基于BIM技術的網架結構優化設計研究

丁 鋒

（新疆維吾爾自治區建筑設計研究院，新疆 烏魯木齊 830002）

由于網架結構具有較好的空間受力能力，其自重比較輕、消耗的材料也比較少，而且安裝施工比較便捷，能夠有效提高建筑工程的施工質量、縮短施工周期。同時網架結構主要通過工廠進行規模化生產，能夠滿足豐富的建筑造型的需要，因此在現代建筑工程中得到了越來越廣泛的推廣應用。這一發展趨勢在客觀上也對網架結構的設計提出了較高的要求。 而以計算機等技術為基礎的BIM技術的開發應用，改變了傳統網架結構的設計模式，使設計人員可以通過在網架結構設計中引入BIM技術，來實現對結構設計方案的不斷優化，從而提高網架結構設計的質量和效率，促進我國結構設計水平的進步。

1 網架結構概述

所謂網架結構主要是指很多桿件按照一定規律沿不同方向組合構成的鉸接桿系結構系統，該結構體系具有較高的超靜定次數，其在抗震性、剛度以及整體性方面都有突出的優點，其結構特點主要表現在下面幾個方面[1]。

1.1 較好的受力性能

由于網架結構的桿件形成了一個相互支撐的受力體系，其在多方向上的受力性能都比較好，結構受力的均勻性比較高，地基降等因素對其受力性能的影響比較小，有效地提高了建筑結構的穩定性。

1.2 較輕的結構重量

網架結構所需要的鋼材等材料相對比較少，能夠有效減少對資源的消耗，同時該結構的空間利用率也比較高。

1.3 較大的適應范圍

網架結構具有較好的適應性，能夠廣泛地用于大跨度結構、異形結構等不同的結構。

1.4 適合規模化生產

目前在網架結構的生產加工中主要使用的是16Mn鋼以及Q235鋼材，其桿件一般采用的是型鋼以及鋼管，而節點則多為空心球或者實心球，加工材料具有較高的統一性，同時其結構也相對簡單，比較適合進行工業化的規模生產加工。

2 網架結構設計分析

2.1 某建筑工程基本情況簡介

某建筑工程為單體建筑結構，其采用了雙層框架結構，建筑局部為體育訓練場所，其采用的是頂部為鋼結構網架的兩層通高結構，鋼結構網架的構材主要是Q235-B，且平面規格設計為28.8 m×84 m。該建筑的抗震等級要求為6度，且地震地震基本加速度為0.05 g左右。

2.2 網架結構設計方案

在進行網架結構設計時，設計人員應以建筑的實際跨度、網格形式、構造和荷載要求、建筑功能要求、支撐結構方式以及柱網大小等因素為基礎，對網格的平面尺寸和高度等參數進行綜合性分析及確定。在設計網架結構時，其高跨比可在1/10到1/18范圍進行選擇，網格數在短向跨度上應控制在5以上[2]。此外，在設計網格尺寸時，應將相鄰桿件夾角控制30～45 ℃之間。在本次網架結構設計中，其長向跨度為84 m左右，短向跨度則是28.8 m，該網架結構為正房四角錐結構，同時采用了比較規則的平面形式，其設計高度為2.5 m左右。該建筑的抗震等級要求為6度，因此根據我國的網架結構設計規范，在網架結構的設計中不需要進行水平抗震驗算，所以本次網架結構設計可以采取非抗震設計方式。根據靜力等效原則，網架結構的節點范圍內的外荷載作用均集中在該節點位置，因此在分析網架結構時可以將節點設定為鉸接結構，從而只考慮軸向力對桿件的影響，而不需要考慮節點剛度因素。

在網架結構設計中，設計人員可以通過MST等結構分析軟件來構建該網架結構的三維模型，并在模型內輸入相應的約束條件以及荷載，這樣就可以計算分析各種工況條件網架結構的受力組合情況，并以MST軟件的分析計算結果為基礎來對桿件尺寸等進行合理的選擇，從而完成該建筑工程網架結構的設計圖紙的繪制工作。

3 基于BIM技術的網架結構優化設計

3.1 應用BIM技術構建三維模型

隨著計算機等信息技術的快速發展和普及，在建筑領域中也開始廣泛的使用BIM等相關技術。由于建筑工程的建設規模比較大，施工周期相對較長，而且會對周邊區域產生較大的影響，因此在建筑工程設計中要高度重視結構設計的質量和效率。這就要求設計人員在網架結構的設計中積極引入BIM等先進技術，提高結構設計的水平，才能為建筑工程結構的穩定性和安全性提供更加可靠的保障。

在建筑工程的網架結構中，其主要構件為鋼結構，而在結構設計中要重點考慮鋼結構構件的連接形式以及使用效果等問題，這也是網架結構設計中的核心環節，因此在網架結構設計中要合理確定所要連接構件的參數。在應用BIM構建三維模型時，應合理設置相關參數，建立有限元模型，并在不同工況條件下對設計方案進行復核，然后對模型進行計算分析[3]。

3.2 應用BIM技術優化網架結構設計

在應用BIM技術構建網架結構設計的三維模型后，設計人員還應加強與相關專業領域的溝通協調，以便在三維模型中準確呈現網架結構的各種要素信息，通過三維模型的可視化展示來對設計方案進行優化改進，從而使設計方案更加完善合理[4]。

在本建筑工程的網架結構設計中，應用BIM構建三維模型后發現，該網架結構的部分支座設計位置與柱頂范圍沒有完全重合，因此設計人員及時調整了原設計方案中的尺寸，重新對網架進行定位，使網架結構的傳力途徑更加合理。同時通過三維模型對設計方案的立體展示，設計人員還發現在原有設計中個別支座還存在高度設計不合理的情況，造成柱頂標高與支座底部標高不一致。設計人員及時對支座高度進行了調整，使該問題得到了及時的解決。此外，通過應用BIM技術所構建的三維展示模型還發現在該網架結構的設計中，設計人員對于網架和其周邊擋墻的空間位置沒有進行充分的考慮，二者存在一定的沖突，因此設計人員修改了原設計方案，適當對擋墻位置進行了相應的移動調整，使網架避開豎桿以及支座位置，解決了這一問題。

應用BIM技術構建三維模型能夠準確展示相關的設計信息，從而幫助設計人員及時發現在網架結構設計方案中存在缺陷問題，并能夠根據模型信息對此進行相應的調整優化，是網架結構設計方案更加完善合理。

4 結語

由于現代建筑工程中開始廣泛地應用網架結構，因此要求設計人員在進行網架結構設計時要嚴格遵守相關的設計規范，準確把握網架結構的受力性能以及荷載分布情況，合理選擇相關設計參數，提高網架結構的穩定性及安全性。同時設計人員還應在網架結構設計中積極引入BIM等計算機技術，根據設計方案構建三維模型，為設計人員及時發現設計方案中存在的問題提供便利條件和重要的參考依據，此外還要對網架結構的材料工藝以及成本控制等多種因素進行綜合性的分析，從而優化完善網架結構設計方案，全面提高網架結構的設計質量和效率，推動我國結構設計行業整體水平的現代化發展。