基于Revit 的BIM 技术在异型空间钢结构设计中的应用

周勇

（中国十九冶集团有限公司，四川 成都 610031）

随着人们的生活水平和钢结构设计技术的大幅度提高，建筑师的想法越来越大胆，不断提出前所未有的新颖的设计理念。为了符合建筑的造型装饰要求，异型钢结构随之产生。由于空间异型钢结构三维模型不能用简单的函数表达，给模型的创建带来了极大的障碍。Revit体量建模能力极其强大，可以创建任意三维形状，为空间异型钢结构建模提供了一种新的思路。但是，目前我国的BIM(Building Information Modeling)技术应用仍然处于起步阶段，主要应用于施工管理，张彦坤[1]针对项目施工管理中的三大管理目标运用BIM 技术进行具体的分析，通过对施工进度、质量和成本进行控制取得了较好的效果。王成华[2]认为随着社会经济的不断发展，建筑结构的复杂性也随之增强，传统的施工管理模式已不能适应当前施工管理工作，通过BIM 技术策划，构建BIM信息化模型，提升了现场施工管理水平，提高了项目效益。李彭[3]将BIM 技术与建筑施工成本精细化管理结合，极大提高了企业在成本控制中的经济效益。目前BIM 技术极少运用于结构设计应用方面。龙辉元[4]分析了当前BIM 技术在结构设计方面的难点，由于结构分析模型中包含了大量的力学分析要素，如杆件有限元单元类型、截面特性、分析假定和支座设定条件等，因此BIM 模型信息极为繁琐，BIM 信息模型与结构设计分析模型无法完美衔接。另外，BIM 相关软件本身在结构设计中的应用功能不完善，如BIM 核心建模软件不能有效对接常规结构计算软件PKPM，3D3S，ADINA，ANSYS 等，使结构模型力学分析受到很大的限制，因此目前BIM 信息化技术在设计方面真正的运用还比较少，极大影响了BIM 信息化技术的运用和推广。

本文以某空间异型结构设计为例，通过对结构模型创建体量族，提取BIM 模型信息，以CAD 为中转导入3D3S 中，成功实现了结构的力学分析，初步实现了BIM技术在空间异型钢结构中的应用，旨在响应国家大政方针，推广BIM 技术应用，为BIM 技术开发者和应用者提供一些方向。

1 BIM 概念体量的创建及其在建模中的应用

在Revit 软件中，族是组成项目的构件，同时也是参数化建模的信息化载体；体量可以在建筑模型的初始设计中形成三维形状，通过体量研究，可以生成各种异型建筑的空间模型。Revit 提供了概念体量工具，可用于项目前期概念设计阶段，为建筑师提供灵活、简单、快速的概念设计模型。建筑师可以通过概念体量模型推敲建筑形态，可以统计概念体量模型的建筑楼层面积、占地面积和外表面积等设计数据，可以根据概念体量模型表面创建建筑模型中的墙、楼板、屋顶等图元对象，完成从概念设计到方案和施工图设计的转换。利用Revit 灵活的体量建模功能，可以创建NURBS 曲面模型，并通过该曲面转换为屋顶、墙体等对象，在项目中创建复杂对象模型。在Revit 中，还可以对概念体量的表面进行划分，配合使用“自适应构件”生成多种复杂表面肌理。

在Revit 中创建体量有两种方式，一种是“在项目中创建体量”；实现的方法：体量和场地→概念体量→内建体量；另一种是“创建独立的概念体量族”，实现的方法：应用程序菜单→新建→概念体量。

本文以“公制体量.rtf”族样板为基础，创建三维模型的概念体量族。

具体操作步骤如下。步骤一：由于本文的建筑结构空间为左右对称结构，因此取结构左半边进行建模。以结构对称轴为原点，为保证结构模型的精度，在CAD 中确定每个异型面的边界控制点坐标。步骤二：通过Revit 的CAD 导入功能导入空间结构每个异型面的边界控制点坐标，并将边界控制点坐标生成每个异型面的边界线，通过Revit 创建形状功能，创建异型结构的每个异型面（见图1）；步骤三：将Revit 概念体量中的所有创建的异型面进行整体拼接，得到半结构模型（见图2）；步骤四：在Revit 中直接对异型面进行网格剖分（见图3），导入CAD 进行过简单的处理，便可生成杆件单线图，为整体空间网格模型杆件的布置提供了极大的便利，通过镜像得到整体结构线框模型（见图4）。

图1 异型面

图2 半结构模型

图3 面剖分

图4 整体结构线框模型

2 结构设计计算

本工程建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防分类为标准设防类，抗震设防烈度为8 度（0.2g），场地类别为二类，设计地震分组为第一组，基本风压为0.55KN/m2。

考虑到本工程空间网格结构的复杂程度，同时节点处杆件较多，决定使用圆钢管。原因是圆形杆件可以有效避免方钢管各向异性在节点处应力集中的问题，同时避免了杆件方位的判别问题。此外，本工程空间网格结构特别不规则，极大地增加了节点处理难度，使用圆形杆件也可以降低节点制作难度。

利用3D3S 进行结构力学分析计算，计算模型见图4，为了满足建筑效果，对柱子的数量和布置位置严格要求，最后的整体计算模型中带有20m 大跨外加8.3m 悬挑，考虑到结构的复杂性和特殊性，模型所有节点采用全刚接，结构的应力比控制不宜过高，结构杆件最大应力比控制为0.8，图5 为计算所得空间网格结构二层面应力云图，图6 为结构整体计算内力云图，图7 为结构整体最大位移，为22.9mm，皆满足规范要求。

图5 空间网格结构二层面应力云图

图6 结构整体计算内力云图

图7 结构整体最大位移

3 节点设计验算

网格结构节点处杆件较多，节点连接处的处理极为复杂，同时考虑到空间结构的整体稳定性，决定对结构所有节点采用刚接节点。

考虑到本结构的复杂性，尽量真实模拟节点刚性，最终决定采用焊接空心球加相贯焊节点，即在杆件干涉处采用管管相贯办法处理，汇交两杆中，截面积大的杆件必须全截面焊接在球上（当两杆截面面积相等时，取受拉杆），另一杆坡口焊在相汇交杆上，但相应保证有3/4截面在球上并设置加劲板见图8，在受力较大的地方设置支托板见图9。

图8 加劲板

图9 支托板

在计算中发现，在此空间网格结构中杆件除承受轴力外，还承受相当大的弯矩，且部分节点弯矩起控制作用，但目前规范对焊接空心球节点在轴力和弯矩共同作用下的设计方法尚属空白，董石麟等[8]对此种节点做了深入的研究，并总结出实用计算公式，通过实验验证了该公式的可用性，并成功应用于国家体育馆水立方。本文通过董石麟等[8]总结出的公式，运用MathCAD 编制计算程序，验证焊接球的极限承载能力，通过计算，确定选用250mm×10mm 焊接球,即可满足要求。

4 结论

本工程的难点在于空间结构体系特别复杂，结构的空间异型面特别多，三维空间模型的建立极为困难，同时节点设计在规范中尚属空白。本文在BIM 核心建模软件Revit 中创造性地创建概念体量族来创建三维空间模型，并成功将Revit 模型导入结构设计软件3D3S 中进行结构力学分析，初步实现了运用Revit 概念体量创建在空间中特别复杂的建筑模型的应用。

（1）通过将Revit 概念体量运用于复杂空间异型钢结构建模中，能够非常准确地表达建筑意图，全面直观地建立结构分析模型，同时通过在Revit 中直接进行网格的剖分，从Revit 导出后即可形成单线图，为后期导入设计软件中进行结构布置提供方便。

（2）以CAD 为中转，将Revit 几何信息模型导入到计软件中进行结构布置，所建立的模型成功实现了整体结构的力学分析，证明了该方法准确有效。

本文的工作只是初步的，尚有许多方面值得深入研究。

（1）由于Revit 所提供的概念体量功能仅仅是在建筑模型初步设计中进行三维形状的设计，所以本文基于概念体量的方法仅仅创建了建筑模型的几何信息，无法对建筑模型添加物理信息，降低了建筑结构计算模型的效率。

（2）在完成该实际项目时，作者对本文提出的方法进行了长时间的探索，但时间比较紧迫，大部分的工作未实现全部自动化，模型转换速度较慢，同时导入CAD 后需要简单修正，效率依然不够高。

（3）在BIM 建模过程中，模型参数信息仅仅是该结构的物理模型信息，其结构力学分析所需附带的有限元单元类型、力学假定和支座条件等并不附带，因此并未实现力学有限元分析和BIM 建模的无缝衔接，有待后续深入研究。