BIM正向設(shè)計在裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

翁柳青

(黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 福建 泉州 362000)

目前，工程結(jié)構(gòu)BIM(建筑信息模型)技術(shù)應(yīng)用多基于CAD圖紙翻模，直接利用BIM軟件實現(xiàn)的正向設(shè)計較少[1-2]。陶桂林等[3]認(rèn)為以二維出圖為導(dǎo)向的BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計為過渡性選擇，應(yīng)增補(bǔ)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，加大BIM技術(shù)應(yīng)用平臺的開發(fā)。田軼文等[4]利用Revit中二維圖元的屬性，關(guān)聯(lián)調(diào)動生成BIM模型，提高BIM結(jié)構(gòu)建模效率，但Revit無法直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。盧厚華[5]認(rèn)為結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計的難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)計算模型與BIM模型信息的傳遞與轉(zhuǎn)換，基于YJK的BIM協(xié)同設(shè)計平臺YJK-Revit可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)計算模型與BIM模型互導(dǎo)，并將YJK結(jié)構(gòu)計算模型的構(gòu)件數(shù)據(jù)、配筋結(jié)果等導(dǎo)入BIM模型。但若結(jié)構(gòu)計算模型更新，則須增加多次結(jié)構(gòu)計算模型與BIM模型的互導(dǎo)，影響效率。焦柯等[6]提出基于結(jié)構(gòu)正向設(shè)計系統(tǒng)GS-Revit可直接利用Revit模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算和出圖，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的BIM正向設(shè)計。吳文勇等[7]提出基于GS-Revit的結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計可代替 AutoCAD 的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、出圖，提升結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計效率，有助于實現(xiàn)工程項目全過程BIM 應(yīng)用。陳少偉等[8]給出基于Revit的結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計的個人電腦軟硬件配置建議，標(biāo)準(zhǔn)配置的CPU和主頻應(yīng)分別為I7 7700和3.6 GHz以上，且內(nèi)存為DDR4 16 GB，并認(rèn)為BIM軟件功能有時不能完全滿足設(shè)計要求，須逐步完善二次開發(fā)?？梢?，結(jié)構(gòu)BIM正向結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)主要依賴于BIM模型與結(jié)構(gòu)計算模型的數(shù)據(jù)傳輸，且對計算機(jī)配置要求較高，軟件實現(xiàn)還存在一定的問題?，F(xiàn)今城鎮(zhèn)建設(shè)常用的結(jié)構(gòu)體系為高層剪力墻結(jié)構(gòu)，裝配式有利于推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展，而BIM技術(shù)應(yīng)用是推進(jìn)建筑智能建造的關(guān)鍵?；诖?，本文將采用GS-Revit軟件建立一高層剪力墻結(jié)構(gòu)的BIM正向設(shè)計模型，分析BIM正向設(shè)計在裝配式高層剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與局限。

1 工程概況

工程選自2019年首屆全國結(jié)構(gòu)設(shè)計信息技術(shù)大賽賽題，項目為裝配式高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，建筑高度83.3 m，面積共12 629 m2，地上主體結(jié)構(gòu)27層?？拐鹪O(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度0.1g，設(shè)計地震分組為第一組，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震等級二級。場地類別為II類，地面粗糙類別B類，基本風(fēng)壓0.3 kPa。計算地震作用和風(fēng)荷載的結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，結(jié)構(gòu)體型系數(shù)1.4，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，中梁剛度放大系數(shù)2.0，連梁剛度折減系數(shù)0.6。混凝土構(gòu)件容重26 kN/m3，構(gòu)件自重程序自動計算。衛(wèi)生間、樓梯間、屋面、天面的附加恒荷載分別是6、8、3、4 kPa，其他板塊的附加恒荷載為1.5 kPa。外墻線荷載為3.2 kPa×墻高，內(nèi)墻線荷載為2.8 kPa×墻高，陽臺欄桿線荷載3 kN/m。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)三維如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)三維圖

2 結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計模型建立

2.1 軸網(wǎng)建立

本工程建筑平面較為復(fù)雜，為快速準(zhǔn)確建立結(jié)構(gòu)BIM模型，通過Revit自帶的插入-鏈接CAD功能，導(dǎo)入建筑平面圖，繼而拾取生成軸線，完成結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)的建立。但若建筑平面圖標(biāo)注尺寸與軟件測量結(jié)果未能嚴(yán)格一致，將導(dǎo)致鏈接創(chuàng)建的軸網(wǎng)不準(zhǔn)確。若工程軸網(wǎng)較為簡單，則可通過GS-Revit的軸網(wǎng)軸線菜單建立，該功能與PKPM、YJK中的軸網(wǎng)創(chuàng)建功能基本一致，符合操作習(xí)慣。

2.2 結(jié)構(gòu)信息設(shè)置

結(jié)構(gòu)信息包含各層信息與總體信息?？傮w信息包含總信息、地震信息、風(fēng)荷載信息、調(diào)整信息、材料信息等。其中，調(diào)整信息中荷載組合設(shè)置執(zhí)行GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中8.2.6條及GB 50011—2010《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》5.4.1條規(guī)定?？傮w信息設(shè)置與PKPM、YJK中的設(shè)置類同，符合常用設(shè)計習(xí)慣。但各層信息設(shè)置與常用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM、YJK中的稍有不同，增加樓層標(biāo)高、高度、層數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)層的設(shè)置功能。根據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)高與建筑標(biāo)高差，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)高進(jìn)行修訂，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計與建筑BIM設(shè)計的協(xié)同。本工程結(jié)構(gòu)層標(biāo)高低于建筑層標(biāo)高50 mm，則可設(shè)置各層信息中“表中第0結(jié)構(gòu)層建筑高度”為-0.05 m，快速完成各層的結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)高偏移。

高度、層數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)層的設(shè)置與PKPM、YJK中的樓層組裝均是為組裝起整樓結(jié)構(gòu)模型，但操作實現(xiàn)有所差異。在PKPM、YJK中增設(shè)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層，不會嚴(yán)重影響模型生成計算數(shù)據(jù)時間。但因GS-Revit對于計算機(jī)軟、硬件的配置要求較高，對于多數(shù)計算機(jī)而言，增設(shè)結(jié)構(gòu)模型標(biāo)準(zhǔn)層將導(dǎo)致模型導(dǎo)出計算緩慢，影響結(jié)構(gòu)設(shè)計效率。

賽題要求首層為嵌固端，建筑2～5層為結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層1，建筑6～27層為結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層2，樓梯面層為結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層3，梯面屋面為結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層4。由于結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)置較少，難以精細(xì)化設(shè)計，影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性。

2.3 構(gòu)件布置

工程中主要構(gòu)件為墻、梁、板，較為適用的構(gòu)件布置菜單為兩點(diǎn)建墻、軸線建梁、連梁開洞、角點(diǎn)布板、層間拷貝等。布置方法與常用軟件PKPM、YJK類同，采用GS-Revit的結(jié)構(gòu)布置比基于Revit結(jié)構(gòu)建模效率高。工程結(jié)構(gòu)布置關(guān)鍵在于剪力墻的位置、墻肢厚度與長度確定。建筑2～5層(結(jié)構(gòu)1～4層)為底部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)，剪力墻厚度取250 mm，其余剪力墻厚度取200 mm。梁構(gòu)件主要承受本層豎向荷載、風(fēng)荷載、地震作用。由于基本風(fēng)壓為0.3 kPa，較小，內(nèi)力主要取決于地震作用，底部加強(qiáng)區(qū)梁構(gòu)件截面大于其他層。但為不影響窗洞設(shè)置，個別連梁最大截面為250 mm×550 mm。梁構(gòu)件布置時存在梁(結(jié)構(gòu)框架)與剪力墻布置無法自動分界的情況，如圖2(a)所示，須手動拉伸調(diào)整，調(diào)整后如圖2(b)所示。

(a) 梁與剪力墻重合 (b) 梁與剪力墻分離

2.4 荷載布置

荷載布置方法與常用結(jié)構(gòu)軟件的荷載布置類同，符合慣用設(shè)計習(xí)慣。梁上布置的非均布線荷載在BIM結(jié)構(gòu)模型中能正確顯示，但經(jīng)模型導(dǎo)出計算發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)導(dǎo)出分析的荷載圖顯示有差。如圖3所示，梁受空調(diào)板荷載影響左端恒載為14.2 kN/m，右端恒載為7.7 kN/m。但BIM模型導(dǎo)出計算的荷載圖上梁線荷載均為14.2 kN/m，如圖4所示。

圖3 BIM模型中的局部梁荷載布置(單位：kN/m) 圖4 BIM模型導(dǎo)出的局部梁計算荷載布置(單位：kN/m)

3 BIM正向設(shè)計計算結(jié)果

通過模型導(dǎo)出生成GSSAP計算數(shù)據(jù)，利用廣廈結(jié)構(gòu)CAD軟件圖形錄入檢查模型數(shù)據(jù)，并進(jìn)行通用GSSAP結(jié)構(gòu)計算，查看GSSAP計算結(jié)果，在AutoCAD自動成圖中檢查配筋超限情況。計算過程軟件運(yùn)行流暢，符合慣用的結(jié)構(gòu)計算與分析流程。

3.1 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)模型計算分析結(jié)果中的周期、周期比、層間位移角等指標(biāo)結(jié)果形式均與常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM、YJK相似。若計算結(jié)果未能符合要求，只須在GS-Revit中更新BIM模型，重新導(dǎo)出計算，并在GS-Revit中重新生成施工圖。結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計模型與施工圖均出自GS-Revit，便于后續(xù)PC構(gòu)件設(shè)計與成果二次利用。

計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)整體第一、二平動周期分別為2.082、2.175 s，第一扭轉(zhuǎn)周期為1.761 s，周期比為0.809。50年一遇風(fēng)荷載作用下X向和Y向最大層間位移角分別為1/2 969與1/2 973，地震荷載作用下X向和Y向最大層間位移角分別為1/1/1 997與1/1 969。周期比與層間位移角均小于GB 50011—2010《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的限值0.9和1/1 000，滿足規(guī)范的要求。由于基本風(fēng)壓為0.3 kPa，導(dǎo)致最大層間位移角由地震作用控制。由于電腦硬件配置不足、BIM模型導(dǎo)出效率較低等原因，結(jié)構(gòu)模型標(biāo)準(zhǔn)層選取少，且需考慮底部豎向荷載較大區(qū)域剪力墻軸壓比不超限，一定程度上導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體設(shè)計剛度偏大，影響計算結(jié)果的合理性與經(jīng)濟(jì)性。

3.2 施工圖生成

在GS-Revit中選擇施工圖的出圖習(xí)慣，軟件可自動生成構(gòu)件模板圖與結(jié)構(gòu)施工圖。根據(jù)GB 50011—2010《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》中6.4.5條，剪力墻設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件的最大軸壓比為0.3，而底層墻肢軸壓比為0.27～0.48，因此多數(shù)墻肢須在底部加強(qiáng)區(qū)及相鄰上一層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。GS-Revit自動根據(jù)GSSAP的軸壓比結(jié)果設(shè)置邊緣構(gòu)件，施工圖中約束邊緣構(gòu)件以編號以YBZ表示，構(gòu)造邊緣構(gòu)件以GBZ表示，便于PC構(gòu)件深化設(shè)計等二次利用，但結(jié)構(gòu)BIM模型中未能根據(jù)配筋結(jié)果顯示三維鋼筋。

3.3 材料用量統(tǒng)計

結(jié)構(gòu)模型各構(gòu)件屬性中的混凝土強(qiáng)度等級自動關(guān)聯(lián)各層信息中的混凝土強(qiáng)度設(shè)置同2.2，利于快速統(tǒng)計混凝土用量。若結(jié)構(gòu)模型各層信息中的混凝土強(qiáng)度等級修改，則該屬性無法自動關(guān)聯(lián)到已布置的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，混凝土用量統(tǒng)計明細(xì)表也無法自動更新，須利用更新的結(jié)構(gòu)重新統(tǒng)計。

4 PC構(gòu)件設(shè)計

4.1 PC構(gòu)件拆分

隱藏結(jié)構(gòu)模型的待拆分構(gòu)件，通過載入GS-Revit軟件PC構(gòu)件族，快速設(shè)置待放置的PC構(gòu)件配筋，并布置到結(jié)構(gòu)BIM三維模型中，完成構(gòu)件的拆分。但在PC族構(gòu)件放置時，GS-Revit軟件無法自動識別結(jié)構(gòu)BIM模型板、梁、墻等構(gòu)件邊界，導(dǎo)致PC構(gòu)件平面各方向尺寸均需手動拉伸調(diào)整以匹配結(jié)構(gòu)BIM模型，一定程度上影響拆分效率。

4.2 PC構(gòu)件深化設(shè)計

PC構(gòu)件深化設(shè)計與構(gòu)件拆分模型聯(lián)動，PC構(gòu)件深化設(shè)計三維模型、模板圖、配筋圖、配筋表、鋼筋桁架剖面圖、立面圖等可根據(jù)結(jié)構(gòu)BIM模型中PC構(gòu)件配筋、尺寸等一鍵生成并實時更新，優(yōu)化出圖效果，提升出圖效率。其中，桁架鋼筋疊合板模板圖與斷面聯(lián)動出圖，如圖5所示。

圖5 桁架鋼筋疊合板模板圖與斷面

5 結(jié) 論

采用GS-Revit的BIM正向設(shè)計在裝配式高層剪力墻結(jié)構(gòu)中的軟件實現(xiàn)效果好，具有一定的優(yōu)勢。BIM正向設(shè)計結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)分析軟件實現(xiàn)方法與常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM、YJK類同，比Revit的結(jié)構(gòu)建模效率高。結(jié)構(gòu)模型調(diào)整時，無須再次將結(jié)構(gòu)計算模型導(dǎo)為結(jié)構(gòu)BIM模型，可直接在Revit中進(jìn)行更改，將更改后的BIM模型導(dǎo)出計算即可。PC構(gòu)件深化設(shè)計模板圖、配筋圖、配筋表、鋼筋桁架剖面圖等可一鍵生成，出圖效果好，且與構(gòu)件拆分模型聯(lián)動，提升出圖效率，節(jié)省人力成本。結(jié)構(gòu)BIM模型、結(jié)構(gòu)施工圖、PC構(gòu)件深化設(shè)計圖均在Revit中完成，便于成果的二次利用，有助于推進(jìn)裝配式建筑的智能建造，便于項目EPC管理。但還存在一定局限，如結(jié)構(gòu)BIM模型標(biāo)準(zhǔn)層數(shù)多時，會較大程度影響B(tài)IM模型導(dǎo)出時間，而標(biāo)準(zhǔn)層數(shù)少則影響高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果的合理性；結(jié)構(gòu)建模出現(xiàn)梁與剪力墻重疊的情況時，軟件無法自動識別斷開；BIM結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出計算時，梁上均布線荷載轉(zhuǎn)為均布線荷載，具有一定程度上的數(shù)據(jù)丟失。