建筑结构设计中BIM技术的应用研究

朱 旋

(郑州工业应用技术学院，河南 新郑 451100)

1 BIM特点

BIM是一种创新的建筑设计及文档编制方法，其具有可视化、协调性、模拟性、优化性等特点，可以从根本上解决建筑项目各个阶段信息断层的问题。通过BIM技术，建筑规划、设计、施工、运营等各个项目参与方、各个工种之间可以协同工作，建筑信息模型可以在不同专业之间自由交换，应用于工程建设的各个阶段，大大提高了建筑工程项目的建设效率，降低各类风险问题。在该系统中，建筑以数字参数的方式呈现出来，实现了建筑信息的可靠性及一致性，系统具有多种功能，包括设计方案决策、创建施工文档、施工规范、建筑性能预测等等。相比其他技术，BIM体现出以下几个方面的特点：首先，可视化。在BIM建筑信息模型中可以直观的看到不同构件之间形成的关联性及反馈性，清楚的看到所有过程，设计方、施工方、业主之间可以在可视化的环境中进行模型的探讨及决策。其次，协调性。传统建筑项目建造初期各专业之间的协调设计是一项十分复杂的工作，而应用BIM可以优化各专业的协调结果，比如协调人防分区设计与管道设计，或者协调房间净空高度与其他设计布置等。再次，模拟性。利用BIM可以在设计阶段模拟建筑的各项性能，比如日照模拟、紧急疏散模拟、招投标阶段的4D模拟等，性能模拟可以及时发现施工组织计划的问题，及时调整施工计划，以减少设计变更，提高施工效率；此外，以3D模型为基础结合造价控制及项目发展时间可以实现SD模拟，可以提高成本管理的有效性。最后，优化性。BIM模型可以将建筑项目中的材料信息、成本信息、分析信息等所有信息包含在内，并可以查看建筑项目的实时变化信息，有利于工程各相关部门进行协调、优化项目设计。

2 建筑结构设计中BIM的应用实例

某工程总层高为10层，建筑设计以环保型建筑标准为主，总高度39.3 m，建筑主体为钢筋混凝土框剪力墙结构。要求达到6度抗震防烈标准，丙类设施，安全等级要求二级；室内环境要求为一类，地震分组1组，Tg=0.35 s；室内潮湿、露天、水土接触环境为二类a，B类地面粗糙度，风载体型系数取1.3；基本风压、雪压分别为0.35 kN/m2,0.5 kN/m2。

2.1 框架—剪力墙结构受力性能分析

本研究中建筑工程实例结果为框架—剪力墙结构，大部分的水平横向荷载均由剪力墙部分承载，而框架部分则承载了大部分的竖向荷载，这种建筑结构综合了剪力墙与框架结构的优势，其刚性水平稍稍低于框架结构系统，但是水平荷载受房屋侧移的影响较少；而框架—剪力墙结构系统的平面布置又优于单纯的剪力墙结构，前者的自由度更高，灵活性更好。框架结构主要为剪切型变形，剪力墙结构则主要产生弯曲型变形，而框架—剪力墙结构的变形综合了框架结构与剪力墙结构的特点，因此在本工程中，由于楼板在自身平面内刚度较大，通过楼板将二者联系起来，可以使框架与剪力墙在各层楼板标高处产生同样类型的变形。由于剪力墙的侧向刚度远大于框架结构，因此在框架—剪力墙结构中剪力墙承担了大部分的外部荷载，剪力墙受荷载作用其下部会出现变形，但是却减少了框架结构下部的变形，大部分剪力均作用于剪力墙底部，结构上部所承担的剪力较轻，因此结构上部的剪力墙变形小；而框架结构底部虽然承担剪力较少，但是由于剪力墙上部结构剪力变形下降，框架上部承载的剪力就会随之增加，相应的变形也会进一步增加。框架—剪力墙结构中，二者协同工作存在剪力分配及共同变表曲线问题，这类问题可以通过计算框架—剪力墙结构来解决。

2.2 建立模型及计算分析

1)建立结构模型。

将绘制完成的CAD图纸导入软件Revit中，轴网的绘制可以通过拾取轴线来实现，Revit再对轴网按照自动顺序进行自动编号；或者不导入CAD根据轴网尺寸手绘轴线。完成轴网绘制后先对竖向构件进行定义，将柱子、剪力墙等布置到对应位置；再定义横向构件，将框架梁、次梁、连梁等布置到对应位置。最后对结构楼板进行定义，楼板尺寸为h1=120 mm，h2=100 mm，并完成布置。

2)计算模型。

《建筑结构荷载规范》中明确规定了民用建筑的楼面均布荷载要求，其中办公楼、厕所均布活荷载为2 kN/m2，楼梯、走廊为2.5 kN/m2；屋面活荷载取二者最大值2.0 kN/m2。Revit软件要根据建筑结构荷载规范中的相关要求，运行结构荷载工况、定义荷载组合，并根据荷载布置情况定义结构柱底端、墙底端约束。注意设计结构荷载与实施施工情况存在一定差异，实际施工过程中有抹灰、瓷砖等工程，因此楼板恒荷载就设计为2.0 kN/m2；墙体施工可采用加气混凝土砌块的方法，容重为7 kN/m3；墙体梁间横荷载为6.5 kN/m；本建筑屋顶采用女儿墙的做法，梁间荷载取1.5 kN/m。建筑各结构荷载统计完成后将其施加于系统模型中，定义荷载工况及荷载组合，并进行底部约束，再将模型导入Robot中计算结构。

分析模型整体位移图可知，剪力墙结构在竖向荷载作用下其底部位移较上部位置更少，而框架结构则恰恰相反，其底部位移则大于上部位移，当建筑结构底部受到荷载作用时，框架结构与剪力墙结构的协调差距会随之减少；反之建筑顶部受到荷载作用时，框架结构与剪力墙结构的位移协调差距就会随之增加。比如本建筑中某号轴线处一根底层框架柱，其截面尺寸70 cm×80 cm，HY=70 cm,HZ=80 cm,AX=5 600 cm2，IX=4 372 338.136 cm4，IY=2 986 666.667 cm4，IZ=2 286 666.667 cm4；弯矩最大值138.16 kN·m，弯矩最小值-63.64 kN·m。其在受到竖向荷载作用后可采用分层法力矩分配近似计算原则，在满足竖向荷载的条件下，底层柱的传递系数取0.5，余者取0.33；忽略竖向荷载作用下的框架侧向位移即可。

以某同一轴线处一根框架梁为例讨论其在恒荷载作用下结构受力及变形特点，该框架梁截面尺寸为300 mm×700 mm，HY=30 cm，HZ=70 cm，AX=2 100 cm2；IX=460 059.601 cm4，IY=857 500 cm4，IZ=157 500 cm4。其弯矩最大值135.1 kN·m，最小值-312.39 kN·m；框架梁跨中、梁底部受弯支座处均为正弯矩，如梁顶部受弯，则受竖向荷载作用所产生的侧向位移即可忽略。

2.3 配筋设计

根据Robot计算结构设计结构钢筋混凝土构件配筋，设计过程中，材料属性相关参数可在“计算参数”项目中进行设置，混凝土规格为C30，强度为20.1 MPa；徐变系数设置为2，单位重量为2 501.36 kg/m2；最大裂缝宽度取值0.3 mm，以用于验算配筋裂缝；纵向钢筋选择HRB400带肋钢筋，强度参数取400 MPa；横向钢筋选择HPB235光面钢筋，强度参数取235 MPa；配筋设计过程中先对比计算配筋结果与理论配筋数据，再根据比对结果对实际配筋进行调整。利用Robot配筋结果绘制配筋图，应用速博插件中的“钢筋工具”绘制每根梁、柱的三维钢筋图。

3 结语

BIM属于一种描述系统，其包含着丰富的视图数据，体现出一个建筑项目的全生命周期，通过数据共享实现建筑项目各个环节的沟通、协调，应用数据预测进行模拟，再通过反馈改进设计、文件、成果完成系统的优化。在实际建筑结构设计中应用BIM，可以大大提高设计效率及效果，从而保证建筑项目的安全性、经济性及适用性。