基于BIM技术的网架结构优化设计研究

丁 锋

（新疆维吾尔自治区建筑设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830002）

由于网架结构具有较好的空间受力能力，其自重比较轻、消耗的材料也比较少，而且安装施工比较便捷，能够有效提高建筑工程的施工质量、缩短施工周期。同时网架结构主要通过工厂进行规模化生产，能够满足丰富的建筑造型的需要，因此在现代建筑工程中得到了越来越广泛的推广应用。这一发展趋势在客观上也对网架结构的设计提出了较高的要求。 而以计算机等技术为基础的BIM技术的开发应用，改变了传统网架结构的设计模式，使设计人员可以通过在网架结构设计中引入BIM技术，来实现对结构设计方案的不断优化，从而提高网架结构设计的质量和效率，促进我国结构设计水平的进步。

1 网架结构概述

所谓网架结构主要是指很多杆件按照一定规律沿不同方向组合构成的铰接杆系结构系统，该结构体系具有较高的超静定次数，其在抗震性、刚度以及整体性方面都有突出的优点，其结构特点主要表现在下面几个方面[1]。

1.1 较好的受力性能

由于网架结构的杆件形成了一个相互支撑的受力体系，其在多方向上的受力性能都比较好，结构受力的均匀性比较高，地基降等因素对其受力性能的影响比较小，有效地提高了建筑结构的稳定性。

1.2 较轻的结构重量

网架结构所需要的钢材等材料相对比较少，能够有效减少对资源的消耗，同时该结构的空间利用率也比较高。

1.3 较大的适应范围

网架结构具有较好的适应性，能够广泛地用于大跨度结构、异形结构等不同的结构。

1.4 适合规模化生产

目前在网架结构的生产加工中主要使用的是16Mn钢以及Q235钢材，其杆件一般采用的是型钢以及钢管，而节点则多为空心球或者实心球，加工材料具有较高的统一性，同时其结构也相对简单，比较适合进行工业化的规模生产加工。

2 网架结构设计分析

2.1 某建筑工程基本情况简介

某建筑工程为单体建筑结构，其采用了双层框架结构，建筑局部为体育训练场所，其采用的是顶部为钢结构网架的两层通高结构，钢结构网架的构材主要是Q235-B，且平面规格设计为28.8 m×84 m。该建筑的抗震等级要求为6度，且地震地震基本加速度为0.05 g左右。

2.2 网架结构设计方案

在进行网架结构设计时，设计人员应以建筑的实际跨度、网格形式、构造和荷载要求、建筑功能要求、支撑结构方式以及柱网大小等因素为基础，对网格的平面尺寸和高度等参数进行综合性分析及确定。在设计网架结构时，其高跨比可在1/10到1/18范围进行选择，网格数在短向跨度上应控制在5以上[2]。此外，在设计网格尺寸时，应将相邻杆件夹角控制30～45 ℃之间。在本次网架结构设计中，其长向跨度为84 m左右，短向跨度则是28.8 m，该网架结构为正房四角锥结构，同时采用了比较规则的平面形式，其设计高度为2.5 m左右。该建筑的抗震等级要求为6度，因此根据我国的网架结构设计规范，在网架结构的设计中不需要进行水平抗震验算，所以本次网架结构设计可以采取非抗震设计方式。根据静力等效原则，网架结构的节点范围内的外荷载作用均集中在该节点位置，因此在分析网架结构时可以将节点设定为铰接结构，从而只考虑轴向力对杆件的影响，而不需要考虑节点刚度因素。

在网架结构设计中，设计人员可以通过MST等结构分析软件来构建该网架结构的三维模型，并在模型内输入相应的约束条件以及荷载，这样就可以计算分析各种工况条件网架结构的受力组合情况，并以MST软件的分析计算结果为基础来对杆件尺寸等进行合理的选择，从而完成该建筑工程网架结构的设计图纸的绘制工作。

3 基于BIM技术的网架结构优化设计

3.1 应用BIM技术构建三维模型

随着计算机等信息技术的快速发展和普及，在建筑领域中也开始广泛的使用BIM等相关技术。由于建筑工程的建设规模比较大，施工周期相对较长，而且会对周边区域产生较大的影响，因此在建筑工程设计中要高度重视结构设计的质量和效率。这就要求设计人员在网架结构的设计中积极引入BIM等先进技术，提高结构设计的水平，才能为建筑工程结构的稳定性和安全性提供更加可靠的保障。

在建筑工程的网架结构中，其主要构件为钢结构，而在结构设计中要重点考虑钢结构构件的连接形式以及使用效果等问题，这也是网架结构设计中的核心环节，因此在网架结构设计中要合理确定所要连接构件的参数。在应用BIM构建三维模型时，应合理设置相关参数，建立有限元模型，并在不同工况条件下对设计方案进行复核，然后对模型进行计算分析[3]。

3.2 应用BIM技术优化网架结构设计

在应用BIM技术构建网架结构设计的三维模型后，设计人员还应加强与相关专业领域的沟通协调，以便在三维模型中准确呈现网架结构的各种要素信息，通过三维模型的可视化展示来对设计方案进行优化改进，从而使设计方案更加完善合理[4]。

在本建筑工程的网架结构设计中，应用BIM构建三维模型后发现，该网架结构的部分支座设计位置与柱顶范围没有完全重合，因此设计人员及时调整了原设计方案中的尺寸，重新对网架进行定位，使网架结构的传力途径更加合理。同时通过三维模型对设计方案的立体展示，设计人员还发现在原有设计中个别支座还存在高度设计不合理的情况，造成柱顶标高与支座底部标高不一致。设计人员及时对支座高度进行了调整，使该问题得到了及时的解决。此外，通过应用BIM技术所构建的三维展示模型还发现在该网架结构的设计中，设计人员对于网架和其周边挡墙的空间位置没有进行充分的考虑，二者存在一定的冲突，因此设计人员修改了原设计方案，适当对挡墙位置进行了相应的移动调整，使网架避开竖杆以及支座位置，解决了这一问题。

应用BIM技术构建三维模型能够准确展示相关的设计信息，从而帮助设计人员及时发现在网架结构设计方案中存在缺陷问题，并能够根据模型信息对此进行相应的调整优化，是网架结构设计方案更加完善合理。

4 结语

由于现代建筑工程中开始广泛地应用网架结构，因此要求设计人员在进行网架结构设计时要严格遵守相关的设计规范，准确把握网架结构的受力性能以及荷载分布情况，合理选择相关设计参数，提高网架结构的稳定性及安全性。同时设计人员还应在网架结构设计中积极引入BIM等计算机技术，根据设计方案构建三维模型，为设计人员及时发现设计方案中存在的问题提供便利条件和重要的参考依据，此外还要对网架结构的材料工艺以及成本控制等多种因素进行综合性的分析，从而优化完善网架结构设计方案，全面提高网架结构的设计质量和效率，推动我国结构设计行业整体水平的现代化发展。