計算機(jī)在建筑樓梯設(shè)計中的應(yīng)用

馬璇 彭少卿

摘要：本文從建筑形態(tài)、建筑性能、建筑空間形態(tài)出發(fā)，闡述了計算機(jī)對建筑設(shè)計的影響，在此基礎(chǔ)上提出了計算機(jī)技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用，以期能夠為推動建筑設(shè)計行業(yè)發(fā)展提供思路。

關(guān)鍵詞：計算機(jī);BIM技術(shù);CAAD技術(shù)

對于建筑設(shè)計師而言，設(shè)計師結(jié)構(gòu)合理、安全程度高、成本低、能耗低、舒適度高的建筑物是十分常見的工作目標(biāo)。隨著科技的不斷發(fā)展，國際上、國家內(nèi)部對于建筑物的結(jié)構(gòu)合理性、安全程度、環(huán)境友好程度等方方面面有了越來越多的要求，想要達(dá)到這些要求，設(shè)計師們需要計算機(jī)及其技術(shù)的輔助。比如：在建筑物安全程度方面，我國在汶川地震后著手修訂了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，新版規(guī)范中要求建筑設(shè)計師們在進(jìn)行“結(jié)構(gòu)抗震分析時，計算模型的建立、必要的簡化計算與處理，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)實際狀況，考慮樓梯構(gòu)建的影響”。由此可見，計算機(jī)及其技術(shù)在現(xiàn)代建筑設(shè)計中的重要性。

1 計算機(jī)對建筑設(shè)計的作用

1.1 對建筑形態(tài)的影響

在建筑物設(shè)計過程中，設(shè)計人員可以借助計算機(jī)技術(shù)軟件來為建筑物設(shè)計模型，模型中所使用的各個建筑物部分可以借助軟件中的既有各類圖形來進(jìn)行設(shè)計，并借助技術(shù)軟件提供的參數(shù)調(diào)節(jié)功能來進(jìn)行微調(diào)。計算機(jī)技術(shù)軟件的這些功能既能夠滿足設(shè)計人員的設(shè)計質(zhì)量需求，還能夠滿足建筑物的視覺審美效果。

1.2 對建筑性能的影響

在建筑物設(shè)計過程中，設(shè)計人員可以借助計算機(jī)技術(shù)軟件來對建筑物進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)分析，對土木工程、電氣工程、暖通工程等不同建筑環(huán)節(jié)的資源進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化，使設(shè)計人員能夠為建筑物出具能耗更低、成本更低、質(zhì)量更高的設(shè)計圖紙。在建筑物高度不斷上升的當(dāng)下，設(shè)計人員需要更加重視建筑物本身的安全性能，從抗震等方面提升建筑物的性能，提高建筑物的安全水平。

1.3 對建筑空間形態(tài)的影響

隨著現(xiàn)代人們的生活水平不斷提升，業(yè)主方面對于建筑物的內(nèi)部格局、內(nèi)部空間開闊程度要求越來越高，要求設(shè)計人員設(shè)計出視野開闊、穩(wěn)定性高、設(shè)計合理的建筑物結(jié)構(gòu)。計算機(jī)及其技術(shù)能夠有效輔助設(shè)計人員完成建筑物內(nèi)部空間形態(tài)設(shè)計，幫助設(shè)計人員完成內(nèi)部空間合理規(guī)劃。計算機(jī)作為一種多維信息、多元共享的技術(shù)，能夠充分滿足設(shè)計人員的使用需求。

2 計算機(jī)技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

BIM，Building Information Modeling的縮寫，中文名稱建筑信息模型，這是一種建筑學(xué)、工程學(xué)、土木學(xué)中的新工具。BIM技術(shù)軟件通過將建筑數(shù)據(jù)化、信息化、模型化的方式，來滿足建筑項目策劃、設(shè)計、運行和維護(hù)的需求。設(shè)計人員可以借助BIM技術(shù)軟件來對建筑進(jìn)行正確設(shè)計、合理分析和預(yù)測，盡可能提高設(shè)計圖紙的生產(chǎn)效率。BIM技術(shù)軟件具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等諸多優(yōu)勢特點，能夠輔助設(shè)計人員完成圖紙設(shè)計，進(jìn)行不能夠在真實世界中進(jìn)行模擬操作的行為，借助計算機(jī)技術(shù)完成建筑物參數(shù)優(yōu)化，為設(shè)計人員出具常規(guī)及細(xì)節(jié)建筑專業(yè)圖紙和深化圖紙，使設(shè)計人員的設(shè)計意圖更加詳細(xì)的表達(dá)給施工團(tuán)隊，為建筑工程項目的施工奠定基礎(chǔ)。

2.2 CAAD技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

CAAD，Computer Aided Architecture Design的縮寫，中文名稱計算機(jī)輔助建筑設(shè)計。CAAD技術(shù)是目前國內(nèi)外建筑設(shè)計領(lǐng)域中設(shè)計人員的主要工具軟件之一，能夠利用計算機(jī)、圖形設(shè)備輔助建筑設(shè)計工作，幫助設(shè)計人員減輕設(shè)計計算負(fù)擔(dān)，幫助設(shè)計人員盡快將設(shè)計草圖變?yōu)楣ぷ鲌D，輔助設(shè)計人員對設(shè)計圖紙進(jìn)行修改加工。CAAD技術(shù)軟件能夠輔助設(shè)計人員進(jìn)行方案優(yōu)化，從思維概念的角度來幫助設(shè)計人員完成方案加工、優(yōu)化、改進(jìn)和完善，不僅可以簡化設(shè)計工作，還能夠提高設(shè)計圖紙的合理性。

3 計算機(jī)技術(shù)在建筑樓梯設(shè)計中的具體應(yīng)用

在傳統(tǒng)的框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的樓梯設(shè)計過程中，設(shè)計人員在利用設(shè)計計算軟件進(jìn)行建模計算時，通常不會單獨輸入樓梯構(gòu)件，而是僅通過將樓梯的豎向荷載傳遞到框架梁、柱或墻上來進(jìn)行建模，后續(xù)的計算、模擬也都基于此。在這樣的設(shè)計方式下，樓梯與建筑物整體結(jié)構(gòu)的連接并不強(qiáng)，樓梯成為建筑物整體中孤立的存在，因為設(shè)計人員只考慮了構(gòu)件計算和配筋，沒有考慮地震這種強(qiáng)力沖擊下樓梯會有的變化和反應(yīng)。這是導(dǎo)致汶川地震中諸多建筑物樓梯主體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，未能成功扮演人們地震逃生工具角色的主要源于。也因此，在汶川地震后，我國著手進(jìn)行了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的重新修訂，嚴(yán)格要求了建筑物設(shè)計計算模型中要充分考慮樓梯構(gòu)件的影響，要求設(shè)計人員著重分析樓梯構(gòu)件的有限元分析、反應(yīng)譜分析、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析等分析工作，提高建筑物中樓梯部分的抗震性能，從而提升建筑物整體的抗震性能。

3.1 計算機(jī)模型分析應(yīng)用

設(shè)計人員在進(jìn)行建筑模型對比分析過程中，要重點關(guān)注對建筑物、樓梯部分的抗震性能參數(shù)分析。具體參數(shù)包括樓層剪力、樓層位移、層問位移角、梁柱構(gòu)件內(nèi)力等。設(shè)計人員通過這些模型的參數(shù)對比分析，能夠有效獲取建筑物主體結(jié)構(gòu)在地震強(qiáng)沖擊下的表現(xiàn)，尤其在多遇地震、罕遇地震的環(huán)境模擬中獲取框架一剪力墻整體剛度、自振、扭曲變化。這樣的建筑模型模擬方式，能夠有效提高設(shè)計圖紙的設(shè)計質(zhì)量和效率。

首先，樓梯能否對框架一剪力墻結(jié)構(gòu)整體剛度產(chǎn)生影響。在地震沖擊下，建筑物所表現(xiàn)出的自振周期、樓層位移、層間位移角、樓層剪力等參數(shù)變化都有著不同的程度。在樓層在沖擊下發(fā)生變化時，樓梯作為框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中的斜撐構(gòu)件，理應(yīng)起到一定斜撐作用，幫助建筑物整體結(jié)構(gòu)提高穩(wěn)定性。在計算機(jī)地震模擬情況下，設(shè)計師能夠清晰看到地震沖擊下樓梯所表現(xiàn)出的斜撐效果，看到樓梯構(gòu)件在地震沖擊下表現(xiàn)出的優(yōu)勢和劣勢。

其次，對稱樓梯和不對稱樓梯對建筑物整體結(jié)構(gòu)的影響。在現(xiàn)代建筑設(shè)計中，不少設(shè)計人員為建筑物設(shè)計的樓梯間是不對稱的，這種不對稱設(shè)計相較于對稱樓梯設(shè)計更具有設(shè)計感，也是很多建筑業(yè)主方會選擇的設(shè)計方案。但在地震沖擊下，不對稱樓梯間的布置對建筑框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的影響也比較明顯，樓層位移、樓層剪力等參數(shù)明顯較對稱樓梯間增大。這也是汶川地震中不少建筑物樓梯損毀嚴(yán)重，建筑主體結(jié)構(gòu)損毀嚴(yán)重的主要原因之一。因此，設(shè)計人員在做建筑設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)從抗震角度入手充分考慮不對稱樓梯的布置，配備協(xié)調(diào)設(shè)計。

最后，樓梯對建筑梁柱構(gòu)件內(nèi)力的影響。樓梯在建筑物中實際是非常重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它的存在必然會導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)的剛度增加，連帶影響建筑梁柱構(gòu)件內(nèi)里。但當(dāng)設(shè)計人員在設(shè)計過程中對樓梯構(gòu)件進(jìn)行簡化時，樓梯對于建筑物梁柱構(gòu)件內(nèi)里的影響，對建筑物主體結(jié)構(gòu)的剛度影響，都不能很好的體現(xiàn)出來。這是影響建筑物抗震性能的重要因素之一。也是設(shè)計人員在設(shè)計過程中需要進(jìn)行改進(jìn)的方面。

3.2 建筑樓梯設(shè)計中計算模型的建立

（1）有限元軟件Midas Gen。Midas Gen為設(shè)計人員提供了必要的、種類俱全的模型庫，建筑樓梯設(shè)計中所需要的模擬框架柱、梯柱、框架梁、次梁和梯梁、模擬樓板、樓梯梯段板和休息平臺板等元素都能夠在模型庫中找到，并根據(jù)建筑物需求進(jìn)行參數(shù)微調(diào)。比如：梁單元中的模型基本都具有拉、壓、彎、剪、扭等多個維度的變形剛度，設(shè)計人員可以在單元坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系中對梁模型進(jìn)行三維方向的線性位移和旋轉(zhuǎn)位移。

（2）模型荷載的選取。設(shè)計人員在設(shè)計建筑樓梯模型時，對模型的荷載參數(shù)設(shè)定需要根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的要求進(jìn)行統(tǒng)一取值，比如：各標(biāo)準(zhǔn)層恒荷載5.OkN/m2，活荷載2.OkN/rri2;主梁尺寸300x600、次梁尺寸250x500、梯梁尺寸200x400，均布線荷載均為13 kN/m2。設(shè)計人員在進(jìn)行樓梯間設(shè)計時，對模型荷載的選取主要有兩種方式，其一是將樓梯間板厚度設(shè)為零，荷載選擇恒荷載和活荷載的無樓梯布置，其二是對樓梯間設(shè)置為梯段板和半層休息平臺板，荷載選擇板單元荷載參數(shù)的樓梯間模型。

（3）反應(yīng)譜分析參數(shù)設(shè)置。設(shè)計人員在設(shè)計建筑樓梯時，需要考慮樓梯間的抗震性能設(shè)計，反應(yīng)譜分析是幫助設(shè)計人員了解構(gòu)件在地震沖擊下表現(xiàn)的重要途徑。在Midas Gen有限元軟件中，設(shè)計人員可以進(jìn)行地震相關(guān)參數(shù)設(shè)計，模擬進(jìn)行建筑物的抗震考驗。比如：設(shè)計人員可以將地震模式選取為“多遇地震”，地震特征周期設(shè)計為0.35s，地震阻尼比設(shè)計為0.05，地震設(shè)防烈度選取7度等，完成對建筑物的抗震測試。

（4） Pushover分析參數(shù)設(shè)置。Midas Gen程序適用于任何結(jié)構(gòu)體系，包括剪力墻結(jié)構(gòu)，Midas Gen專門提供了剪力墻靜力彈塑性單元，對剪力墻可以分配軸力.彎矩鉸以及剪切鉸。在進(jìn)行Pushover分析過程中，結(jié)構(gòu)側(cè)向荷載加載模式的確定是很關(guān)鍵的一步，所選的加載模式要既能體現(xiàn)地震作用下結(jié)構(gòu)各層慣性力的分布特點，又能反映地震作用下的結(jié)構(gòu)位移形狀。在Midas Gen計算程序的“荷載模式”中，提供了模態(tài)加載、靜力荷載工況、加速度常量等三種方式，其中模態(tài)加載因其概念較為清晰，理解相對容易，而經(jīng)常被選為結(jié)構(gòu)的側(cè)向荷載加載模式。本文也同樣選擇“?！畱B(tài)加載”方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

4 結(jié)束語

在計算機(jī)技術(shù)參與建筑設(shè)計領(lǐng)域之前，建筑物的設(shè)計、計算工作都依靠設(shè)計人員的人工計算和個人經(jīng)驗，期間需要經(jīng)過多次設(shè)計變更來優(yōu)化設(shè)計方案和設(shè)計圖紙，提高建筑物的設(shè)計質(zhì)量。但在設(shè)計圖紙和方案的實際應(yīng)用后，仍然不能保證建筑物各部分、各構(gòu)件的合理性和安全性，也是很多建筑物在地震、強(qiáng)風(fēng)等力量沖擊下出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p毀的主要原因。隨著計算機(jī)技術(shù)的參與，BIM技術(shù)、CAAD技術(shù)等設(shè)計技術(shù)軟件的加入，很多傳統(tǒng)設(shè)計問題都能夠得到解決。在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的重新修訂下，設(shè)計人員的設(shè)計過程、設(shè)計成果更加合理，建筑物的抗震性能更加優(yōu)秀，比如改善建筑設(shè)計過程中樓梯構(gòu)件的模型設(shè)計合理性，推動整個建筑行業(yè)內(nèi)建筑物的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]姜曉燕.計算機(jī)技術(shù)在建筑電氣設(shè)計中的應(yīng)用[J].建材發(fā)展導(dǎo)向（上），2020，18 （8）：382.

[2]邵磊，王華晟，吳穎，現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用措施探討[J].數(shù)碼世界，2019 （11）：97.

[3]潘叢芳，宣堯舜.BIM技術(shù)在計算機(jī)輔助建筑設(shè)計中的應(yīng)用初探[J].城鎮(zhèn)建設(shè)，2020 （2）：327.

[4]秦俊勇.樓梯對框架一剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析[D].四川：成都理工大學(xué)，2016.

[5]余宏亮，程嗣睿，王春宵等，面向建設(shè)工程設(shè)計成果智能審查的BIM設(shè)計模型精細(xì)度研究[J].土木工程與管理學(xué)報，2018，35 （4）：32-37.

作者簡介

馬璇（1989-），女，江蘇省徐州市人。碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)為江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑裝飾學(xué)院講師。研究方向為建筑裝飾。

彭少卿（2000-），男，安徽省滁州市人，大專在讀，現(xiàn)為江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生。