BIM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究與實(shí)現(xiàn)

史艾嘉 胡慶生

摘要：BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)與設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用較普遍，然而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)較少。本文以某多層框架結(jié)構(gòu)為例，運(yùn)用Revit、PKPM、盈建科等多種軟件，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對(duì)比分析BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的區(qū)別，實(shí)踐證明BIM結(jié)構(gòu)分析更有利于提升工程設(shè)計(jì)師的工作效率，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大的參考價(jià)值。

Abstrcat： BIM technology is widely used in the field of architectural design and equipment， but it is relatively rare in the field of structural design. Taking a multi-layered frame structure as an example， this paper uses Revit， PKPM， YJK building software and other software to analyze its structure， compare and analyze the difference between BIM structural design analysis and traditional structural analysis. It is proved that BIM structural analysis is more beneficial to improve the efficiency of engineering designers， and have great reference value for structural design.

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);Revit;PKPM

Key words： BIM technology;structural design;Revit;PKPM

中圖分類號(hào)：TU17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）10-0229-04

0? 引言

近年來(lái)，BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)的BIM軟件產(chǎn)品也不斷推陳出新，涵蓋建筑規(guī)劃、設(shè)計(jì)、招投標(biāo)、施工、運(yùn)維管理等全生命周期。隨著對(duì)BIM技術(shù)應(yīng)用的探究愈加深入，各種問(wèn)題也接踵而至，BIM技術(shù)的核心是信息共享，尤其是在專業(yè)協(xié)同時(shí)，如果缺乏信息間的共享，則會(huì)造成信息斷層。本文主要研究BIM在建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)間的專業(yè)協(xié)同，嘗試探索基于Revit structure的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1? BIM概述

BIM（Building information modeling）即建筑信息模型，它起源于20世紀(jì)70年代，由BIM之父Chuck Eastman教授首先提出BIM理念，之后逐漸在新加坡、日本、歐洲各國(guó)家廣泛應(yīng)用，目前是我國(guó)建筑行業(yè)興起的新技術(shù)。BIM具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性和可出圖性等五大特點(diǎn)，近幾年來(lái)，隨著我國(guó)學(xué)者研究BIM的時(shí)間增長(zhǎng)，BIM的應(yīng)用提及頻率也越來(lái)越高。尤其是在建筑設(shè)計(jì)、建筑設(shè)備設(shè)計(jì)等專業(yè)應(yīng)用較廣泛，以上海中心大廈這一典型項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目充分利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同，大大提高了核心競(jìng)爭(zhēng)力。但對(duì)于絕大多數(shù)建筑而言，BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用相比于其他專業(yè)較少，各設(shè)計(jì)院還停留在BIM翻模階段，結(jié)構(gòu)BIM模型和力學(xué)計(jì)算分析一直是整個(gè)信息鏈接中脫節(jié)的一環(huán)，實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、機(jī)電等各專業(yè)協(xié)同仍有許多路要走。

2? 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)區(qū)別

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是在盈建科、PKPM、ETABS等結(jié)構(gòu)分析軟件中單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，這樣的結(jié)構(gòu)模型是封閉且孤立的，且不能與其它專業(yè)的設(shè)計(jì)進(jìn)行有效溝通。這樣其他專業(yè)的設(shè)計(jì)師如果需要調(diào)取它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息是比較困難的，而基于Revit軟件能創(chuàng)建一個(gè)共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息資源的共享。

基于BIM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是：①首先由結(jié)構(gòu)工程師與建筑工程師共同商討確定結(jié)構(gòu)形式，利用Revit創(chuàng)建三維物理模型;②結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)建筑師前期建立的三維物理模型基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置，以建筑物理模型為參照布置梁、板、柱。這樣可大大縮短結(jié)構(gòu)工程師建模時(shí)間，避免重復(fù)建模，提高工作效率;③結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建好后導(dǎo)入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行分析計(jì)算;④最后將分析后的模型導(dǎo)回至Revit軟件中，再對(duì)其進(jìn)行修改。這樣，結(jié)構(gòu)信息便保存在了Revit模型中，各專業(yè)工程師可隨時(shí)查看相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析信息，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)。其流程圖如圖1所示。

3? 基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

3.1 軟件選擇

3.1.1 Revit Structure

Revit 是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的一套系列軟件的名稱。它包含Revit Structure、Revit MEP和Revit Architecture。其中Revit Structure是專為結(jié)構(gòu)工程公司定制的，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析功能。它將多材質(zhì)的物理模型與獨(dú)立、可編輯的分析模型進(jìn)行集成，可以實(shí)現(xiàn)高效的結(jié)構(gòu)分析，可以與常用的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行對(duì)接。例如美國(guó)CSI公司開(kāi)發(fā)的Etabs軟件、Midas、我國(guó)的PKPM、盈建科軟件等。

3.1.2 盈建科軟件（YJK）

盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件是一套全新的集成化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，它包含結(jié)構(gòu)建模、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和接口軟件六大方面。結(jié)構(gòu)分析方面，盈建科與PKPM中的SATWE都采用三維的桿單元計(jì)算梁、柱，采用殼單元進(jìn)行墻、板的計(jì)算，從這兩點(diǎn)來(lái)看，兩者分析結(jié)果基本相同，但盈建科采用比PKPM更先進(jìn)的有限元分析技術(shù)，且接口較多，尤其是盈建科開(kāi)發(fā)的YJK與Revit的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)了模型在兩個(gè)軟件間的數(shù)據(jù)雙向互通。因此，本文將結(jié)合盈建科軟件與Revit軟件對(duì)某多層框架結(jié)構(gòu)辦公樓進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

3.1.3 PKPM軟件

PKPM軟件是中國(guó)建筑科學(xué)研究院所研發(fā)的工程管理軟件，目前是我國(guó)建筑設(shè)計(jì)院、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)院最常使用的軟件，市場(chǎng)占有率高，有廣大的用戶群體。它緊跟行業(yè)規(guī)范，及時(shí)滿足我國(guó)建筑行業(yè)快速發(fā)展的需要。PKPM包含SATWE模塊，此模塊是基于殼元理論的三維組合結(jié)構(gòu)有限元分析，可用于高層和多層鋼筋混凝土框架、框架—剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，完成建筑結(jié)構(gòu)在恒、活荷載、地震力等作用下的內(nèi)力計(jì)算與分析，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還可進(jìn)行配筋計(jì)算。但PKPM也有其缺點(diǎn)，相對(duì)與盈建科而言，其系統(tǒng)較封閉、接口較少。本文將用PKPM軟件進(jìn)行傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，并與基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2工程概況

本工程名稱為鋼筋混凝土辦公樓，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，地上共6層，結(jié)構(gòu)高度為21m。首層層高為5m，二層層高為4m，三層至六層層高均為3m。建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防（丙類）?？拐鹪O(shè)防烈度為8度（0.2g），場(chǎng)地類別為Ⅲ類。主要構(gòu)件尺寸及混凝土強(qiáng)度等級(jí)如表1所示，板厚度為120mm。

首層平面圖及標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖2，圖3所示。

建立該工程的三維結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，三維結(jié)構(gòu)分析模型如圖5所示。

3.3 BIM模型導(dǎo)入盈建科結(jié)構(gòu)分析

3.3.1 各振型振動(dòng)周期

將Revit建立的結(jié)構(gòu)信息模型導(dǎo)入至盈建科軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算考慮了3個(gè)周期，得到各振型周期計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3.3.2 地震作用下的層間位移角分析數(shù)據(jù)如表3所示。

3.3.3 地震作用規(guī)定水平力的樓層位移比如表4所示。

4? 基于PKPM結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比

為了與基于BIM的盈建科結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文將采用PKPM軟件進(jìn)行單獨(dú)建模，其建模及分析步驟如下：首先建立結(jié)構(gòu)整體模型，包括軸網(wǎng)的建立、樓層的定義、荷載的輸入、設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入、樓層組裝等;其次進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，包括結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，配筋計(jì)算，分析結(jié)果圖形和文本顯示等。

通過(guò)PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算該框架結(jié)構(gòu)三個(gè)振型振動(dòng)周期分別0.6724s、0.5441s、0.4956s。通過(guò)PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算所得層間位移角及樓層位移比，其結(jié)果如表5、表6所示。

以各振型周期、X方向?qū)娱g位移角、Y+方向?qū)娱g位移比為例，將基于BIM的盈建科結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)與PKPM結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖6、圖7、圖8所示。

5? 結(jié)論與展望

從上述對(duì)比結(jié)果可以看出，該框架結(jié)構(gòu)運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的結(jié)果基本一致，確保了結(jié)構(gòu)的可靠性。證明了運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的，為工程設(shè)計(jì)實(shí)踐提供依據(jù)。但本文篇幅有限，僅對(duì)簡(jiǎn)單框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而對(duì)其它結(jié)構(gòu)如剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等以及異形結(jié)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)行深入分析，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

隨著B(niǎo)IM技術(shù)的逐漸推廣，BIM應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域必將得到更廣泛的應(yīng)用。

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