BIM技術(shù)在高層基礎(chǔ)組合隔震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

齊 杰1 張 磊2 趙金年

(1.深圳市華陽國際工程設(shè)計股份有限公司，深圳 518048；2.深圳市華陽國際城市科技有限公司，深圳 518048；3.蘭州城市建設(shè)設(shè)計院，蘭州 730050)

引言

隨著工業(yè)技術(shù)和世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑物正向“高、大、復(fù)、柔”的方向發(fā)展，如超高層建筑、高聳建筑、大跨度橋梁和復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)等各類結(jié)構(gòu)，工程師們需要面臨一些更新更復(fù)雜的問題[1-2]。

數(shù)字虛擬空間里模擬出的建筑信息模型可直觀營建出完整的設(shè)計理念，使建筑全生命周期信息化，設(shè)計全階段可視化，使大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系能夠得以實現(xiàn)，與傳統(tǒng)的二維設(shè)計形成了鮮明對比[3]。在工業(yè)化和信息化普及深化的趨勢下，BIM技術(shù)是建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級和第二次變革的重要驅(qū)動力。

自我國引進BIM技術(shù)以來，已應(yīng)用于國家游泳中心(水立方)、上海世博會中國館、中國尊、上海中心大廈、望京SOHO、國家會展中心(上海)、鳳凰國際傳媒中心、上海迪士尼樂園及天津周大福金融中心等工程中[4]。

1 BIM技術(shù)與結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)

1.1 BIM技術(shù)特點

(1)可視化設(shè)計

可視化是CAD與BIM最為顯著的區(qū)別之一，即便是Sketchup模型也只是方案推敲和階段效果展示。數(shù)字化信息模型是可視化溝通的橋梁，BIM 提供的可視化思路，將以往線條形的構(gòu)件用數(shù)字化構(gòu)件展現(xiàn)出真實的建筑結(jié)構(gòu)模型，讓模型的展現(xiàn)更符合人的直覺。 模擬設(shè)計出的建筑結(jié)構(gòu)模型，可以提高建筑物的真實性和體驗感，更清楚地理清建筑的空間位置關(guān)系。在設(shè)計中實現(xiàn)“所見即所得”[5]。

(2)參數(shù)化設(shè)計

Revit的核心是參數(shù)變更，模型圖元的參變可以通過軟件的協(xié)同和變更管理功能完成； 任何圖元的修改都將在相關(guān)位置得到聯(lián)動，一個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變化聯(lián)動相關(guān)構(gòu)件的變化； 不同的圖元通過參數(shù)維持它們的關(guān)系，并且在不同的參數(shù)之間施加一定的約束，形成關(guān)聯(lián)或連接。通過參數(shù)化可以大大提高結(jié)構(gòu)專業(yè)建模效率[6]。

1.2 結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)

中國是全球地震活動頻度高的國家之一，地震中建筑物倒塌和破壞導(dǎo)致了人員傷亡和財產(chǎn)損失。人們希望保護生命安全的同時還能保護財產(chǎn)安全，“生命線”工程其使用功能還不能中斷，需要在抗震防災(zāi)減災(zāi)中承擔重要的任務(wù)[7]。傳統(tǒng)抗震設(shè)計思想設(shè)計與現(xiàn)今時代人類的需求產(chǎn)生了矛盾，因此設(shè)計理論需要改進[8]。而基于性態(tài)的抗震設(shè)計和結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)的出現(xiàn)帶來了抗震設(shè)計理論的變革。

減隔震技術(shù)就是結(jié)構(gòu)振控技術(shù)中兩種方式。隔震結(jié)構(gòu)是在一般的抗震結(jié)構(gòu)某層設(shè)置隔震層并布置隔震支座[9]； 而減震結(jié)構(gòu)是在一般的抗震結(jié)構(gòu)附設(shè)消能減震裝置與原結(jié)構(gòu)組成新的結(jié)構(gòu)類型[10-11]。減隔震技術(shù)可以有效減少建筑上部結(jié)構(gòu)的地震作用和風荷載作用，大大提高結(jié)構(gòu)抗震和抗風的能力，在歷次地震和強風中到了有效驗證[12-13]； 確保結(jié)構(gòu)安全冗余度和建筑功能可持續(xù)，滿足韌性城市的基本要求。

圖1 結(jié)構(gòu)振控技術(shù)示意圖

2008年汶川地震促動了減隔震技術(shù)在中國的應(yīng)用，我國應(yīng)用減隔震技術(shù)眾所周知的項目有北京大興國際機場、港珠澳大橋、重慶來福士廣場、中國國際絲路中心大廈、首都博物館東館、西安國際絲路中心、蘆山縣人民醫(yī)院、北京通惠家園地鐵車輛段、上海徐涇萬科天空之城地鐵上蓋等項目[14-15]。

2 工程概況

建筑物地上15層，一層高3.60m，二層至十五層高2.90m，屋頂機房層高4.20m； 地下室共2層，地下一層高4m； 地下二層為隔震層，層高2m； 主屋面高度44.50m，長25.80m，寬14.80m，高寬比為3。

2.1 結(jié)構(gòu)概況

隔震層通過轉(zhuǎn)換托起上部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)體系為剪力墻結(jié)構(gòu)，丙類建筑。設(shè)防烈度九度(0.4g)，抗震等級一級，地下室底板嵌固。地震分組第三組，特征周期0.45s。組合隔震結(jié)構(gòu)計算模型見圖3。

圖2 建筑整體效果圖

圖3 組合隔震結(jié)構(gòu)計算模型

2.2 減隔震設(shè)計概況

減隔震裝置作為一種預(yù)制構(gòu)件，項目共設(shè)置59套隔震支座和6套粘滯阻尼器。在隔震層上柱墩底采取一柱一支座形式布置隔震支座，結(jié)構(gòu)外圍布置23套鉛芯橡膠支座，結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置36套天然橡膠支座； 粘滯阻尼器沿X、Y方向兩個主軸邊跨分別布置4套和2套，與主體結(jié)構(gòu)采用單斜桿對角支撐型連接。減隔震裝置平面布置圖如圖4所示。

圖4 支座和阻尼器平面布置圖(CAD)

3 BIM模型案例分析

減隔震結(jié)構(gòu)相比一般的抗震結(jié)構(gòu)具有特殊性，涉及新技術(shù)和新材料，設(shè)計和施工相對較為復(fù)雜； 目前BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用多局限于結(jié)構(gòu)翻模，而且基本都是一般的抗震結(jié)構(gòu)。本文應(yīng)用BIM技術(shù)采用Revit軟件，對高烈度區(qū)某高層基礎(chǔ)組合隔震結(jié)構(gòu)搭建整體結(jié)構(gòu)模型，更直觀地闡述減隔震結(jié)構(gòu)的組成及原理。由于BIM能方便統(tǒng)計結(jié)構(gòu)信息，嘗試通過明細表統(tǒng)計減隔震裝置的力學性能參數(shù)和工程量。通過共享BIM模型數(shù)據(jù)一模多用，嘗試解決BIM模型結(jié)構(gòu)計算的短板，探索BIM技術(shù)在高層減隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。

3.1 上部與下部結(jié)構(gòu)建模

通過鏈接CAD圖紙作為底圖載入到Revit軟件，在平面和立面圖中分別創(chuàng)建軸網(wǎng)和標高，之后根據(jù)構(gòu)件的位置及截面開始上部結(jié)構(gòu)的建模。

Revit提供了多種類型的基礎(chǔ)，比如擴展基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等。項目選用在下支墩下布置樁基礎(chǔ)。

3.2 隔震層建模

隔震層能夠有效耗散地震能量，降低上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，上部可降一度進行抗震設(shè)計。因此實現(xiàn)這個特殊的隔震層就顯得很關(guān)鍵。隔震層建模與一般結(jié)構(gòu)無異，重點在于隔震支座和阻尼器這兩個裝置，Revit系統(tǒng)族里沒有相應(yīng)可用的族，需要單獨創(chuàng)建可載入族。由于存在多種類型及型號的隔震支座和參數(shù)較多的阻尼器，故采用參數(shù)化創(chuàng)建支座和阻尼器的族，在族參數(shù)和共享參數(shù)里規(guī)劃相關(guān)參數(shù)，族樣板采用公制常規(guī)模型[16]。

(1)隔震支座

由于項目選用了兩種類型的支座，每種類型支座有幾種尺寸，考慮創(chuàng)建兩個類型族通過參變實現(xiàn)不同型號。

圖5 天然橡膠隔震支座三維及剖面圖

圖6 鉛芯橡膠隔震支座三維及剖面圖

(2)阻尼器

項目選用了一種型號的液體粘滯阻尼器。

圖7 粘滯阻尼器三維圖

隔震層平面布置和三維圖分別見圖8～9。

圖8 支座和阻尼器平面布置圖(Revit)

圖9 隔震層三維圖

3.3 結(jié)構(gòu)整體模型和爆炸分解模型

模型除了能在平面、立面、剖面、三維四種視圖顯示外，還能制作爆炸分解圖。爆炸分解圖是結(jié)構(gòu)的立體裝配圖，可以將所有構(gòu)件炸開，爆炸的程度為可分辨出單獨的構(gòu)件和細節(jié)，也可以只爆炸結(jié)構(gòu)重要的部位。清楚認識建筑的整體結(jié)構(gòu)框架與局部，更好地理解結(jié)構(gòu)的組成關(guān)系。搭建的結(jié)構(gòu)整體模型三維及立面詳見圖10。

圖10 整體結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)爆炸分解模型如圖11所示。由圖可見整體結(jié)構(gòu)由上部結(jié)構(gòu)、隔震層、下部結(jié)構(gòu)三部分組成。上部結(jié)構(gòu)包括地上塔樓和地下一層； 隔震層(轉(zhuǎn)換層)包括轉(zhuǎn)換梁、上柱墩、減隔震裝置和下柱墩； 下部結(jié)構(gòu)包括地下室底板和樁基礎(chǔ)。

圖11 爆炸分解模型

3.4 明細表

BIM模型中反映了大量的數(shù)據(jù)信息，由于視圖模式中并不能直觀呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)的具體數(shù)字信息，卻可以通過明細表以圖表形式了解模型具體數(shù)字信息。明細表不僅能快速生成構(gòu)件明細，還能生成構(gòu)件物理和力學參數(shù)的明細。項目選用的隔震支座和阻尼器的力學參數(shù)明細如圖12～13所示。

3.5 Revit與Robot和Yjk雙向鏈接

圖12 隔震支座明細表

圖13 阻尼器明細表

眼下結(jié)構(gòu)工程師主流的設(shè)計方法：主要使用結(jié)構(gòu)計算軟件建模計算，然后采用有限元分析軟件進行結(jié)構(gòu)整體或局部受力分析，最終使用CAD繪制施工圖。結(jié)構(gòu)工程師基于BIM 技術(shù)的設(shè)計方法：將物理模型導(dǎo)入計算分析軟件，軟件進行計算分析，隨后反饋分析結(jié)果至Revit，并動態(tài)更新物理模型和施工圖，結(jié)構(gòu)計算分析和施工圖兩者達到相互統(tǒng)一[17-18]。當前設(shè)計遇到的一個痛點在于，結(jié)構(gòu)分析功能強的軟件建模功能不是很匹配，結(jié)構(gòu)建模功能強的軟件分析功能不是很匹配，如果能夠?qū)崿F(xiàn)雙向鏈接，達成物理模型和計算分析模型的數(shù)據(jù)共用，一模多用可以有效縮減建模和計算分析的時間，實現(xiàn)正向設(shè)計[19-20]。通過Revit軟件將BIM模型發(fā)送至Robot和Yjk軟件，兩種軟件非隔震計算分析模型見圖14。

圖14 Robot 和Yjk結(jié)構(gòu)分析模型

4 結(jié)語

(1)通過參數(shù)化使得減隔震裝置的創(chuàng)建變得更加方便快捷；

(2)通過結(jié)構(gòu)整體模型和爆炸分解模型對比可以清楚地認識減隔震結(jié)構(gòu)各部分的組成、減隔震裝置與主體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，可視化使得減隔震結(jié)構(gòu)能夠得以直觀真實準確的展現(xiàn)；

(3)通過明細表可以圖表的形式了解結(jié)構(gòu)選用和布置的減隔震裝置力學信息；

(4)通過Revit與Robot和Yjk軟件間雙向鏈接，嘗試了結(jié)構(gòu)信息的相互交換和共享，實現(xiàn)一模多用。

5 展望

在“新基建”的背景下，隨著AI技術(shù)、3D打印技術(shù)、裝配式技術(shù)、結(jié)構(gòu)振控技術(shù)以及BIM和CIM技術(shù)的發(fā)展，未來很有可能實現(xiàn)建筑全工業(yè)化生產(chǎn)，像造車一樣造建筑。