BIM正向設計在裝配式剪力墻結構中的應用

翁柳青

(黎明職業大學 土木建筑工程學院， 福建 泉州 362000)

目前，工程結構BIM(建筑信息模型)技術應用多基于CAD圖紙翻模，直接利用BIM軟件實現的正向設計較少[1-2]。陶桂林等[3]認為以二維出圖為導向的BIM結構設計為過渡性選擇，應增補相應的標準，加大BIM技術應用平臺的開發。田軼文等[4]利用Revit中二維圖元的屬性，關聯調動生成BIM模型，提高BIM結構建模效率，但Revit無法直接進行結構計算。盧厚華[5]認為結構BIM正向設計的難點在于結構計算模型與BIM模型信息的傳遞與轉換，基于YJK的BIM協同設計平臺YJK-Revit可實現結構計算模型與BIM模型互導，并將YJK結構計算模型的構件數據、配筋結果等導入BIM模型。但若結構計算模型更新，則須增加多次結構計算模型與BIM模型的互導，影響效率。焦柯等[6]提出基于結構正向設計系統GS-Revit可直接利用Revit模型進行結構計算和出圖，實現建筑結構的BIM正向設計。吳文勇等[7]提出基于GS-Revit的結構BIM正向設計可代替 AutoCAD 的結構方案設計，并進行結構分析、出圖，提升結構BIM正向設計效率，有助于實現工程項目全過程BIM 應用。陳少偉等[8]給出基于Revit的結構BIM正向設計的個人電腦軟硬件配置建議，標準配置的CPU和主頻應分別為I7 7700和3.6 GHz以上，且內存為DDR4 16 GB，并認為BIM軟件功能有時不能完全滿足設計要求，須逐步完善二次開發。可見，結構BIM正向結構設計實現主要依賴于BIM模型與結構計算模型的數據傳輸，且對計算機配置要求較高，軟件實現還存在一定的問題。現今城鎮建設常用的結構體系為高層剪力墻結構，裝配式有利于推進新型城鎮化發展，而BIM技術應用是推進建筑智能建造的關鍵。基于此，本文將采用GS-Revit軟件建立一高層剪力墻結構的BIM正向設計模型，分析BIM正向設計在裝配式高層剪力墻結構中的應用與局限。

1 工程概況

工程選自2019年首屆全國結構設計信息技術大賽賽題，項目為裝配式高層剪力墻結構住宅，建筑高度83.3 m，面積共12 629 m2，地上主體結構27層。抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.1g，設計地震分組為第一組，抗震設防類別為丙類，抗震等級二級。場地類別為II類，地面粗糙類別B類，基本風壓0.3 kPa。計算地震作用和風荷載的結構阻尼比為0.05，結構體型系數1.4，結構重要性系數1.0，中梁剛度放大系數2.0，連梁剛度折減系數0.6。混凝土構件容重26 kN/m3，構件自重程序自動計算。衛生間、樓梯間、屋面、天面的附加恒荷載分別是6、8、3、4 kPa，其他板塊的附加恒荷載為1.5 kPa。外墻線荷載為3.2 kPa×墻高，內墻線荷載為2.8 kPa×墻高，陽臺欄桿線荷載3 kN/m。標準層結構三維如圖1所示。

圖1 標準層結構三維圖

2 結構BIM正向設計模型建立

2.1 軸網建立

本工程建筑平面較為復雜，為快速準確建立結構BIM模型，通過Revit自帶的插入-鏈接CAD功能，導入建筑平面圖，繼而拾取生成軸線，完成結構軸網的建立。但若建筑平面圖標注尺寸與軟件測量結果未能嚴格一致，將導致鏈接創建的軸網不準確。若工程軸網較為簡單，則可通過GS-Revit的軸網軸線菜單建立，該功能與PKPM、YJK中的軸網創建功能基本一致，符合操作習慣。

2.2 結構信息設置

結構信息包含各層信息與總體信息。總體信息包含總信息、地震信息、風荷載信息、調整信息、材料信息等。其中，調整信息中荷載組合設置執行GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》中8.2.6條及GB 50011—2010《建筑結構抗震設計規范》5.4.1條規定。總體信息設置與PKPM、YJK中的設置類同，符合常用設計習慣。但各層信息設置與常用結構設計軟件PKPM、YJK中的稍有不同，增加樓層標高、高度、層數、標準層的設置功能。根據結構標高與建筑標高差，對結構構件標高進行修訂，以實現結構BIM設計與建筑BIM設計的協同。本工程結構層標高低于建筑層標高50 mm，則可設置各層信息中“表中第0結構層建筑高度”為-0.05 m，快速完成各層的結構構件標高偏移。

高度、層數、標準層的設置與PKPM、YJK中的樓層組裝均是為組裝起整樓結構模型，但操作實現有所差異。在PKPM、YJK中增設結構標準層，不會嚴重影響模型生成計算數據時間。但因GS-Revit對于計算機軟、硬件的配置要求較高，對于多數計算機而言，增設結構模型標準層將導致模型導出計算緩慢，影響結構設計效率。

賽題要求首層為嵌固端，建筑2～5層為結構標準層1，建筑6～27層為結構標準層2，樓梯面層為結構標準層3，梯面屋面為結構標準層4。由于結構標準層設置較少，難以精細化設計，影響結構設計的靈活性。

2.3 構件布置

工程中主要構件為墻、梁、板，較為適用的構件布置菜單為兩點建墻、軸線建梁、連梁開洞、角點布板、層間拷貝等。布置方法與常用軟件PKPM、YJK類同，采用GS-Revit的結構布置比基于Revit結構建模效率高。工程結構布置關鍵在于剪力墻的位置、墻肢厚度與長度確定。建筑2～5層(結構1～4層)為底部結構加強區，剪力墻厚度取250 mm，其余剪力墻厚度取200 mm。梁構件主要承受本層豎向荷載、風荷載、地震作用。由于基本風壓為0.3 kPa，較小，內力主要取決于地震作用，底部加強區梁構件截面大于其他層。但為不影響窗洞設置，個別連梁最大截面為250 mm×550 mm。梁構件布置時存在梁(結構框架)與剪力墻布置無法自動分界的情況，如圖2(a)所示，須手動拉伸調整，調整后如圖2(b)所示。

(a) 梁與剪力墻重合 (b) 梁與剪力墻分離

2.4 荷載布置

荷載布置方法與常用結構軟件的荷載布置類同，符合慣用設計習慣。梁上布置的非均布線荷載在BIM結構模型中能正確顯示，但經模型導出計算發現，結構導出分析的荷載圖顯示有差。如圖3所示，梁受空調板荷載影響左端恒載為14.2 kN/m，右端恒載為7.7 kN/m。但BIM模型導出計算的荷載圖上梁線荷載均為14.2 kN/m，如圖4所示。

圖3 BIM模型中的局部梁荷載布置(單位：kN/m) 圖4 BIM模型導出的局部梁計算荷載布置(單位：kN/m)

3 BIM正向設計計算結果

通過模型導出生成GSSAP計算數據，利用廣廈結構CAD軟件圖形錄入檢查模型數據，并進行通用GSSAP結構計算，查看GSSAP計算結果，在AutoCAD自動成圖中檢查配筋超限情況。計算過程軟件運行流暢，符合慣用的結構計算與分析流程。

3.1 結構分析

結構模型計算分析結果中的周期、周期比、層間位移角等指標結果形式均與常用的結構設計軟件PKPM、YJK相似。若計算結果未能符合要求，只須在GS-Revit中更新BIM模型，重新導出計算，并在GS-Revit中重新生成施工圖。結構BIM設計模型與施工圖均出自GS-Revit，便于后續PC構件設計與成果二次利用。

計算結果顯示，結構整體第一、二平動周期分別為2.082、2.175 s，第一扭轉周期為1.761 s，周期比為0.809。50年一遇風荷載作用下X向和Y向最大層間位移角分別為1/2 969與1/2 973，地震荷載作用下X向和Y向最大層間位移角分別為1/1/1 997與1/1 969。周期比與層間位移角均小于GB 50011—2010《建筑結構抗震設計規范》規定的限值0.9和1/1 000，滿足規范的要求。由于基本風壓為0.3 kPa，導致最大層間位移角由地震作用控制。由于電腦硬件配置不足、BIM模型導出效率較低等原因，結構模型標準層選取少，且需考慮底部豎向荷載較大區域剪力墻軸壓比不超限，一定程度上導致結構整體設計剛度偏大，影響計算結果的合理性與經濟性。

3.2 施工圖生成

在GS-Revit中選擇施工圖的出圖習慣，軟件可自動生成構件模板圖與結構施工圖。根據GB 50011—2010《建筑結構抗震設計規范》中6.4.5條，剪力墻設置構造邊緣構件的最大軸壓比為0.3，而底層墻肢軸壓比為0.27～0.48，因此多數墻肢須在底部加強區及相鄰上一層設置約束邊緣構件。GS-Revit自動根據GSSAP的軸壓比結果設置邊緣構件，施工圖中約束邊緣構件以編號以YBZ表示，構造邊緣構件以GBZ表示，便于PC構件深化設計等二次利用，但結構BIM模型中未能根據配筋結果顯示三維鋼筋。

3.3 材料用量統計

結構模型各構件屬性中的混凝土強度等級自動關聯各層信息中的混凝土強度設置同2.2，利于快速統計混凝土用量。若結構模型各層信息中的混凝土強度等級修改，則該屬性無法自動關聯到已布置的結構構件中，混凝土用量統計明細表也無法自動更新，須利用更新的結構重新統計。

4 PC構件設計

4.1 PC構件拆分

隱藏結構模型的待拆分構件，通過載入GS-Revit軟件PC構件族，快速設置待放置的PC構件配筋，并布置到結構BIM三維模型中，完成構件的拆分。但在PC族構件放置時，GS-Revit軟件無法自動識別結構BIM模型板、梁、墻等構件邊界，導致PC構件平面各方向尺寸均需手動拉伸調整以匹配結構BIM模型，一定程度上影響拆分效率。

4.2 PC構件深化設計

PC構件深化設計與構件拆分模型聯動，PC構件深化設計三維模型、模板圖、配筋圖、配筋表、鋼筋桁架剖面圖、立面圖等可根據結構BIM模型中PC構件配筋、尺寸等一鍵生成并實時更新，優化出圖效果，提升出圖效率。其中，桁架鋼筋疊合板模板圖與斷面聯動出圖，如圖5所示。

圖5 桁架鋼筋疊合板模板圖與斷面

5 結 論

采用GS-Revit的BIM正向設計在裝配式高層剪力墻結構中的軟件實現效果好，具有一定的優勢。BIM正向設計結構建模、結構分析軟件實現方法與常用的結構設計軟件PKPM、YJK類同，比Revit的結構建模效率高。結構模型調整時，無須再次將結構計算模型導為結構BIM模型，可直接在Revit中進行更改，將更改后的BIM模型導出計算即可。PC構件深化設計模板圖、配筋圖、配筋表、鋼筋桁架剖面圖等可一鍵生成，出圖效果好，且與構件拆分模型聯動，提升出圖效率，節省人力成本。結構BIM模型、結構施工圖、PC構件深化設計圖均在Revit中完成，便于成果的二次利用，有助于推進裝配式建筑的智能建造，便于項目EPC管理。但還存在一定局限，如結構BIM模型標準層數多時，會較大程度影響BIM模型導出時間，而標準層數少則影響高層剪力墻結構設計結果的合理性；結構建模出現梁與剪力墻重疊的情況時，軟件無法自動識別斷開；BIM結構模型導出計算時，梁上均布線荷載轉為均布線荷載，具有一定程度上的數據丟失。