BIM技术在超高层建筑复杂钢结构中的应用*

刘宇轩

(中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏 苏州 215151)

0 引言

BIM概念起源于Charles Eastman博士的项目，主要发起人是杰里·莱瑟林，目的是为将来的决策提供可靠依据[1]。预制房屋建筑(PHC)具有清洁安全的工作环境、良好的质量，但因碎片化、不连续性、操作性差、实时信息可用性差等缺点对预制房屋施工进度产生不利影响。因此，Clyde等[2]确定并分析可能对PHC进度绩效产生影响的进度风险因素，然后开发具有射频识别设备(RFID)功能的BIM平台，以处理关键进度因素，为不同利益相关者提供服务、工具和机制，提高PHC管理中日常运营和决策的成功率，从而减轻进度风险，提高PHC进度绩效，确保项目及时交付。BIM工具很难集成材料库存中发现的元件数字信息，并不能真正适应复杂元素的建模缺陷，Dautremont等[3]提出BIM和参数化工具间的工作流程。Gang[4]提出在BIM技术支持下实现系统设计和优化的方法，满足预制构件系统可持续发展要求。以预制构件库为出发点，对预制构件库进行装配设计，形成整体结构的BIM模型，并对BIM模型进行分析审查、碰撞检查等，根据提出的文件加密算法对文件进行加密，最终形成BIM模型设计方案，指导预制结构生产、运输和组装。Aleksandrov等[5]提出用于构建和处理BIM、GIS、点云和传感器获取时间序列数据的系统结构，并证明作为区域信息模型(PIM)的一部分，BIM-GIS传感器集成方法是可行的。系统架构允许灵活构造和操作不同空间数据，以管理三维空间和非空间数据。以能源与环境设计(LEED)中的评级系统领导层为例，研究按照LEED评级系统使用BIM的配置，并制作易于操作的评估模板。张跟柱等[6]在肥东大剧院项目中建立3D参数化BIM模型，全面显示建筑模型，优化建筑区域分割和建设道路布局。郝会杰等[7]采用BIM软件结合模板规范，解决三维结构模型不够精确、封闭转换层模板数量难以精确测量、复杂外模设计难以精细化等问题。周桂云[8]以盐城某酒店办公楼模板设计为背景，利用BIM技术对模板进行优化设计。张铎等[9]利用BIM技术实现设计协作，运用案例研究建立数学模型，对专业按重要性进行排序，优化设计方案，解决建筑工程多专业设计协同过程中的实际问题。高翔等[10]应用BIM技术解决成都露天音乐广场主舞台钢结构工程节点形式复杂、构件类型多样、结构形式独特、施工难度大等问题。

1 超高层建筑BIM技术应用

当超高层建筑具备奇特的形状及丰富的环保功能时，设计过程中常出现设计效率低、设计繁琐、管理混乱等问题，将BIM技术应用于高层建筑设计中，是解决这些问题的途径[11-12]。

1.1 工程概况

中安创谷科技园项目总建筑面积为112 821m2， 其中地上面积89 334m2，地下面积23 487m2，该科技园总平面如图1所示。 主办公楼40层顶标高为176.700m，最高点196.800m，为钢筋混凝土框架-核心筒结构。

图1 科技园总平面

1.2 钢结构BIM深化设计

由于超高层建筑钢结构设计中存在连接复杂、节点众多等问题，且二维CAD图纸不能明确表示钢结构部件的尺寸信息和连接方法，所以在制造、加工钢结构部件时易发生错误。Tekla Structures基于BIM模型，可用于工程数据库管理，整合从招标、图纸深化、制造到设置的整个工作流程，所以钢结构深化设计采用Tekla Structures能较好克服钢结构设计在二维CAD中存在的问题。

该项目屋顶钢结构使用Tekla Structures进行3D立体建模，螺栓和杆件通过3D实体建模输入整个屋顶钢结构模型中，螺栓如图2a所示，结构柱脚三维模型如图2b所示，可直观反映钢结构节点形状，利用Tekla Structures的图纸编辑功能，可发送满足要求的图纸。在绘制钢结构图纸过程中，由于后期存在很多设计变更，需不断更新模型和图纸，Tekla Structures可改善图纸变更后的质量，将错误率降到最低。

图2 钢结构螺栓及柱脚

2 有限元分析

利用Revit建立屋顶钢结构三维模型，结合MIDAS Gen，对屋顶钢结构安全性进行有限元分析。

2.1 有限元模型

1)钢结构模型导入MIDAS Gen 将Revit建立的钢结构模型导入MIDAS Gen中，对钢结构进行有限元分析。

2)荷载种类 屋顶钢结构承受的恒荷载D为1.5kN/m2，基本雪压S为0.60kN/m2，基本风压L为0.35kN/m2，活荷载分项系数为1.4，组合系数为0.7，静力荷载组合工况如下：①1.35D+1.4×0.7L；②1.2D+1.4L；③1.0D+1.4L；④1.35D+1.4×0.7×(L+S)；⑤1.2D+1.4×(L+S)；⑥1.0D+1.4×(L+S)。

3)边界条件 实际建模中，不同柱脚支座是通过解除约束建立的，该钢结构部件间的节点均为焊接连接方式，由于实际节点传递弯矩产生的应力效应比轴力小，所以通过焊接节点模拟钢结构实际状况。模型边界如图3所示。

图3 模型边界

2.2 静力分析

评估建筑结构安全性时，首先对结构进行静态分析。利用MIDAS Gen对屋顶钢结构进行静态分析计算后，可获得结构杆件的应力比、应力及最大竖向变形，根据结构杆件应力比图可得，杆件应力比全部<1，所以屋顶钢结构杆件满足规范要求；由结构杆件应力图可得，在包络负荷条件下，结构杆件最大应力为157MPa，小于屈服应力(345MPa)。根据结构最大竖向变形可知，屋顶钢结构挠度最大值为6.5mm，因为结构杆件跨度为12m，规范要求结构杆件挠度不超过最小跨度的1/250，即48mm，因此屋顶钢结构杆件最大竖向变形满足要求。

2.3 动力分析

2.3.1模态分析

利用MIDAS Gen对屋顶钢结构进行模态分析，得到结构的前12阶模态频率与周期，如图4所示。由图4可得，随屋顶钢结构模态阶数的增加，结构自振频率不断增大，而屋顶钢结构周期却不断变小。屋顶钢结构前3阶模态频率图中，第1，2，3阶模态主要为x向平移、y向平移及以z轴为中心的旋转。选取第1阶模态进行分析，结构第一平动自振周期T1为2.628 6s，第一扭转自振周期Tt为1.856 2s，模态周期比Tt/T1为0.706，小于规范要求的0.85，故屋顶钢结构周期比符合规范。

图4 结构前12阶频率与周期

2.3.2反应谱分析

根据振型分解法，结构在任意瞬间所受的地震作用是该瞬间结构所受各振型的地震作用和。本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，特征周期为0.35s，建筑场地类别为Ⅱ类，结构阻尼比为0.02。本工程水平地震作用仅考虑x，y向工况，即Ex,Ey。

通过MIDAS Gen对屋顶钢结构进行反应谱分析，得到结构在x，y向地震作用下的总位移云图及总应力云图。从云图中提取结构在x，y向地震作用下的位移和应力，如表1所示。由表1可知，屋顶钢结构最大应力为174MPa，小于屈服应力345MPa；屋顶钢结构最大位移为4.1mm，小于规范要求L/250的48mm。由此可得屋顶钢结构在x，y向地震作用下的应力和位移均满足要求。

表1 结构位移及单元应力的最大值

屋顶钢结构在荷载组合工况⑤时的总位移与总应力云图中，结构最大应力为192MPa，小于屈服应力。由总应力云图可知，结构最大位移为14.5mm，小于规范要求的48mm，所以屋顶钢结构在荷载组合工况下的位移与应力满足要求。

综上可得，屋顶钢结构在动力分析中均满足规范要求。

3 结语

1)通过BIM技术对钢结构进行深化设计，利用Tekla Structures对屋顶钢结构进行立体建模，该立体模型包含钢结构所有信息，可实现钢结构精确出图、结构杆件统计，提高钢结构出图效率及出图精度。

2)通过Revit建立屋顶钢结构三维模型，将屋顶钢结构三维模型导入MIDAS Gen，利用MIDAS Gen对屋顶钢结构进行静态分析，屋顶钢结构最大应力为157MPa，竖向最大位移为6.5mm。利用MIDAS Gen对屋顶钢结构进行动力分析，模态分析中的第1阶模态周期比为0.706，在反应谱分析中，x，y向地震作用下的最大应力为174MPa，最大位移为4.1mm。屋顶钢结构在各种荷载组合工况下的最大应力为192MPa，最大位移为14.5mm。通过对比结果与规范，满足规范要求，由此可得基于BIM的钢结构有限元分析具有实用性。