基于BIM的某城市展館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

龔 琦，劉佳毅，肖 湘，張 勇

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

該項(xiàng)目位于云南省玉溪市。該展館共有2個(gè)建筑單體，其使用功能為城市規(guī)劃展示。總建筑面積為4 751.79 m2；地上1層(其中1個(gè)單體為2層)，建筑高度13.390 m，長62.2 m，寬15.3 m，其造型為2條首尾相連的魚。結(jié)構(gòu)類型為鋼框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20 g，設(shè)計(jì)地震分組為第3組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期值0.45s，鋼框架抗震等級(jí)為3級(jí)，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

該展館外觀為抽象的建筑造型，沒有幾何構(gòu)圖規(guī)律，其幕墻及屋面均由多維空間曲面構(gòu)成，主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)，首先將魚的“骨架”確定，主體框架以簡(jiǎn)單的折線最大程度擬合建筑外形。其次，通過調(diào)整檁托的高度及幕墻與主體的連接件長度，再從簡(jiǎn)單折線向復(fù)雜曲線過度，以實(shí)現(xiàn)“魚”的外形，見圖1～3。

圖1 效果圖

1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)勘察報(bào)告顯示，場(chǎng)地存在飽和的粉土、粉砂層，搖震反應(yīng)迅速，具有液化可能性，液化等級(jí)為中等。

圖2 建筑平面圖

圖3 施工現(xiàn)場(chǎng)照片

為避免液化土對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，基礎(chǔ)形式確定為樁基礎(chǔ)。該工程采用樁身直徑600 mm長螺旋鉆孔灌注樁，有效樁長為16 m，穿越液化層以粉質(zhì)粘土層作為持力層，設(shè)計(jì)使用單樁承載力特征值為700 kN，見圖4。

圖4 基礎(chǔ)平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)選型及布置

綜合考慮建筑需求及地震烈度，確定結(jié)構(gòu)類型為鋼框架結(jié)構(gòu)，見圖5～6。

圖5 結(jié)構(gòu)布置圖

結(jié)構(gòu)單體典型柱跨為9.8 m×19.7 m、8.2 m×12.6 m。鋼材牌號(hào)Q345B。主要構(gòu)件截面尺寸詳表1。

表1 構(gòu)件截面尺寸

圖6 結(jié)構(gòu)模型

幕墻與主體間常用的連接方式為吊掛式和下座式，由于該項(xiàng)目幕墻高度較大，為避免鋼梁承擔(dān)較大的面外彎矩，該項(xiàng)目幕墻采用下座式。在基礎(chǔ)層標(biāo)高0.400 m位置設(shè)置了1道弧形鋼筋混凝土圈梁，以做為幕墻的支座，上部與屋面鋼梁側(cè)面通過連接件連接，從而避免上部鋼梁在平面外承擔(dān)幕墻豎向荷載，同時(shí)這樣的連接方式避免了幕墻構(gòu)件的剛度對(duì)主體結(jié)構(gòu)的不利影響，見圖7～9。

圖7 幕墻下部支座

圖8 幕墻上部支座

圖9 幕墻底座圈梁現(xiàn)場(chǎng)照片

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 超限情況

該工程存在以下不規(guī)則項(xiàng)：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比為1.68。

該建筑為平面一般不規(guī)則，豎向規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

3.2 性能目標(biāo)

該工程為單跨結(jié)構(gòu)，確立性能目標(biāo)為框架柱中震彈性。

4 結(jié)構(gòu)多遇地震下的分析

4.1 反應(yīng)譜計(jì)算

計(jì)算軟件采用YJK(1.9.3)與SAP2000(19.0.0)2款軟件進(jìn)行對(duì)比。主要計(jì)算指標(biāo)見表2～4。

表2 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

表3 結(jié)構(gòu)樓層剪力對(duì)比

表4 結(jié)構(gòu)位移角匯總

由表2～4可知2種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，計(jì)算模型可真實(shí)反映結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀況，計(jì)算結(jié)果合理有效。表明結(jié)構(gòu)布置合理，無較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，各指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.2 彈性時(shí)程分析

工程選取了實(shí)際5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程曲線，結(jié)果取平均值。所選取加速度時(shí)程曲線滿足規(guī)范要求且與反應(yīng)譜擬合較好，詳見圖10。

圖10 規(guī)范反應(yīng)譜與各時(shí)程反應(yīng)譜曲線對(duì)比

經(jīng)計(jì)算，各加速度時(shí)程曲線小震下最大層間位移角平均值X方向?yàn)?/818，Y方向?yàn)?/812，均小于規(guī)范限值1/250。

5 BIM模型建立

該項(xiàng)目的BIM設(shè)計(jì)流程如下：建筑專業(yè)通過Rhino+Grasshopper建立建筑模型，并提取軸線到CAD。結(jié)構(gòu)依據(jù)軸線建立Tekla模型。建立的結(jié)構(gòu)模型通過IFC文件與建筑Rhino模型進(jìn)行整合后提交幕墻公司進(jìn)行設(shè)計(jì)深化。最后結(jié)構(gòu)依據(jù)建筑及幕墻公司的意見反饋再次對(duì)結(jié)構(gòu)模型修改并提交鋼結(jié)構(gòu)廠家進(jìn)行深化放樣，進(jìn)行鋼構(gòu)件的加工。基于BIM的解決方案讓所有與項(xiàng)目相關(guān)的人員都在數(shù)字化的同一平臺(tái)上開展工作，不但設(shè)計(jì)效率得到提高，設(shè)計(jì)精度還得以保證，而且還能有效避免設(shè)計(jì)中的碰撞問題?？臻g模型形成后，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間定位也就確定了，建筑師再將最外皮的控制面附入模型中，各類構(gòu)件的控制尺寸就確定了。典型節(jié)點(diǎn)詳圖見圖11。經(jīng)深化后的模型見圖12～13。

圖11 典型節(jié)點(diǎn)詳圖

圖12 結(jié)構(gòu)BIM模型

圖13 結(jié)構(gòu)深化節(jié)點(diǎn)

6 結(jié) 語

該項(xiàng)目造型獨(dú)特，結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，采用BIM設(shè)計(jì)解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)復(fù)雜造型難以平面表達(dá)及準(zhǔn)確定位的問題。有效地解決了將來施工過程中可能遇到的碰撞等問題，保證結(jié)構(gòu)主體滿足建筑造型及使用功能。