)計(jì)為28.8 m×84 m。該建筑的抗震等級(jí)要求為6度，且地震地震基本加速度為0.05 g左右。

2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)以建筑的實(shí)際跨度、網(wǎng)格形式、構(gòu)造和荷載要求、建筑功能要求、支撐結(jié)構(gòu)方式以及柱網(wǎng)大小等因素為基礎(chǔ)，對(duì)網(wǎng)格的平面尺寸和高度等參數(shù)進(jìn)行綜合性分析及確定。在設(shè)計(jì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)時(shí)，其高跨比可在1/10到1/18范圍進(jìn)行選擇，網(wǎng)格數(shù)在短向跨度上應(yīng)控制在5以上[2]。此外，在設(shè)計(jì)網(wǎng)格尺寸時(shí)，應(yīng)將相鄰桿件夾角控制30～45 ℃之間。在本次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其長(zhǎng)向跨度為84 m左右，短向跨度則是28.8 m，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為正房四角錐結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用了比較規(guī)則的平面形式，其設(shè)計(jì)高度為2.5 m左右。該建筑的抗震等級(jí)要求為6度，因此根據(jù)我國(guó)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中不需要進(jìn)行水平抗震驗(yàn)算，所以本次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以采取非抗震設(shè)計(jì)方式。根據(jù)靜力等效原則，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)的外荷載作用均集中在該節(jié)點(diǎn)位置，因此在分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)時(shí)可以將節(jié)點(diǎn)設(shè)定為鉸接結(jié)構(gòu)，從而只考慮軸向力對(duì)桿件的影響，而不需要考慮節(jié)點(diǎn)剛度因素。

在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)MST等結(jié)構(gòu)分析軟件來(lái)構(gòu)建該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的三維模型，并在模型內(nèi)輸入相應(yīng)的約束條件以及荷載，這樣就可以計(jì)算分析各種工況條件網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力組合情況，并以MST軟件的分析計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)來(lái)對(duì)桿件尺寸等進(jìn)行合理的選擇，從而完成該建筑工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙的繪制工作。

3 基于BIM技術(shù)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用BIM技術(shù)構(gòu)建三維模型

隨著計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)的快速發(fā)展和普及，在建筑領(lǐng)域中也開(kāi)始廣泛的使用BIM等相關(guān)技術(shù)。由于建筑工程的建設(shè)規(guī)模比較大，施工周期相對(duì)較長(zhǎng)，而且會(huì)對(duì)周邊區(qū)域產(chǎn)生較大的影響，因此在建筑工程設(shè)計(jì)中要高度重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。這就要求設(shè)計(jì)人員在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中積極引入BIM等先進(jìn)技術(shù)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平，才能為建筑工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性提供更加可靠的保障。

在建筑工程的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，其主要構(gòu)件為鋼結(jié)構(gòu)，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接形式以及使用效果等問(wèn)題，這也是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的核心環(huán)節(jié)，因此在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要合理確定所要連接構(gòu)件的參數(shù)。在應(yīng)用BIM構(gòu)建三維模型時(shí)，應(yīng)合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)，建立有限元模型，并在不同工況條件下對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行復(fù)核，然后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算分析[3]。

3.2 應(yīng)用BIM技術(shù)優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在應(yīng)用BIM技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維模型后，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)加強(qiáng)與相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的溝通協(xié)調(diào)，以便在三維模型中準(zhǔn)確呈現(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的各種要素信息，通過(guò)三維模型的可視化展示來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而使設(shè)計(jì)方案更加完善合理[4]。

在本建筑工程的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用BIM構(gòu)建三維模型后發(fā)現(xiàn)，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的部分支座設(shè)計(jì)位置與柱頂范圍沒(méi)有完全重合，因此設(shè)計(jì)人員及時(shí)調(diào)整了原設(shè)計(jì)方案中的尺寸，重新對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行定位，使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的傳力途徑更加合理。同時(shí)通過(guò)三維模型對(duì)設(shè)計(jì)方案的立體展示，設(shè)計(jì)人員還發(fā)現(xiàn)在原有設(shè)計(jì)中個(gè)別支座還存在高度設(shè)計(jì)不合理的情況，造成柱頂標(biāo)高與支座底部標(biāo)高不一致。設(shè)計(jì)人員及時(shí)對(duì)支座高度進(jìn)行了調(diào)整，使該問(wèn)題得到了及時(shí)的解決。此外，通過(guò)應(yīng)用BIM技術(shù)所構(gòu)建的三維展示模型還發(fā)現(xiàn)在該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員對(duì)于網(wǎng)架和其周邊擋墻的空間位置沒(méi)有進(jìn)行充分的考慮，二者存在一定的沖突，因此設(shè)計(jì)人員修改了原設(shè)計(jì)方案，適當(dāng)對(duì)擋墻位置進(jìn)行了相應(yīng)的移動(dòng)調(diào)整，使網(wǎng)架避開(kāi)豎桿以及支座位置，解決了這一問(wèn)題。

應(yīng)用BIM技術(shù)構(gòu)建三維模型能夠準(zhǔn)確展示相關(guān)的設(shè)計(jì)信息，從而幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中存在缺陷問(wèn)題，并能夠根據(jù)模型信息對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化，是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案更加完善合理。

4 結(jié)語(yǔ)

由于現(xiàn)代建筑工程中開(kāi)始廣泛地應(yīng)用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，因此要求設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格遵守相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，準(zhǔn)確把握網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力性能以及荷載分布情況，合理選擇相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，提高網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性。同時(shí)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中積極引入BIM等計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案構(gòu)建三維模型，為設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中存在的問(wèn)題提供便利條件和重要的參考依據(jù)，此外還要對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的材料工藝以及成本控制等多種因素進(jìn)行綜合性的分析，從而優(yōu)化完善網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，全面提高網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，推動(dòng)我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)整體水平的現(xiàn)代化發(fā)展。