基于Revit的減震、隔震結(jié)構(gòu)耗能裝置族構(gòu)建

齊 杰 張 磊 烏 蘭

(1.深圳市華陽國際工程設(shè)計(jì)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.南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210014)

引言

隔震技術(shù)開始于新西蘭，大范圍運(yùn)用在日本、美國。2008年汶川地震后，我國推行了隔震技術(shù)。2010年上海世博會，減震技術(shù)映入國人視野。

2021年5月12日，國務(wù)院常務(wù)會議通過《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》。 鼓勵采用減隔震技術(shù)提高結(jié)構(gòu)抗震性能； 鼓勵裝配式建筑運(yùn)用減隔震技術(shù)技術(shù)； 明確處于高烈度區(qū)、地震災(zāi)后重建區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)防區(qū)的公共建筑應(yīng)選取減震隔震技術(shù)，發(fā)生設(shè)防地震時確保建筑正常使用。同日，住建部批準(zhǔn)發(fā)布《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51408-2021)； 明確隔震建筑“中震不壞、大震可修、巨震不倒”的基本設(shè)防目標(biāo)，要求結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震設(shè)計(jì)[1]。無論國家層面還是行業(yè)層面，減隔震技術(shù)應(yīng)用被越來越重視，未來減隔震技術(shù)會越來越多地應(yīng)用到建筑中。

建筑信息模型直觀營建出設(shè)計(jì)理念，工程項(xiàng)目在全生命周期各個階段將集成在一個模型； 工程各參與方通過“平臺”輔助設(shè)計(jì)推敲和溝通設(shè)計(jì)意圖； 各專業(yè)/團(tuán)隊(duì)聯(lián)動協(xié)作，減少錯漏碰缺，提質(zhì)增效，降低成本造價[2-4]。隨著新信息通信技術(shù)ICT(5G、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)及AI等)的蓬勃發(fā)展，全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)高速增長占據(jù)國民經(jīng)濟(jì)核心。建筑業(yè)作為中國國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)急需數(shù)字化轉(zhuǎn)型，BIM技術(shù)則是轉(zhuǎn)型升級的主要技術(shù)途徑。

BIM技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的多種問題，已得到行業(yè)的廣泛使用和驗(yàn)證認(rèn)可。已廣泛應(yīng)用于北京行政副中心辦公區(qū)、上海吳淞口國際郵輪碼頭、亞洲基礎(chǔ)設(shè)施投資銀行總部、上海佘山世茂洲際酒店、深圳蓮塘口岸、廣州珠江城大廈、廣州地鐵彩虹橋站、重慶江北國際機(jī)場T3A航站樓、珠海歌劇院等眾多項(xiàng)目[3]。

1 BIM技術(shù)與結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)

1.1 BIM技術(shù)

BIM引入使得建筑設(shè)計(jì)從二維平面轉(zhuǎn)換至三維甚至多維空間，設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)師搭建BIM模型，對空間身臨其境的感受幫助設(shè)計(jì)師更好地對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整； 工程師的語言和工作對象從平立剖面圖紙將變?yōu)槿S信息模型[3]。

基于BIM的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)一模多用(BIM+)，專業(yè)間、軟件間通過數(shù)據(jù)傳遞，一個BIM模型就可以滿足建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、室內(nèi)及造價等專業(yè)的不同需求[5-6]。建筑師計(jì)算面積、日照噪聲分析、消防流線分析及建筑漫游； 結(jié)構(gòu)師進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)、有限元分析、數(shù)值風(fēng)洞及超限分析等； 機(jī)電師進(jìn)行管線排布、碰撞檢查和凈高分析等； 造價師進(jìn)行含鋼率計(jì)算和算量套價。

Revit的核心是參數(shù)化管理，模型圖元幾何形狀和位置會根據(jù)周圍元素進(jìn)行調(diào)整。任一構(gòu)件的參數(shù)變更聯(lián)動相關(guān)構(gòu)件的參數(shù)，“一處修改、處處更新”，與傳統(tǒng)二維形成鮮明對比。Revit中族是構(gòu)件的靈魂，就像是樂高玩具的部件，不同類別的族構(gòu)筑了整個模型。族文件本身承載信息，其創(chuàng)建的質(zhì)量對后續(xù)建模計(jì)算、統(tǒng)計(jì)管理有很大影響[7]。

1.2 結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)

中國受地震、臺風(fēng)影響嚴(yán)重，地震和臺風(fēng)中建筑倒塌、損壞和晃動導(dǎo)致了人員傷亡、財產(chǎn)損失以及體感不適。人們不僅希望保證生命和財產(chǎn)安全，還希望確保居住舒適性； 抗震管理?xiàng)l例要求“生命線”建筑要保證關(guān)鍵時候快速恢復(fù)和運(yùn)行，具備應(yīng)急避難疏散功能。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與現(xiàn)今人類社會發(fā)展需求產(chǎn)生矛盾，結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)的出現(xiàn)革新了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。

圖1 結(jié)構(gòu)振控技術(shù)示意圖

減隔震技術(shù)屬于結(jié)構(gòu)振控技術(shù)中的被動控振技術(shù)。隔震技術(shù)通過隔震支座濾波和變形消耗地震能量，降低上部結(jié)構(gòu)地震和風(fēng)振響應(yīng)。減震技術(shù)通過附加于結(jié)構(gòu)的消能裝置的滯回變形消耗地震以及強(qiáng)風(fēng)能量，減輕主體結(jié)構(gòu)的震振響應(yīng)。減隔震技術(shù)能夠有效提高結(jié)構(gòu)抗震和抗風(fēng)的性能，結(jié)構(gòu)安全冗余度和居住舒適性大幅提高，在不可預(yù)測的地震和強(qiáng)風(fēng)中增加了結(jié)構(gòu)行為的可預(yù)測性，在歷次地震和強(qiáng)風(fēng)中經(jīng)受住考驗(yàn)[8-9]； 作為一種提升城市風(fēng)險防控能力的技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)韌性城鄉(xiāng)建設(shè)的要求[10]。

減隔震技術(shù)國內(nèi)應(yīng)用的項(xiàng)目有重慶來福士廣場、海口美蘭國際機(jī)場、中國國際絲路中心大廈、國家體育館新建訓(xùn)練館、隴南北山郵政職工住宅、北京海淀區(qū)玉淵潭地鐵上蓋、上海莘莊地鐵站上蓋等項(xiàng)目[11-15]。

2 減隔震結(jié)構(gòu)耗能裝置

減隔震結(jié)構(gòu)相比常規(guī)的抗震結(jié)構(gòu)略顯不同，涉及新技術(shù)和新材料，空間關(guān)系相對復(fù)雜； 隔震結(jié)構(gòu)穿越隔震層的固定設(shè)施和管道線路較多，無論設(shè)計(jì)還是施工需處理好構(gòu)造措施，正確的隔震構(gòu)造都是隔震效果的重要保證。應(yīng)用BIM技術(shù)可以解決二維圖紙的盲區(qū)，減少構(gòu)造錯誤。

當(dāng)前BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)中多局限于設(shè)計(jì)后BIM，鮮有采用BIM技術(shù)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，更少有在減隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)用BIM技術(shù)的。減隔震結(jié)構(gòu)建模與一般結(jié)構(gòu)無異，關(guān)鍵和痛點(diǎn)在于目前Revit系統(tǒng)族以及第三方插件的族庫并沒有隔震支座和阻尼器等裝置的族構(gòu)件，構(gòu)建耗能裝置的族庫就顯得尤為關(guān)鍵。

本文采用Revit軟件，參考工程實(shí)例創(chuàng)建減隔震耗能裝置的族，使BIM技術(shù)在減隔震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用變得更易實(shí)現(xiàn)。由于BIM技術(shù)能方便統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)信息，嘗試通過明細(xì)表統(tǒng)計(jì)減隔震裝置的型號及力學(xué)性能參數(shù)。

2.1 族文件構(gòu)建

(1)族介紹

Revit包含系統(tǒng)、內(nèi)建、可載入三種族，也可加載第三方基于Revit二次開發(fā)的插件使用其族庫[6]。通常結(jié)構(gòu)建模采用系統(tǒng)族即可搭建模型，由于減隔裝置族的缺失，考慮創(chuàng)建可載入族來實(shí)現(xiàn)。

圖2 Revit三類族及插件族

(2)族構(gòu)件屬性定義

由于公制常規(guī)模型屬于獨(dú)立樣板，獨(dú)立樣板創(chuàng)建可不依賴于主體，放置位置靈活，故族樣板采用的公制常規(guī)模型。族類別是常規(guī)模型，規(guī)程是結(jié)構(gòu)； 通過族文件名命名不同的類型，通過族類型名稱區(qū)分不同的型號。在族參數(shù)里規(guī)劃相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)，為族參數(shù)化和信息化做鋪墊[6]。

圖3 Revit族構(gòu)件創(chuàng)建流程

(3)族構(gòu)件建模

族編輯器里考慮三維實(shí)體模型創(chuàng)建減隔震裝置族，通過形狀選項(xiàng)卡中的命令來創(chuàng)建幾何形狀。由于存在多種類型及型號的隔震支座和阻尼器，考慮參數(shù)化來實(shí)現(xiàn)支座和阻尼器的族多樣性。

圖4 Revit族編輯器選項(xiàng)卡

2.2 隔震支座

隔震結(jié)構(gòu)中多采用天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座、疊層厚橡膠支座、三向隔震支座等裝置，Revit創(chuàng)建的支座族如圖5～圖9所示。

(a)三維圖 (b)剖面圖圖5 天然橡膠支座族

(a)三維圖 (b)剖面圖圖6 鉛芯橡膠支座族

(a)三維圖 (b)立面圖圖7 摩擦擺支座族

(a)三維圖 (b)剖面圖圖8 疊層厚橡膠支座族

(a)三維圖 (b)立面圖圖9 三向隔震支座族

摩擦擺支座具有自復(fù)位和抗平扭能力，相比橡膠支座承載力、位移能力更有優(yōu)勢，在國外建筑業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，近幾年在國內(nèi)開始應(yīng)用起來。

疊層厚橡膠支座不僅可以水平隔震還能豎向減振，在地鐵上蓋項(xiàng)目(TOD)層間隔震中采用較多。

2.3 阻尼器

減震結(jié)構(gòu)中多采用連梁阻尼器、剪切阻尼器、屈曲約束支撐、粘滯阻尼墻、粘滯流體阻尼器和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等裝置，Revit創(chuàng)建的阻尼器族如圖10～18所示。

(a)三維圖 (b)立面圖圖10 連梁阻尼器族

(a)三維圖 (b)立面圖圖11 剪切阻尼器族

(a)三維圖 (b)三維圖圖12 屈曲約束支撐族

(a)三維圖 (b)立面圖圖13 粘滯阻尼墻族

(a)三維圖 (b)立面圖圖14 粘滯阻尼器族

粘滯阻尼伸臂是將粘滯阻尼器布置于伸臂桁架與外框柱連接處，使二者斷開，以某超高層采用的阻尼器為例創(chuàng)建的族構(gòu)件如圖13～15所示。

(a)三維圖 (b)立面圖圖15 伸臂阻尼桁架族

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器用來抵御強(qiáng)風(fēng)減小塔頂晃動，減小豎向振動提高舒適度。超高層因結(jié)構(gòu)布置等因素采用的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器都不太一樣，需定制構(gòu)件族，以某超高層采用的TMD為例創(chuàng)建的族構(gòu)件如圖16～18所示。

(a)三維圖 (b)立面圖圖16 上海某超高層調(diào)諧質(zhì)量阻尼器族

(a)三維圖 (b)立面圖圖17 深圳某超高層調(diào)諧質(zhì)量阻尼器族

(a)三維圖 (b)立面圖圖18 臺灣某超高層調(diào)諧質(zhì)量阻尼器族

圖19 隔震支座明細(xì)表

圖20 阻尼器明細(xì)表

2.4 明細(xì)表

BIM模型的數(shù)據(jù)信息在視圖里還無法直觀呈現(xiàn)，而Revit的明細(xì)表功能可以用圖表來統(tǒng)計(jì)查看模型具體數(shù)據(jù)信息。Revit中明細(xì)表功能強(qiáng)大，不僅能統(tǒng)計(jì)查看數(shù)據(jù)還能修改數(shù)據(jù)，支持文檔導(dǎo)出； BIM關(guān)聯(lián)性使得明細(xì)表里參數(shù)修改可以同步變更至構(gòu)件，通過明細(xì)表統(tǒng)計(jì)的隔震支座和阻尼器的力學(xué)參數(shù)如圖19～20所示。

3 BIM模型案例應(yīng)用

本節(jié)將構(gòu)建好的減隔震耗能裝置族載入到Revit模型里，通過三維直觀了解減隔震結(jié)構(gòu)，探索BIM技術(shù)在減隔震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

3.1 隔震支座族在BIM模型應(yīng)用

摩擦擺隔震支座在高烈度區(qū)某幼兒園的應(yīng)用如圖21所示，天然和鉛芯橡膠支座以及粘滯阻尼器在高烈度區(qū)某高層住宅的應(yīng)用如圖22所示。

(a)三維圖

(a)三維圖 (b)立面圖

3.2 阻尼器族在BIM模型應(yīng)用

屈曲約束支撐在某汽車站服務(wù)中心加固中的應(yīng)用如圖23所示，粘滯阻尼墻在某住院樓的應(yīng)用如圖24所示，伸臂阻尼桁架和連梁阻尼器在某超高層辦公樓的應(yīng)用如圖25～26所示。

(a)三維圖

(a)三維圖

(a)三維圖 (b)立面圖圖25 超高層辦公樓結(jié)構(gòu)三維模型

(a)設(shè)備層三維圖

4 結(jié)語

(1)減隔震結(jié)構(gòu)相對較為特別，在減隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)用BIM技術(shù)，可以更好地解決空間關(guān)系； 建筑震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，減隔震結(jié)構(gòu)一些錯誤的構(gòu)造處理部位出現(xiàn)不同程度損傷，通過BIM技術(shù)可以減少細(xì)部構(gòu)造錯誤；

(2)創(chuàng)建可參變的減隔震裝置族，解決了Revit系統(tǒng)族以及第三方插件沒有耗能裝置族的問題； 創(chuàng)建族時規(guī)劃的參數(shù)方便明細(xì)表統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)布置得減隔震裝置類型及力學(xué)性能；

(3)將構(gòu)建好的減隔震裝置族載入三維模型，可以更加直觀地認(rèn)識減隔震結(jié)構(gòu)，方便專業(yè)間協(xié)同配合； 構(gòu)建減隔震裝置族庫，使得減隔震結(jié)構(gòu)的建模更加方便快捷，助力實(shí)現(xiàn)日后BIM技術(shù)在減隔震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。