BIM技术在高层基础组合隔震结构中的应用

齐 杰1 张 磊2 赵金年

(1.深圳市华阳国际工程设计股份有限公司，深圳 518048；2.深圳市华阳国际城市科技有限公司，深圳 518048；3.兰州城市建设设计院，兰州 730050)

引言

随着工业技术和世界经济的快速发展，建筑物正向“高、大、复、柔”的方向发展，如超高层建筑、高耸建筑、大跨度桥梁和复杂空间结构等各类结构，工程师们需要面临一些更新更复杂的问题[1-2]。

数字虚拟空间里模拟出的建筑信息模型可直观营建出完整的设计理念，使建筑全生命周期信息化，设计全阶段可视化，使大型复杂结构体系能够得以实现，与传统的二维设计形成了鲜明对比[3]。在工业化和信息化普及深化的趋势下，BIM技术是建筑业转型升级和第二次变革的重要驱动力。

自我国引进BIM技术以来，已应用于国家游泳中心(水立方)、上海世博会中国馆、中国尊、上海中心大厦、望京SOHO、国家会展中心(上海)、凤凰国际传媒中心、上海迪士尼乐园及天津周大福金融中心等工程中[4]。

1 BIM技术与结构振动控制技术

1.1 BIM技术特点

(1)可视化设计

可视化是CAD与BIM最为显著的区别之一，即便是Sketchup模型也只是方案推敲和阶段效果展示。数字化信息模型是可视化沟通的桥梁，BIM 提供的可视化思路，将以往线条形的构件用数字化构件展现出真实的建筑结构模型，让模型的展现更符合人的直觉。 模拟设计出的建筑结构模型，可以提高建筑物的真实性和体验感，更清楚地理清建筑的空间位置关系。在设计中实现“所见即所得”[5]。

(2)参数化设计

Revit的核心是参数变更，模型图元的参变可以通过软件的协同和变更管理功能完成； 任何图元的修改都将在相关位置得到联动，一个结构构件的变化联动相关构件的变化； 不同的图元通过参数维持它们的关系，并且在不同的参数之间施加一定的约束，形成关联或连接。通过参数化可以大大提高结构专业建模效率[6]。

1.2 结构振动控制技术

中国是全球地震活动频度高的国家之一，地震中建筑物倒塌和破坏导致了人员伤亡和财产损失。人们希望保护生命安全的同时还能保护财产安全，“生命线”工程其使用功能还不能中断，需要在抗震防灾减灾中承担重要的任务[7]。传统抗震设计思想设计与现今时代人类的需求产生了矛盾，因此设计理论需要改进[8]。而基于性态的抗震设计和结构振动控制技术的出现带来了抗震设计理论的变革。

减隔震技术就是结构振控技术中两种方式。隔震结构是在一般的抗震结构某层设置隔震层并布置隔震支座[9]； 而减震结构是在一般的抗震结构附设消能减震装置与原结构组成新的结构类型[10-11]。减隔震技术可以有效减少建筑上部结构的地震作用和风荷载作用，大大提高结构抗震和抗风的能力，在历次地震和强风中到了有效验证[12-13]； 确保结构安全冗余度和建筑功能可持续，满足韧性城市的基本要求。

图1 结构振控技术示意图

2008年汶川地震促动了减隔震技术在中国的应用，我国应用减隔震技术众所周知的项目有北京大兴国际机场、港珠澳大桥、重庆来福士广场、中国国际丝路中心大厦、首都博物馆东馆、西安国际丝路中心、芦山县人民医院、北京通惠家园地铁车辆段、上海徐泾万科天空之城地铁上盖等项目[14-15]。

2 工程概况

建筑物地上15层，一层高3.60m，二层至十五层高2.90m，屋顶机房层高4.20m； 地下室共2层，地下一层高4m； 地下二层为隔震层，层高2m； 主屋面高度44.50m，长25.80m，宽14.80m，高宽比为3。

2.1 结构概况

隔震层通过转换托起上部结构，上部结构体系为剪力墙结构，丙类建筑。设防烈度九度(0.4g)，抗震等级一级，地下室底板嵌固。地震分组第三组，特征周期0.45s。组合隔震结构计算模型见图3。

图2 建筑整体效果图

图3 组合隔震结构计算模型

2.2 减隔震设计概况

减隔震装置作为一种预制构件，项目共设置59套隔震支座和6套粘滞阻尼器。在隔震层上柱墩底采取一柱一支座形式布置隔震支座，结构外围布置23套铅芯橡胶支座，结构内部布置36套天然橡胶支座； 粘滞阻尼器沿X、Y方向两个主轴边跨分别布置4套和2套，与主体结构采用单斜杆对角支撑型连接。减隔震装置平面布置图如图4所示。

图4 支座和阻尼器平面布置图(CAD)

3 BIM模型案例分析

减隔震结构相比一般的抗震结构具有特殊性，涉及新技术和新材料，设计和施工相对较为复杂； 目前BIM技术在结构中的应用多局限于结构翻模，而且基本都是一般的抗震结构。本文应用BIM技术采用Revit软件，对高烈度区某高层基础组合隔震结构搭建整体结构模型，更直观地阐述减隔震结构的组成及原理。由于BIM能方便统计结构信息，尝试通过明细表统计减隔震装置的力学性能参数和工程量。通过共享BIM模型数据一模多用，尝试解决BIM模型结构计算的短板，探索BIM技术在高层减隔震结构设计中的应用。

3.1 上部与下部结构建模

通过链接CAD图纸作为底图载入到Revit软件，在平面和立面图中分别创建轴网和标高，之后根据构件的位置及截面开始上部结构的建模。

Revit提供了多种类型的基础，比如扩展基础、筏板基础、桩基础等。项目选用在下支墩下布置桩基础。

3.2 隔震层建模

隔震层能够有效耗散地震能量，降低上部结构地震响应，上部可降一度进行抗震设计。因此实现这个特殊的隔震层就显得很关键。隔震层建模与一般结构无异，重点在于隔震支座和阻尼器这两个装置，Revit系统族里没有相应可用的族，需要单独创建可载入族。由于存在多种类型及型号的隔震支座和参数较多的阻尼器，故采用参数化创建支座和阻尼器的族，在族参数和共享参数里规划相关参数，族样板采用公制常规模型[16]。

(1)隔震支座

由于项目选用了两种类型的支座，每种类型支座有几种尺寸，考虑创建两个类型族通过参变实现不同型号。

图5 天然橡胶隔震支座三维及剖面图

图6 铅芯橡胶隔震支座三维及剖面图

(2)阻尼器

项目选用了一种型号的液体粘滞阻尼器。

图7 粘滞阻尼器三维图

隔震层平面布置和三维图分别见图8～9。

图8 支座和阻尼器平面布置图(Revit)

图9 隔震层三维图

3.3 结构整体模型和爆炸分解模型

模型除了能在平面、立面、剖面、三维四种视图显示外，还能制作爆炸分解图。爆炸分解图是结构的立体装配图，可以将所有构件炸开，爆炸的程度为可分辨出单独的构件和细节，也可以只爆炸结构重要的部位。清楚认识建筑的整体结构框架与局部，更好地理解结构的组成关系。搭建的结构整体模型三维及立面详见图10。

图10 整体结构模型

结构爆炸分解模型如图11所示。由图可见整体结构由上部结构、隔震层、下部结构三部分组成。上部结构包括地上塔楼和地下一层； 隔震层(转换层)包括转换梁、上柱墩、减隔震装置和下柱墩； 下部结构包括地下室底板和桩基础。

图11 爆炸分解模型

3.4 明细表

BIM模型中反映了大量的数据信息，由于视图模式中并不能直观呈现结构的具体数字信息，却可以通过明细表以图表形式了解模型具体数字信息。明细表不仅能快速生成构件明细，还能生成构件物理和力学参数的明细。项目选用的隔震支座和阻尼器的力学参数明细如图12～13所示。

3.5 Revit与Robot和Yjk双向链接

图12 隔震支座明细表

图13 阻尼器明细表

眼下结构工程师主流的设计方法：主要使用结构计算软件建模计算，然后采用有限元分析软件进行结构整体或局部受力分析，最终使用CAD绘制施工图。结构工程师基于BIM 技术的设计方法：将物理模型导入计算分析软件，软件进行计算分析，随后反馈分析结果至Revit，并动态更新物理模型和施工图，结构计算分析和施工图两者达到相互统一[17-18]。当前设计遇到的一个痛点在于，结构分析功能强的软件建模功能不是很匹配，结构建模功能强的软件分析功能不是很匹配，如果能够实现双向链接，达成物理模型和计算分析模型的数据共用，一模多用可以有效缩减建模和计算分析的时间，实现正向设计[19-20]。通过Revit软件将BIM模型发送至Robot和Yjk软件，两种软件非隔震计算分析模型见图14。

图14 Robot 和Yjk结构分析模型

4 结语

(1)通过参数化使得减隔震装置的创建变得更加方便快捷；

(2)通过结构整体模型和爆炸分解模型对比可以清楚地认识减隔震结构各部分的组成、减隔震装置与主体结构之间的关系，可视化使得减隔震结构能够得以直观真实准确的展现；

(3)通过明细表可以图表的形式了解结构选用和布置的减隔震装置力学信息；

(4)通过Revit与Robot和Yjk软件间双向链接，尝试了结构信息的相互交换和共享，实现一模多用。

5 展望

在“新基建”的背景下，随着AI技术、3D打印技术、装配式技术、结构振控技术以及BIM和CIM技术的发展，未来很有可能实现建筑全工业化生产，像造车一样造建筑。