钢结构装配式住宅建筑标准化设计及抗震设计优化分析

孙 超

（同圆设计集团股份有限公司，山东 济南 250103）

0 引言

随着建筑行业的不断发展，人们对住宅的需求已经从数量需求转变成质量和安全需求[1]。钢结构具备强度高、自重轻、刚度大等优势，且装配式施工方式可提升住宅建筑的施工效率和质量[2]，因此钢结构装配式住宅建筑已逐步取代传统的以现浇为主的住宅建筑[3]。但在钢结构装配式住宅建筑的推广过程中，其工业化水平相对较低、抗震性能较差、构件标准不统一等问题逐渐凸显[4-5]。基于此，本文分析钢结构装配式住宅建筑的标准化设计与优化抗震设计，为钢结构装配式住宅建筑工业化水平及安全性能提供技术参考。

1 工程概况

某地住宅小区规划包括9 栋11 层住宅、7 栋6 层住宅、1栋3层幼儿园、临街设有商业且高度为2层。本文以20#楼的钢结构装配式住宅建筑为例，开展标准化设计与优化设计研究，其建筑功能类型为住宅与商业结合，地上11层，其中底部2层位为商业，高度共33.6m，住宅区为标准层高，高度为2.8m，商业层较高，高度为4.2m。

遵循钢结构装配式住宅建筑建设要求，设置其建设配置如表1 所示。对于矩形钢管混凝土框架柱中第一层柱、标准层柱的截面大小分别为450×16、400×10/400×12；框架梁截面尺寸为H400×200×6×14。钢结构装配式住宅建筑平面布置图如图1所示。

图1 钢结构装配式住宅建筑平面布置图

表1 钢结构装配式住宅建筑配置详情

2 钢结构装配式住宅建筑的标准化设计

2.1 预制构件库构建

基于BIM 的钢结构装配式住宅建筑标准化设计基础工作就是预制构件库的建立，统计分析已有结构的构件，构建不同类型预制构件。本文构建预制构件库详情见表2所示。

表2 预制构件库详情

不同预制构件类型有预制梁、预制柱、预制板和预制支撑等。

（1）预制梁：选取工字形预制梁，区分标准以跨度为主、梁高度和宽度为辅，多层钢结构装配式住宅有1.2m、1.4m 等10 种跨度，200mm×320mm、200mm×300mm等4种梁截面大小。

（2）预制柱：预制柱有2.8m 和4.2m 高的2种方钢管柱，截面有200mm×250mm和200mm×220mm这2种。

（3）预制板：将压型钢板混凝土组合板作为预制构件库的预制板，以1850mm 模数作为预制板宽度，跨度与梁跨一致，有10种。

（4）预制支撑：预制支撑为圆形钢管，直径2 种分别为120mm 和140mm，长度与区高一致，区高有2 种分别为2.8m和4.2m，跨度有2.6m和3.0m等4种。

2.2 标准化设计

建立完预制构件库后，将相关构件输入至Revit 软件中，建立预制装配式钢结构住宅建筑的BIM 模型，利用BIM模型库进行钢结构装配式住宅建筑标准化设计，得到户型、立面、平面的最佳组合，并依据建筑设计结果组装结构和设备，经合理性分析后，利用BIM 模型库中构件模型进行深层次优化，完成生产及施工，标准化设计流程如图2所示。

图2 标准化设计流程

2.2.1 建筑设计

利用BIM 建筑库，完成钢结构装配式住宅建筑设计，主要包括户型、柱栋平面、立面设计三部分。

（1）户型设计：按照住宅使用功能需求，从BIM 模型库中选取符合住宅户型内部功能、布局的模数化功能模块进行多样化户型布局组装，并以兼顾成本和效率为前提满足住宅用户个性化户型需求，完成钢结构装配式住宅建筑的户型标准化设计。

（2）住栋平面设计：户型、核心筒、走廊等构成住栋平面，其在户型设计完成后，利用BIM 数据平台将其结合其他附属模块完成住栋平面设计，多元化局部设计住栋平面，利用BIM 系列软件对住栋平面的采光及通风性进行模拟，获取符合住宅设计要求且具备最佳采光通风组合的住栋平面标准化设计方案。

（3）立面设计：选取BIM 构件库中功能性构件和差异化预制墙体进行多元化形式组合，获取最终的色彩丰富、造型多元化的立面形式，展现多元化钢结构装配式住宅建筑立面。

2.2.2 结构设计

以建筑设计完毕后的建筑模型为基础，从BIM结构库中获取符合需求的结构模型与之进行装配，构成钢结构装配式住宅建筑整体楼栋结构。利用Revit软件外部接口将结构模型的初步装配结果导入到BIM软件，分析住宅建筑结构设计结果是否符合设计规范，如果不符合，利用BIM模型予以调整，直至满足设计规范。

2.2.3 协同设计

BIM 协同设计是在统一的信息平台上进行参数化协同设计，缩减各个专业之间实际应用时候的信息孤岛，使信息准确传达，避免源头出错，提升钢结构装配式建筑设计质量。利用BIM 技术设计完成建筑、结构、设备模型后，将三者整合到一起，实现协同，并利用各项专业技术进行微调，并进行碰撞检测和优化，避免模型之间的相互冲突，满足装配安全需求。

3 钢结构装配式住宅建筑的抗震优化设计

将钢结构装配式住宅建筑结构优化问题描述成确定性最优问题，设置工程所需参数（EDP）应在设定阈值之内的确定性约束条件，则钢结构装配式住宅建筑抗震优化设计方案数学表达式为：

式中：F(s)——不同地震强度下钢结构装配式住宅建筑层间位移最小值；

gi——问题的l个约束；

si——离散集Rd中m个设计变量中的一个；

hk——第k个概率约束；

vEDP——EDP 中第k个极限条件下超越概率均值，一般为最大层间位移。

遵循钢结构装配式住宅建筑抗震设计规范，设计具体约束条件如下：

（1）结构性约束：查验设计满足“柱强梁弱”原理与否，查验结构符合截面紧凑原理与否，并避免轴向荷载和弯矩增加导致的屈曲变形；查验梁、柱与对应横截面几何外型连接正确与否，如果不正确，必须整改。

（2）负载能力约束：查验结构抗负载能力，可转换恒载为活载。详细为：轴向荷载下、柱的抗弯能力需符合公式（2）约束：

式中：kyy、χmin、χLT——分别为受轴向荷载和弯矩影响的校正参数、弯扭屈曲折减系数、弯扭失稳折减系数；

Npl,Rd、Mpl,Rd——构件Nsd、Msd的截面承载力。

依据上述目标和约束条件，结合粒子群算法进行求解，获取最佳的钢结构装配式住宅建筑抗震优化设计方案。

4 标准化及优化设计效果分析

为验证钢结构装配式住宅建筑的设计效果，利用BIM 模型展示该住宅小区20#楼的钢结构装配式住宅建筑的标准化设计结果，如图3所示。

图3 钢结构装配式住宅建筑的标准化设计结果

采用建筑-结构-设备-协同的标准化设计得到钢结构装配式住宅建筑的BIM 模型，通过BIM 建筑模型清晰直观地观察模型整体以及内部细部构造。利用BIM 软件进行碰撞检测，查验碰撞部位并及时调整，提前预示钢结构装配式住宅建筑BIM 模型不当之处，在设计阶段就最大程度避免差错，避免出现设计不当。

为验证优化后的钢结构装配式住宅建筑抗震性能，以优化前的钢结构装配式住宅设计结果为对比，利用有限元分析软件，模拟分析El Centro 波、北京人工波（BJRB）两种地震波作用下，优化前后钢结构装配式住宅建筑水平和竖直两方向各楼层的层间位移情况，地震波加载和层间位移情况统计结果分别见表3、表4。

表3 地震波加载详情

表4 优化前后钢结构装配式住宅水平、竖直方向层间位移情况（单位：mm）

分析表3 中所示的地震波加载情况可知，优化设计后的钢结构装配式住宅建筑水平和竖直方向层间位移的最大值和平均值均小于优化前的位移；随着楼层的增加，层间位移呈增加态势，其中BJRG 地震波作用下1F与11F 的水平和竖直方向上的层间位移最大值分别相差1.21mm、1.02mm。El Centro地震波作用下的层间位移变化比BJRG地震波作用下的层间位移变化大，原因在于El Centro 地震输入加速度值大，影响较大。说明本文优化方案的应用，可显著提升钢结构装配式住宅建筑的抗震能力。

5 结束语

综上所述，做好钢结构装配式住宅建筑的标准化设计及抗震设计的优化，对提升钢结构装配式住宅建筑工业化水平及安全性能具有重要意义。本文利用BIM 技术的可模拟性以及可视化，建立钢结构装配式住宅建筑的BIM 模型，在标准化设计结果的基础上，以不同地震强度下钢结构装配式住宅建筑层间位移最小值为目标函数，进行钢结构装配式住宅的抗震优化设计，提升钢结构装配式住宅的抗震能力。案例工程的实践证明，采用优化方案使钢结构装配式住宅的抗震能力得到显著提升。