BIM正向设计在装配式剪力墙结构中的应用

翁柳青

(黎明职业大学 土木建筑工程学院， 福建 泉州 362000)

目前，工程结构BIM(建筑信息模型)技术应用多基于CAD图纸翻模，直接利用BIM软件实现的正向设计较少[1-2]。陶桂林等[3]认为以二维出图为导向的BIM结构设计为过渡性选择，应增补相应的标准，加大BIM技术应用平台的开发。田轶文等[4]利用Revit中二维图元的属性，关联调动生成BIM模型，提高BIM结构建模效率，但Revit无法直接进行结构计算。卢厚华[5]认为结构BIM正向设计的难点在于结构计算模型与BIM模型信息的传递与转换，基于YJK的BIM协同设计平台YJK-Revit可实现结构计算模型与BIM模型互导，并将YJK结构计算模型的构件数据、配筋结果等导入BIM模型。但若结构计算模型更新，则须增加多次结构计算模型与BIM模型的互导，影响效率。焦柯等[6]提出基于结构正向设计系统GS-Revit可直接利用Revit模型进行结构计算和出图，实现建筑结构的BIM正向设计。吴文勇等[7]提出基于GS-Revit的结构BIM正向设计可代替 AutoCAD 的结构方案设计，并进行结构分析、出图，提升结构BIM正向设计效率，有助于实现工程项目全过程BIM 应用。陈少伟等[8]给出基于Revit的结构BIM正向设计的个人电脑软硬件配置建议，标准配置的CPU和主频应分别为I7 7700和3.6 GHz以上，且内存为DDR4 16 GB，并认为BIM软件功能有时不能完全满足设计要求，须逐步完善二次开发。可见，结构BIM正向结构设计实现主要依赖于BIM模型与结构计算模型的数据传输，且对计算机配置要求较高，软件实现还存在一定的问题。现今城镇建设常用的结构体系为高层剪力墙结构，装配式有利于推进新型城镇化发展，而BIM技术应用是推进建筑智能建造的关键。基于此，本文将采用GS-Revit软件建立一高层剪力墙结构的BIM正向设计模型，分析BIM正向设计在装配式高层剪力墙结构中的应用与局限。

1 工程概况

工程选自2019年首届全国结构设计信息技术大赛赛题，项目为装配式高层剪力墙结构住宅，建筑高度83.3 m，面积共12 629 m2，地上主体结构27层。抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.1g，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为丙类，抗震等级二级。场地类别为II类，地面粗糙类别B类，基本风压0.3 kPa。计算地震作用和风荷载的结构阻尼比为0.05，结构体型系数1.4，结构重要性系数1.0，中梁刚度放大系数2.0，连梁刚度折减系数0.6。混凝土构件容重26 kN/m3，构件自重程序自动计算。卫生间、楼梯间、屋面、天面的附加恒荷载分别是6、8、3、4 kPa，其他板块的附加恒荷载为1.5 kPa。外墙线荷载为3.2 kPa×墙高，内墙线荷载为2.8 kPa×墙高，阳台栏杆线荷载3 kN/m。标准层结构三维如图1所示。

图1 标准层结构三维图

2 结构BIM正向设计模型建立

2.1 轴网建立

本工程建筑平面较为复杂，为快速准确建立结构BIM模型，通过Revit自带的插入-链接CAD功能，导入建筑平面图，继而拾取生成轴线，完成结构轴网的建立。但若建筑平面图标注尺寸与软件测量结果未能严格一致，将导致链接创建的轴网不准确。若工程轴网较为简单，则可通过GS-Revit的轴网轴线菜单建立，该功能与PKPM、YJK中的轴网创建功能基本一致，符合操作习惯。

2.2 结构信息设置

结构信息包含各层信息与总体信息。总体信息包含总信息、地震信息、风荷载信息、调整信息、材料信息等。其中，调整信息中荷载组合设置执行GB 50068—2018《建筑结构可靠性设计统一标准》中8.2.6条及GB 50011—2010《建筑结构抗震设计规范》5.4.1条规定。总体信息设置与PKPM、YJK中的设置类同，符合常用设计习惯。但各层信息设置与常用结构设计软件PKPM、YJK中的稍有不同，增加楼层标高、高度、层数、标准层的设置功能。根据结构标高与建筑标高差，对结构构件标高进行修订，以实现结构BIM设计与建筑BIM设计的协同。本工程结构层标高低于建筑层标高50 mm，则可设置各层信息中“表中第0结构层建筑高度”为-0.05 m，快速完成各层的结构构件标高偏移。

高度、层数、标准层的设置与PKPM、YJK中的楼层组装均是为组装起整楼结构模型，但操作实现有所差异。在PKPM、YJK中增设结构标准层，不会严重影响模型生成计算数据时间。但因GS-Revit对于计算机软、硬件的配置要求较高，对于多数计算机而言，增设结构模型标准层将导致模型导出计算缓慢，影响结构设计效率。

赛题要求首层为嵌固端，建筑2～5层为结构标准层1，建筑6～27层为结构标准层2，楼梯面层为结构标准层3，梯面屋面为结构标准层4。由于结构标准层设置较少，难以精细化设计，影响结构设计的灵活性。

2.3 构件布置

工程中主要构件为墙、梁、板，较为适用的构件布置菜单为两点建墙、轴线建梁、连梁开洞、角点布板、层间拷贝等。布置方法与常用软件PKPM、YJK类同，采用GS-Revit的结构布置比基于Revit结构建模效率高。工程结构布置关键在于剪力墙的位置、墙肢厚度与长度确定。建筑2～5层(结构1～4层)为底部结构加强区，剪力墙厚度取250 mm，其余剪力墙厚度取200 mm。梁构件主要承受本层竖向荷载、风荷载、地震作用。由于基本风压为0.3 kPa，较小，内力主要取决于地震作用，底部加强区梁构件截面大于其他层。但为不影响窗洞设置，个别连梁最大截面为250 mm×550 mm。梁构件布置时存在梁(结构框架)与剪力墙布置无法自动分界的情况，如图2(a)所示，须手动拉伸调整，调整后如图2(b)所示。

(a) 梁与剪力墙重合 (b) 梁与剪力墙分离

2.4 荷载布置

荷载布置方法与常用结构软件的荷载布置类同，符合惯用设计习惯。梁上布置的非均布线荷载在BIM结构模型中能正确显示，但经模型导出计算发现，结构导出分析的荷载图显示有差。如图3所示，梁受空调板荷载影响左端恒载为14.2 kN/m，右端恒载为7.7 kN/m。但BIM模型导出计算的荷载图上梁线荷载均为14.2 kN/m，如图4所示。

图3 BIM模型中的局部梁荷载布置(单位：kN/m) 图4 BIM模型导出的局部梁计算荷载布置(单位：kN/m)

3 BIM正向设计计算结果

通过模型导出生成GSSAP计算数据，利用广厦结构CAD软件图形录入检查模型数据，并进行通用GSSAP结构计算，查看GSSAP计算结果，在AutoCAD自动成图中检查配筋超限情况。计算过程软件运行流畅，符合惯用的结构计算与分析流程。

3.1 结构分析

结构模型计算分析结果中的周期、周期比、层间位移角等指标结果形式均与常用的结构设计软件PKPM、YJK相似。若计算结果未能符合要求，只须在GS-Revit中更新BIM模型，重新导出计算，并在GS-Revit中重新生成施工图。结构BIM设计模型与施工图均出自GS-Revit，便于后续PC构件设计与成果二次利用。

计算结果显示，结构整体第一、二平动周期分别为2.082、2.175 s，第一扭转周期为1.761 s，周期比为0.809。50年一遇风荷载作用下X向和Y向最大层间位移角分别为1/2 969与1/2 973，地震荷载作用下X向和Y向最大层间位移角分别为1/1/1 997与1/1 969。周期比与层间位移角均小于GB 50011—2010《建筑结构抗震设计规范》规定的限值0.9和1/1 000，满足规范的要求。由于基本风压为0.3 kPa，导致最大层间位移角由地震作用控制。由于电脑硬件配置不足、BIM模型导出效率较低等原因，结构模型标准层选取少，且需考虑底部竖向荷载较大区域剪力墙轴压比不超限，一定程度上导致结构整体设计刚度偏大，影响计算结果的合理性与经济性。

3.2 施工图生成

在GS-Revit中选择施工图的出图习惯，软件可自动生成构件模板图与结构施工图。根据GB 50011—2010《建筑结构抗震设计规范》中6.4.5条，剪力墙设置构造边缘构件的最大轴压比为0.3，而底层墙肢轴压比为0.27～0.48，因此多数墙肢须在底部加强区及相邻上一层设置约束边缘构件。GS-Revit自动根据GSSAP的轴压比结果设置边缘构件，施工图中约束边缘构件以编号以YBZ表示，构造边缘构件以GBZ表示，便于PC构件深化设计等二次利用，但结构BIM模型中未能根据配筋结果显示三维钢筋。

3.3 材料用量统计

结构模型各构件属性中的混凝土强度等级自动关联各层信息中的混凝土强度设置同2.2，利于快速统计混凝土用量。若结构模型各层信息中的混凝土强度等级修改，则该属性无法自动关联到已布置的结构构件中，混凝土用量统计明细表也无法自动更新，须利用更新的结构重新统计。

4 PC构件设计

4.1 PC构件拆分

隐藏结构模型的待拆分构件，通过载入GS-Revit软件PC构件族，快速设置待放置的PC构件配筋，并布置到结构BIM三维模型中，完成构件的拆分。但在PC族构件放置时，GS-Revit软件无法自动识别结构BIM模型板、梁、墙等构件边界，导致PC构件平面各方向尺寸均需手动拉伸调整以匹配结构BIM模型，一定程度上影响拆分效率。

4.2 PC构件深化设计

PC构件深化设计与构件拆分模型联动，PC构件深化设计三维模型、模板图、配筋图、配筋表、钢筋桁架剖面图、立面图等可根据结构BIM模型中PC构件配筋、尺寸等一键生成并实时更新，优化出图效果，提升出图效率。其中，桁架钢筋叠合板模板图与断面联动出图，如图5所示。

图5 桁架钢筋叠合板模板图与断面

5 结 论

采用GS-Revit的BIM正向设计在装配式高层剪力墙结构中的软件实现效果好，具有一定的优势。BIM正向设计结构建模、结构分析软件实现方法与常用的结构设计软件PKPM、YJK类同，比Revit的结构建模效率高。结构模型调整时，无须再次将结构计算模型导为结构BIM模型，可直接在Revit中进行更改，将更改后的BIM模型导出计算即可。PC构件深化设计模板图、配筋图、配筋表、钢筋桁架剖面图等可一键生成，出图效果好，且与构件拆分模型联动，提升出图效率，节省人力成本。结构BIM模型、结构施工图、PC构件深化设计图均在Revit中完成，便于成果的二次利用，有助于推进装配式建筑的智能建造，便于项目EPC管理。但还存在一定局限，如结构BIM模型标准层数多时，会较大程度影响BIM模型导出时间，而标准层数少则影响高层剪力墙结构设计结果的合理性；结构建模出现梁与剪力墙重叠的情况时，软件无法自动识别断开；BIM结构模型导出计算时，梁上均布线荷载转为均布线荷载，具有一定程度上的数据丢失。