鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

孫 超

（同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)南 250103）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)住宅的需求已經(jīng)從數(shù)量需求轉(zhuǎn)變成質(zhì)量和安全需求[1]。鋼結(jié)構(gòu)具備強(qiáng)度高、自重輕、剛度大等優(yōu)勢(shì)，且裝配式施工方式可提升住宅建筑的施工效率和質(zhì)量[2]，因此鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑已逐步取代傳統(tǒng)的以現(xiàn)澆為主的住宅建筑[3]。但在鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的推廣過(guò)程中，其工業(yè)化水平相對(duì)較低、抗震性能較差、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題逐漸凸顯[4-5]。基于此，本文分析鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)，為鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑工業(yè)化水平及安全性能提供技術(shù)參考。

1 工程概況

某地住宅小區(qū)規(guī)劃包括9 棟11 層住宅、7 棟6 層住宅、1棟3層幼兒園、臨街設(shè)有商業(yè)且高度為2層。本文以20#樓的鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑為例，開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，其建筑功能類(lèi)型為住宅與商業(yè)結(jié)合，地上11層，其中底部2層位為商業(yè)，高度共33.6m，住宅區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)層高，高度為2.8m，商業(yè)層較高，高度為4.2m。

遵循鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑建設(shè)要求，設(shè)置其建設(shè)配置如表1 所示。對(duì)于矩形鋼管混凝土框架柱中第一層柱、標(biāo)準(zhǔn)層柱的截面大小分別為450×16、400×10/400×12；框架梁截面尺寸為H400×200×6×14。鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑平面布置圖如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑平面布置圖

表1 鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑配置詳情

2 鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)制構(gòu)件庫(kù)構(gòu)建

基于BIM 的鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工作就是預(yù)制構(gòu)件庫(kù)的建立，統(tǒng)計(jì)分析已有結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，構(gòu)建不同類(lèi)型預(yù)制構(gòu)件。本文構(gòu)建預(yù)制構(gòu)件庫(kù)詳情見(jiàn)表2所示。

表2 預(yù)制構(gòu)件庫(kù)詳情

不同預(yù)制構(gòu)件類(lèi)型有預(yù)制梁、預(yù)制柱、預(yù)制板和預(yù)制支撐等。

（1）預(yù)制梁：選取工字形預(yù)制梁，區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)以跨度為主、梁高度和寬度為輔，多層鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅有1.2m、1.4m 等10 種跨度，200mm×320mm、200mm×300mm等4種梁截面大小。

（2）預(yù)制柱：預(yù)制柱有2.8m 和4.2m 高的2種方鋼管柱，截面有200mm×250mm和200mm×220mm這2種。

（3）預(yù)制板：將壓型鋼板混凝土組合板作為預(yù)制構(gòu)件庫(kù)的預(yù)制板，以1850mm 模數(shù)作為預(yù)制板寬度，跨度與梁跨一致，有10種。

（4）預(yù)制支撐：預(yù)制支撐為圓形鋼管，直徑2 種分別為120mm 和140mm，長(zhǎng)度與區(qū)高一致，區(qū)高有2 種分別為2.8m和4.2m，跨度有2.6m和3.0m等4種。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

建立完預(yù)制構(gòu)件庫(kù)后，將相關(guān)構(gòu)件輸入至Revit 軟件中，建立預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的BIM 模型，利用BIM模型庫(kù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，得到戶型、立面、平面的最佳組合，并依據(jù)建筑設(shè)計(jì)結(jié)果組裝結(jié)構(gòu)和設(shè)備，經(jīng)合理性分析后，利用BIM 模型庫(kù)中構(gòu)件模型進(jìn)行深層次優(yōu)化，完成生產(chǎn)及施工，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)流程

2.2.1 建筑設(shè)計(jì)

利用BIM 建筑庫(kù)，完成鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑設(shè)計(jì)，主要包括戶型、柱棟平面、立面設(shè)計(jì)三部分。

（1）戶型設(shè)計(jì)：按照住宅使用功能需求，從BIM 模型庫(kù)中選取符合住宅戶型內(nèi)部功能、布局的模數(shù)化功能模塊進(jìn)行多樣化戶型布局組裝，并以兼顧成本和效率為前提滿足住宅用戶個(gè)性化戶型需求，完成鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的戶型標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

（2）住棟平面設(shè)計(jì)：戶型、核心筒、走廊等構(gòu)成住棟平面，其在戶型設(shè)計(jì)完成后，利用BIM 數(shù)據(jù)平臺(tái)將其結(jié)合其他附屬模塊完成住棟平面設(shè)計(jì)，多元化局部設(shè)計(jì)住棟平面，利用BIM 系列軟件對(duì)住棟平面的采光及通風(fēng)性進(jìn)行模擬，獲取符合住宅設(shè)計(jì)要求且具備最佳采光通風(fēng)組合的住棟平面標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案。

（3）立面設(shè)計(jì)：選取BIM 構(gòu)件庫(kù)中功能性構(gòu)件和差異化預(yù)制墻體進(jìn)行多元化形式組合，獲取最終的色彩豐富、造型多元化的立面形式，展現(xiàn)多元化鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑立面。

2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以建筑設(shè)計(jì)完畢后的建筑模型為基礎(chǔ)，從BIM結(jié)構(gòu)庫(kù)中獲取符合需求的結(jié)構(gòu)模型與之進(jìn)行裝配，構(gòu)成鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑整體樓棟結(jié)構(gòu)。利用Revit軟件外部接口將結(jié)構(gòu)模型的初步裝配結(jié)果導(dǎo)入到BIM軟件，分析住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范，如果不符合，利用BIM模型予以調(diào)整，直至滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.2.3 協(xié)同設(shè)計(jì)

BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)是在統(tǒng)一的信息平臺(tái)上進(jìn)行參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)，縮減各個(gè)專(zhuān)業(yè)之間實(shí)際應(yīng)用時(shí)候的信息孤島，使信息準(zhǔn)確傳達(dá)，避免源頭出錯(cuò)，提升鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量。利用BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)完成建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備模型后，將三者整合到一起，實(shí)現(xiàn)協(xié)同，并利用各項(xiàng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)進(jìn)行微調(diào)，并進(jìn)行碰撞檢測(cè)和優(yōu)化，避免模型之間的相互沖突，滿足裝配安全需求。

3 鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

將鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題描述成確定性最優(yōu)問(wèn)題，設(shè)置工程所需參數(shù)（EDP）應(yīng)在設(shè)定閾值之內(nèi)的確定性約束條件，則鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方案數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：F(s)——不同地震強(qiáng)度下鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑層間位移最小值；

gi——問(wèn)題的l個(gè)約束；

si——離散集Rd中m個(gè)設(shè)計(jì)變量中的一個(gè)；

hk——第k個(gè)概率約束；

vEDP——EDP 中第k個(gè)極限條件下超越概率均值，一般為最大層間位移。

遵循鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)具體約束條件如下：

（1）結(jié)構(gòu)性約束：查驗(yàn)設(shè)計(jì)滿足“柱強(qiáng)梁弱”原理與否，查驗(yàn)結(jié)構(gòu)符合截面緊湊原理與否，并避免軸向荷載和彎矩增加導(dǎo)致的屈曲變形；查驗(yàn)梁、柱與對(duì)應(yīng)橫截面幾何外型連接正確與否，如果不正確，必須整改。

（2）負(fù)載能力約束：查驗(yàn)結(jié)構(gòu)抗負(fù)載能力，可轉(zhuǎn)換恒載為活載。詳細(xì)為：軸向荷載下、柱的抗彎能力需符合公式（2）約束：

式中：kyy、χmin、χLT——分別為受軸向荷載和彎矩影響的校正參數(shù)、彎扭屈曲折減系數(shù)、彎扭失穩(wěn)折減系數(shù)；

Npl,Rd、Mpl,Rd——構(gòu)件Nsd、Msd的截面承載力。

依據(jù)上述目標(biāo)和約束條件，結(jié)合粒子群算法進(jìn)行求解，獲取最佳的鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

4 標(biāo)準(zhǔn)化及優(yōu)化設(shè)計(jì)效果分析

為驗(yàn)證鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的設(shè)計(jì)效果，利用BIM 模型展示該住宅小區(qū)20#樓的鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖3所示。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)結(jié)果

采用建筑-結(jié)構(gòu)-設(shè)備-協(xié)同的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)得到鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的BIM 模型，通過(guò)BIM 建筑模型清晰直觀地觀察模型整體以及內(nèi)部細(xì)部構(gòu)造。利用BIM 軟件進(jìn)行碰撞檢測(cè)，查驗(yàn)碰撞部位并及時(shí)調(diào)整，提前預(yù)示鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑BIM 模型不當(dāng)之處，在設(shè)計(jì)階段就最大程度避免差錯(cuò)，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng)。

為驗(yàn)證優(yōu)化后的鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑抗震性能，以優(yōu)化前的鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅設(shè)計(jì)結(jié)果為對(duì)比，利用有限元分析軟件，模擬分析El Centro 波、北京人工波（BJRB）兩種地震波作用下，優(yōu)化前后鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑水平和豎直兩方向各樓層的層間位移情況，地震波加載和層間位移情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4。

表3 地震波加載詳情

表4 優(yōu)化前后鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅水平、豎直方向?qū)娱g位移情況（單位：mm）

分析表3 中所示的地震波加載情況可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑水平和豎直方向?qū)娱g位移的最大值和平均值均小于優(yōu)化前的位移；隨著樓層的增加，層間位移呈增加態(tài)勢(shì)，其中BJRG 地震波作用下1F與11F 的水平和豎直方向上的層間位移最大值分別相差1.21mm、1.02mm。El Centro地震波作用下的層間位移變化比BJRG地震波作用下的層間位移變化大，原因在于El Centro 地震輸入加速度值大，影響較大。說(shuō)明本文優(yōu)化方案的應(yīng)用，可顯著提升鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的抗震能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，做好鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及抗震設(shè)計(jì)的優(yōu)化，對(duì)提升鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑工業(yè)化水平及安全性能具有重要意義。本文利用BIM 技術(shù)的可模擬性以及可視化，建立鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑的BIM 模型，在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以不同地震強(qiáng)度下鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑層間位移最小值為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅的抗震能力。案例工程的實(shí)踐證明，采用優(yōu)化方案使鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅的抗震能力得到顯著提升。