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BIM技术在建筑工程结构设计中的应用

2025-03-17 11 上传者：管理员

摘要：某企业的农产品加工厂房采用钢筋混凝土框架结构，为了保证设计方案的规范性和安全性，依托BIM技术，利用Revit软件建立结构模型、设置属性和载荷，再分别运用建筑结构分析软件ETABS和PKPM对其安全性进行验算，重点评价混凝土结构的层间位移、扭转效应以及剪重比。结果显示，计算内容均符合建筑设计规范，说明结构设计方案满足要求。

关键词：
BIM技术
建筑工程
建筑结构设计
施工图设计方案
结构设计
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建筑结构设计具有较高的复杂性和理论性,一方面要建立建筑物的物理模型,另一方面要经过理论验算,确保结构稳定性｡BIM技术通过专业的工程设计软件构建建筑物的三维可视化模型,并且配套的结构安全计算软件已经非常成熟,可辅助完成各种理论计算,因此BIM技术在结构设计与分析中的应用方法是目前研究的重点｡

1、工程概况

某农产品加工企业需要新建一座厂房,总建筑面积3749.05m2,共10层,主体结构为钢筋混凝土框架,使用年限按照50年进行设计,抗震设防烈度为7级｡在结构设计中,需要根据相关规范明确载荷取值,以确定结构安全性｡该项目属于工业建筑,其屋面活载荷取值5kN/m2,基本风压､上人屋面活载荷､雪载荷分别设计为0.55kN/m2､2.00kN/m2､0.40kN/m2｡

2、基于BIM技术的建筑工程结构设计

2.1建立结构模型

该项目在钢筋混凝土结构设计阶段采用BIM技术,利用Revit软件建立结构模型｡

2.1.1建模步骤

利用Revit软件建立模型,选择结构样板文件,链接至建筑BIM模型,创建建筑物的轴网,设置建筑标高,选择适宜的族样本文件,制作构件族,在模型中布置混凝土结构柱,布置梁结构,创建建筑物楼面板结构,创建屋面结构,检查模型｡

2.1.2生成建筑结构模型

根据建模步骤完成相关操作,再利用调节视图显示式样,产生初步的模板图｡模型的物理结构组成要素包括:桩基､钢筋混凝土地坪､钢筋混凝土柱､钢筋混凝土梁､楼面板以及屋面板[1]｡模型生成后,如果需要对局部结构进行修改,应该先确定好各个部分的标高｡

Revit软件中自带部分常用的族,但在实际工程项目中,建筑结构具有多样性､复杂性的特点,有可能出现异形结构,常用族难以满足此类结构的设计,此时需要建立新的族文件,同时设置属性和参数｡BIM属于三维建模技术,建模时先形成物理模型,然后在其基础上开展模型分析｡以梁的分析为例,在Revit软件中,梁可以通过分析模型来查看其受力情况(见图1),模型分析的重点是确定梁的约束条件是否合理,可通过软件设置梁的固定方式,如铰支或者固定,也支持用户自定义方式,建模时通常将主梁､次梁分别设定为固定和铰支[2]｡采用类似的方法,可完成结构柱､楼面板､屋面板以及其他结构的模型分析工作｡

图1Revit软件中桥梁建模示意图

2.2添加结构载荷

2.2.1Revit中载荷的添加方法

建筑设计中必须考虑载荷对结构的影响,利用Revit建立物理模型､设置相关属性之后,还应根据技术规范,为模型中的各类结构添加载荷,根据载荷的作用方式,可将其分为点､线､面三类｡Revit软件中可选择具体的载荷类型,同时按照x､y､z3个方向设置力和力矩[3]｡另外,添加载荷时,需要区分载荷工况,恒载荷是结构自重与固定安装的设备设施所产生的载荷,不会发生变化｡活载荷是人员､临时性设备设施以及其他可移动物体所产生的载荷,风力和积雪产生的载荷分别称为风载荷､雪载荷,除此之外还应考虑温度和地震的作用｡在Revit软件中,支持8种载荷工况｡

2.2.2载荷相关计算

标准组合条件下,将载荷的效应设计值记为Sd,则该参数的计算方法为:

式中:SGjk—按照第j个永久载荷标准值计算的载荷效应值;SQik—按照第i个可变载荷的标准值计算的载荷效应值;Ψci—第i个可变载荷的组合值系数;m—永久载荷的数量;n—可变载荷的数量｡

考虑偶然载荷时,那么载荷偶然组合的效应值S'd为:

式中:SAd—按照偶然载荷标准值计算的载荷效应值;Ψf1—第1个可变载荷频遇值系数;Ψqi—第i个可变载荷的标准永久值系数[4]｡

风载荷通常垂直作用于建筑物的表面,其标准值的计算方法为:

式中:βz—高度z处的风振系数;µs—风载荷的体型系数;µz—风压高度变换系数;w0—基本风压;wk—风载荷的标准值｡

2.3结构分析

在建筑钢筋混凝土结构设计中,稳定性分析具有重要的意义｡一个完整的结构模型由多种几何信息组成,在各类载荷的作用下,需要评价该几何结构能否保持稳定,分析过程如下｡

2.3.1结构安全性计算方法

在结构安全性计算中,引入软件工具ETABS(一款成熟的房屋建筑结构分析软件)｡利用Revit生成该加工厂房的结构分析模型,梁､柱结构可转化为线,屋面和楼板面转化为简单的平面结构,桩基础转化为点元素,无法进行简化处理的结构不参与计算｡将Revit生成的模型以.ecr格式导出,再将其导入ETABS软件中,完成相关计算｡

2.3.2结构安全性计算数据及结果分析

(1)层间位移角分析｡该建筑物为10层结构,限制层间位移是保证结构安全性的重要工作｡根据相关技术规范,当建筑总高度低于150m时,层间位移与层高度的比值应控制在1/550以内｡层间位移的产生主要来自风载荷和地震载荷的作用,分别沿着模型x方向和y方向施加风载荷或者地震载荷,模拟时载荷的取值应符合建筑载荷设计的相关标准｡风载荷作用下层间位移的模拟结果见表1｡从模拟数据可知,建筑物在x､y方向的层间位移量均未超过规定值｡

表1风载荷作用下的层间位移模拟结果

(2)扭转周期与平动周期比值分析｡该比值能够反映出建筑结构的扭转效应,在结构分析中,分别采用ETABS软件和国内广泛使用的PKPM软件计算相关参数,两种软件的计算结果互为对照(见表2)｡该厂房的总高度为36.1m,属于A类建筑,根据技术规范,其扭转周期和平动周期的比值应控制在0.9以内,两种软件的计算结果分别为0.8494､0.8573,均小于0.9,符合扭转效应的安全要求｡

表2结构周期与扭转周期比值计算结果

(3)剪重比分析｡剪重比用于控制地震剪力,确保建筑结构的刚度控制在合理范围内,使其保持一定的柔性,以达到良好的抗震性｡利用ETABS软件和PKPM软件分别模拟计算各楼层在x､y方向的减重比,结果见表3｡根据建筑抗震的相关规范,当建筑扭转周期小于3.5s时,抗震设防烈度为7度的建筑物剪重比应不低于1.6%[5]｡从计算结果可知,各楼层x､y方向的剪重比最小值为2.85%,最大值为7.59%,均大于规定的1.6%,符合抗震安全要求｡

表3基于ETABS软件的剪重比计算结果

3、基于BIM技术的建筑施工图设计方案

在完成结构设计和安全验算之后,即可通过BIM系列软件绘制建筑物的施工图｡

3.1设置建筑结构参数

钢筋混凝土结构的主要参数为混凝土强度等级､主筋材质､箍筋材质｡该厂房混凝土等级为C30,容重设计为26kN/m3｡主筋和箍筋材料分别为HRB335､HRB330,在配筋设计中,应满足建筑设计规范｡

3.2绘制施工图

创建共享参数｡共享参数是Revit软件绘制施工图的重要功能,其本质为信息集合,不同的族和项目能够从该信息集合中获取建筑参数,从而保证出图的一致性｡在实际应用过程中,需要在绘图计算机中安装Revit_CHSRebar字体,用于表达统一的符号(见图2)｡

图2Revit软件绘制桥梁施工图

创建标注族｡施工图绘制依赖于各种标准化的族文件及相应的族标注信息,绘图时先创建族文件,再将其载入项目,进而标注出结构施工图,最终输出结果为CAD图(见图3)｡

图3Revit软件导出桥梁CAD图

4、结语

该工业厂房为钢筋混凝土框架,在结构设计阶段运用BIM技术建立厂房的物理模型,建模软件为Revit,建模步骤包括创建轴网､设置建筑标高､选择适宜的族样本文件､制作构件族等｡

在完成物理建模､属性设施､载荷施加之后,应该根据规范验证结构设计方案的稳定性和安全性,验算内容包括抗震性能､扭转效应以及层间位移,模拟软件为ETABS或者PKPM,该项目的计算结果均符合建筑设计规范｡在模型构建完成后,可利用Revit软件生成施工图,出图的关键步骤为创建共享参数和组标注,图纸均为CAD图｡

参考文献:

[1]李丽娜.土木工程中建筑框架结构设计现存问题及解决对策—以某综合楼工程为例[J].房地产世界,2023(20):42-44.

[2]张宇敏.基于建筑工程中钢结构设计的现状与优化措施[J].中国建筑金属结构,2023,22(11):125-127.

[3]付振海.基于BIM技术的建筑结构正向化设计要点分析[J].四川水泥,2023(7):103-105.

[4]丁聪.BIM技术在建筑结构设计中的运用研究[J].陶瓷,2023(2):113-115.

[5]王丹阳,王凡奇,王伟.建筑工程中钢结构设计的稳定性原则及设计探讨[J].中国住宅设施,2022(12):12-14.

文章来源:李文明.BIM技术在建筑工程结构设计中的应用[J].安装,2025,(03):89-91.