基于BIM技術(shù)的鋼混組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點優(yōu)化設(shè)計思考

【摘要】為提高鋼混組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的設(shè)計質(zhì)量和施工效率，文章從BIM技術(shù)應(yīng)用的角度出發(fā)，深入探討了其在荷載分析、力學計算、鋼筋布置優(yōu)化、預(yù)制構(gòu)件設(shè)計以及施工模擬與工序優(yōu)化等方面的具體應(yīng)用。旨在實現(xiàn)梁柱節(jié)點設(shè)計的精確化、施工的規(guī)范化，以及整體工程質(zhì)量的提升，為現(xiàn)代建筑工程的發(fā)展提供新的技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù)；鋼混組合結(jié)構(gòu)；梁柱節(jié)點

【中圖分類號】TU712 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）09-0022-03

0 引言

隨著現(xiàn)代建筑業(yè)的飛速發(fā)展，人們對建筑工程的安全性、經(jīng)濟性和功能性提出了更高的要求。鋼混組合結(jié)構(gòu)作為一種新型的復合材料結(jié)構(gòu)體系，充分發(fā)揮了鋼材與混凝土材料的各自優(yōu)勢，在高層和超高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外學者圍繞鋼混組合結(jié)構(gòu)開展了大量研究，主要集中在材料性能、節(jié)點構(gòu)造、抗震性能等方面，取得了豐碩的研究成果。盡管鋼混組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論和施工工藝日趨成熟，但在實際工程應(yīng)用中，仍面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，本文引入BIM技術(shù)，從設(shè)計和施工的角度入手，創(chuàng)新性地提出鋼混組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的參數(shù)化設(shè)計、可視化建模、裝配式施工等解決方案。本文的研究彌補了現(xiàn)有研究在節(jié)點深化設(shè)計和數(shù)字化施工方面的不足，具有重要的理論意義和實踐價值。相關(guān)成果可為類似工程提供技術(shù)參考，對于提升鋼混組合結(jié)構(gòu)工程的整體設(shè)計和建造水平具有積極作用。

1 項目概況

某項目為一座教研樓的建設(shè)工程，屬于重要的教育基礎(chǔ)設(shè)施。項目位于4.52萬 m2的可建設(shè)用地上，總建筑面積達68 645.79 m2。建筑高度方面，地上建筑高23.95 m，地下深5.5 m，共有五層地上樓層和一層地下室。從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度來看，項目采用了鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。項目的安全等級和耐火等級均為一級，抗震設(shè)防烈度為7度，基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。值得注意的是，項目的抗震等級為框架三級，剪力墻二級，正負零為60.0 m。地下工程的防水等級為二級。項目還包含1 483.96 m2的架空綠化面積。地下室防水等級為一級，屋面防水等級為一級。結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了型鋼混凝土梁和柱的組合結(jié)構(gòu)，其中包括菱形截面的型鋼混凝土柱和傾斜約30o的型鋼混凝土柱等異形構(gòu)件。二層以上樓層的設(shè)計采用了向外懸挑擴展的形式。尤其在梁柱節(jié)點處，存在復雜的鋼筋交叉情況。

2 鋼混組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點設(shè)計

2.1 鋼混組合結(jié)構(gòu)的特點

鋼混組合結(jié)構(gòu)通過創(chuàng)新性地結(jié)合鋼材和混凝土，實現(xiàn)了優(yōu)異的力學性能和經(jīng)濟效益。一方面，鋼材的高強度和良好延性，賦予結(jié)構(gòu)更大的跨度和承載能力；另一方面，混凝土的高剛度和耐火性又彌補了鋼結(jié)構(gòu)的不足。二者的有機結(jié)合，使得鋼混組合結(jié)構(gòu)在抗震、防火等方面表現(xiàn)出色。同時，鋼結(jié)構(gòu)部分可在工廠預(yù)制，現(xiàn)場裝配，大幅縮短了施工周期，降低了成本。以某大型商業(yè)綜合體項目為例，采用鋼混組合結(jié)構(gòu)后，跨度達到18 m，較傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)減少了30%的柱子，有效提高了空間利用率，從而體現(xiàn)了其綜合優(yōu)越性[1]。

2.2 梁柱節(jié)點的重要性

鋼混組合結(jié)構(gòu)中，梁柱節(jié)點承擔著至關(guān)重要的角色。作為結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中、受力復雜的關(guān)鍵部位，節(jié)點的設(shè)計和施工質(zhì)量直接影響整個結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和抗震韌性。一個優(yōu)秀的節(jié)點需要綜合考慮強度、剛度、延性等多重因素。節(jié)點必須具備足夠的承載力，以可靠地傳遞梁端和柱端的彎矩、剪力和軸力。同時，節(jié)點又要避免過于剛接，以確保良好的延性和耗能能力，特別是在抗震設(shè)計中，這一點尤為關(guān)鍵。此外，節(jié)點構(gòu)造的合理性，如鋼筋的錨固、螺栓的布置、焊縫的設(shè)計，對節(jié)點性能有著顯著影響。在一個高層辦公建筑中，設(shè)計者采用了BRB-RCS梁柱節(jié)點，通過在節(jié)點區(qū)設(shè)置防屈曲支撐，大大提高了節(jié)點及整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，這凸顯了節(jié)點設(shè)計的重要性。

2.3 傳統(tǒng)設(shè)計方法的局限性

傳統(tǒng)的鋼混組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點設(shè)計，主要依賴簡化的力學模型和經(jīng)驗公式，這在一定程度上忽略了節(jié)點的復雜受力狀態(tài)和非線性特性。由于難以精確考慮材料的非線性、幾何的非線性以及二者的耦合效應(yīng)，傳統(tǒng)方法往往對節(jié)點的實際力學行為估計不足，導致設(shè)計結(jié)果過于保守或不夠安全。特別是對于一些不規(guī)則的異形節(jié)點，傳統(tǒng)方法更是難以提供令人滿意的設(shè)計方案。此外，節(jié)點的施工質(zhì)量控制也是一大挑戰(zhàn)。鋼筋位置偏差、混凝土缺陷、焊接殘余應(yīng)力等施工因素，對節(jié)點性能的影響在設(shè)計中難以量化，這進一步加大了設(shè)計結(jié)果與實際性能之間的偏差。因此，亟須引入更先進的設(shè)計理念和方法，如基于性能的設(shè)計、非線性有限元分析等，以獲得更精準、更優(yōu)化的節(jié)點設(shè)計方案[2]。

3 BIM技術(shù)在梁柱節(jié)點深化設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 荷載分析與力學計算

BIM技術(shù)在梁柱節(jié)點深化設(shè)計中的荷載分析與力學計算應(yīng)用顯著提升了設(shè)計精度和效率。通過構(gòu)建精確的三維模型，BIM系統(tǒng)能夠自動提取構(gòu)件幾何信息，并結(jié)合材料屬性和邊界條件，快速生成有限元分析模型。這種無縫集成大大減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯誤，確保了模型的一致性。在荷載分析方面，BIM平臺能夠整合多源荷載信息，包括恒載、活載、風荷載和地震作用，實現(xiàn)荷載的可視化展示和精確計算。借助參數(shù)化設(shè)計功能，工程師能夠快速調(diào)整節(jié)點構(gòu)型并進行多方案比較。在力學計算環(huán)節(jié)，BIM系統(tǒng)可與高級有限元分析軟件對接，執(zhí)行靜力分析、動力分析和非線性分析，全面評估節(jié)點的受力性能。這種基于BIM的一體化分析方法，不僅提高了計算效率，還為優(yōu)化設(shè)計和方案決策提供了有力支持。

3.2 鋼筋布置優(yōu)化

BIM技術(shù)在梁柱節(jié)點鋼筋布置優(yōu)化中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，極大地提高了設(shè)計質(zhì)量和施工可行性。通過BIM平臺，設(shè)計師可以在三維環(huán)境中直觀地進行鋼筋建模，精確控制鋼筋的位置、形狀和間距。系統(tǒng)內(nèi)置的參數(shù)化族庫包含各類標準鋼筋構(gòu)件，便于快速布置和調(diào)整。BIM軟件的碰撞檢測功能能夠自動識別鋼筋之間以及鋼筋與其他構(gòu)件之間的干涉，有效避免了傳統(tǒng)2D設(shè)計中常出現(xiàn)的布置錯誤。在復雜節(jié)點區(qū)域，BIM技術(shù)支持生成鋼筋三維詳圖，清晰展示鋼筋交叉處理和錨固細節(jié)，為現(xiàn)場施工提供直觀指導。通過與結(jié)構(gòu)分析軟件的數(shù)據(jù)交互，BIM系統(tǒng)可根據(jù)應(yīng)力分布自動優(yōu)化鋼筋布置，確保關(guān)鍵受力部位的鋼筋配置合理。

3.3 預(yù)制構(gòu)件設(shè)計

BIM技術(shù)在梁柱節(jié)點預(yù)制構(gòu)件設(shè)計中的應(yīng)用，為裝配式建筑的發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支持。通過BIM平臺，設(shè)計師能夠精確地建模預(yù)制梁、柱和節(jié)點連接件，實現(xiàn)構(gòu)件的參數(shù)化設(shè)計和快速調(diào)整。BIM系統(tǒng)支持預(yù)制構(gòu)件的標準化設(shè)計，可以建立預(yù)制構(gòu)件族庫，從而提高設(shè)計效率和構(gòu)件通用性。在節(jié)點連接設(shè)計方面，BIM技術(shù)能夠模擬不同連接方式的受力性能，如鋼筋套筒連接、后澆帶連接等，以優(yōu)化連接構(gòu)造。BIM平臺的協(xié)同設(shè)計功能使得結(jié)構(gòu)、機電、裝修等各專業(yè)能夠在同一模型上進行設(shè)計，有效解決預(yù)制構(gòu)件之間的管線碰撞和預(yù)留孔洞問題。通過BIM技術(shù)，可以進行預(yù)制構(gòu)件的拼裝模擬，驗證構(gòu)件之間的匹配性和施工的可行性[3]。

3.4 施工模擬與工序優(yōu)化

BIM技術(shù)在梁柱節(jié)點施工模擬與工序優(yōu)化中的應(yīng)用，顯著提升了施工效率和質(zhì)量控制水平。通過BIM平臺構(gòu)建的高精度三維模型，施工團隊能夠在虛擬環(huán)境中預(yù)演整個施工過程，包括模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等關(guān)鍵工序。這種可視化模擬有助于識別潛在的施工難點和安全隱患，提前制定應(yīng)對措施。BIM系統(tǒng)的4D功能將三維模型與施工進度計劃相結(jié)合，生成動態(tài)施工模擬動畫，直觀展示各階段的施工狀態(tài)和資源配置。通過調(diào)整施工順序和方法，可以優(yōu)化工序安排，減少工序間的干擾和等待時間。BIM平臺的碰撞檢測功能能夠識別施工過程中可能發(fā)生的空間沖突，例如大型機械與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的碰撞，從而提前調(diào)整施工方案。

3.5 運維管理與全生命周期應(yīng)用

BIM技術(shù)在梁柱節(jié)點的運維管理和全生命周期應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用，實現(xiàn)了建筑信息的無縫傳遞和持續(xù)利用。在運維階段，BIM作為建筑的“數(shù)字孿生”，存儲了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何信息、材料屬性、施工記錄等全面數(shù)據(jù)。通過移動設(shè)備訪問BIM平臺，維護人員可以快速查詢節(jié)點的設(shè)計參數(shù)、檢修歷史和預(yù)警信息，提高了日常巡檢和維護的效率。BIM系統(tǒng)支持實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成，如應(yīng)變、位移等，能直觀呈現(xiàn)節(jié)點的健康狀態(tài)，輔助做出維修決策。在改造升級時，基于BIM的方案設(shè)計可以準確評估對原結(jié)構(gòu)的影響，確保改造的安全性和可行性。從全生命周期的角度來看，BIM技術(shù)貫穿了梁柱節(jié)點從設(shè)計、施工到運維的全過程。通過持續(xù)更新和完善BIM，可以實現(xiàn)建筑信息的動態(tài)管理，為后續(xù)的能耗分析、空間優(yōu)化和資產(chǎn)管理提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4]。

4 BIM技術(shù)在教研樓項目中的應(yīng)用

案例聚焦于某教研樓項目，重點分析BIM技術(shù)在該項目鋼混組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點深化設(shè)計中的具體應(yīng)用及效果。項目的特殊之處在于采用了型鋼混凝土梁和柱的組合結(jié)構(gòu)，包括菱形截面的型鋼混凝土柱和傾斜約30o的型鋼混凝土柱等異形構(gòu)件，以及二層以上樓層向外懸挑擴展的設(shè)計，這些特點導致梁柱節(jié)點處存在復雜的鋼筋交叉情況，為設(shè)計和施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。

面對這些挑戰(zhàn)，項目團隊充分利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢，在多個方面實現(xiàn)了突破。在荷載分析與力學計算方面，團隊構(gòu)建了精確的三維模型，并與高級有限元分析軟件對接，實現(xiàn)了更為精確的節(jié)點受力分析。特別是對于菱形截面柱和傾斜柱與梁的連接節(jié)點，傳統(tǒng)的簡化計算方法難以準確反映其復雜的受力狀態(tài)。通過BIM技術(shù)，團隊能夠考慮材料非線性和幾何非線性，進行更加真實的模擬。研究數(shù)據(jù)顯示，采用BIM技術(shù)后，節(jié)點應(yīng)力分析的精度提高了約20%，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計奠定了堅實基礎(chǔ)。

在鋼筋布置優(yōu)化方面，BIM技術(shù)的應(yīng)用效果尤為顯著。項目團隊在三維環(huán)境中直觀地進行鋼筋建模，特別關(guān)注梁柱節(jié)點復雜區(qū)域的鋼筋交叉處理。通過系統(tǒng)的碰撞檢測功能，團隊識別并解決了大量潛在的鋼筋布置沖突。最初模型中發(fā)現(xiàn)的28處嚴重碰撞點，經(jīng)過多輪優(yōu)化，最終減少到僅剩3處輕微碰撞，降低96%。這不僅大大提高了設(shè)計的合理性，還為現(xiàn)場施工提供了清晰的指導。

考慮到項目的復雜性，團隊創(chuàng)新性地引入了部分預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計理念。利用BIM技術(shù)，設(shè)計了預(yù)制梁、柱和連接件，這些構(gòu)件占總結(jié)構(gòu)構(gòu)件的30%。通過BIM平臺的協(xié)同設(shè)計功能，團隊有效解決了預(yù)制構(gòu)件之間的管線碰撞和預(yù)留孔洞問題。預(yù)制構(gòu)件的應(yīng)用不僅提高了施工效率，還顯著提升了施工質(zhì)量。數(shù)據(jù)顯示，預(yù)制構(gòu)件的拼裝誤差控制在5 mm以內(nèi)，遠優(yōu)于傳統(tǒng)現(xiàn)澆方法15 mm的誤差水平。這一成果在確保結(jié)構(gòu)整體性的同時，也為后期裝修和設(shè)備安裝創(chuàng)造了有利條件[5]。

在施工模擬與工序優(yōu)化方面，BIM技術(shù)的應(yīng)用同樣卓有成效。項目團隊利用BIM的4D功能，對整個施工過程進行了詳細模擬，特別關(guān)注了異形構(gòu)件和懸挑結(jié)構(gòu)的施工順序和方法。通過虛擬施工環(huán)境，團隊提前識別并解決了5處重大潛在安全隱患，尤其是在懸挑結(jié)構(gòu)施工過程中。優(yōu)化后的施工方案不僅提高了安全性，還顯著提升了施工效率?？偣て诳s短了15 d，約減少6%的施工時間。更重要的是，異形構(gòu)件的施工精度提高了25%，特別是傾斜柱的垂直度誤差控制在1/1 000以內(nèi)，遠超常規(guī)施工水平。

5 結(jié)語

本文詳細探討了BIM技術(shù)在鋼混組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點深化設(shè)計中的多方面應(yīng)用，展示了其在提高設(shè)計精度、優(yōu)化施工流程、增強質(zhì)量控制等方面的顯著優(yōu)勢。未來研究可以進一步聚焦于BIM技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的融合應(yīng)用，探索更智能化、自動化的節(jié)點設(shè)計和施工管理方法。同時，應(yīng)加強BIM技術(shù)在實際工程中的推廣應(yīng)用，建立相關(guān)標準和規(guī)范，以充分發(fā)揮其在提升建筑工程質(zhì)量和效率方面的潛力。

參考文獻

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[作者簡介]何忠政（1989—），男，四川廣安人，本科，工程師，研究方向：項目管理。