摘要：从改革开放到现在，住房商品化已经走过了40年，装配式建筑设计施工开始在全国各地迅速发展。从模块化的角度分析装配式建筑受力特性，并对装配式建筑结构的整体受力情况进行有限元计算分析。同时利用BIM软件模拟出装配式建筑的三维模型，进行碰撞检查，为设计和施工服务。
关键词：装配式建筑；BIM；三维模型；碰撞检查
随着技术的发展和建筑行业转型的需要，我国在引进BIM（Building Information Modeling）技术十多年后，BIM开始在真正的进入建筑行业人员的视角。在建筑行业的转型过程，装配式建筑发展和BIM技术发展是同步进行的。BIM技术具有信息集成化、各个专业工作协同等技术特点，能够应用在装配式建筑的设计、施工以及管理等方面，大大提高的建筑行业的效率。本文结合实际工程案例，基于BIM软件对建筑结构设计相关问题进行分析。
1 工程实例
1.1 工程概况
某装配式住宅建筑为22层型钢混凝土框架-核心筒结构，标准层层高3.90m，总高99.90m，小区地上建筑总面积为80000 m2，地下建筑面积为24000m2。
1.2 设计方案原则
⑴ 合理的采用高强度，高耐久性建筑结构材料。
⑵ 选用合理的结构体系、构件形式和布置。
⑶ 结构的平、立面布置宜规则，各部分的质量和刚度宜均匀，连续。
⑷ 结构传力途径应简捷、明确，竖向构件宜连续贯通、对齐。
⑸ 宜采用超静定结构，重要构件和关键传力部位应增加冗余约束或多条传力途径。
⑹ 宜采用取减小偶然作用影响的措施。
1.3 基础设计
1.3.1 地质资料说明
根据地质资料报告，现将场地岩土层的组成及分布情况自上而下分述如下：
① 素填土：由建筑垃圾和粘土组成，厚度为2~6m。
② 粉质粘土：黄褐、灰褐色，软-可塑状，厚度为0~8m。
③ 细砂（Q4al）：灰褐、灰黄色，稍湿-饱和，松散状，厚度为0~10m。
④ 砾砂（Q3al）：浅黄、灰褐、灰白色，饱和，中密，厚度为0~5.7m。
⑤ 强风化泥质粉砂岩：紫红色为主，岩体结构大部分破坏，厚度为0.5~2.2m。
⑥ 中风化泥质粉砂岩：紫红色为主，岩体结构部分破坏，厚度为5.6~11.8m。
本场地地下水埋深为-3.9~-4.6m。各土层的极限侧阻力标准值qsik与极限端阻力标准值qpk，见表1。
表1桩基设计参数建议值表
1.3.2 桩基选型
本工程框架内力分析结果，各柱脚内力为12000~15000KN，基础采用钻（冲）孔灌注桩，以中风化泥质粉砂岩⑥作为桩端持力层，根据设计要求，桩端进入持力层4倍D（桩径）。其它拟建物采用长螺旋钻孔灌注桩或钻（冲）孔灌注桩，以中风化泥质粉砂岩⑥作为桩端持力层，桩端进入持力层不小于1.0倍D（桩径）。
1.3.3 确定桩基承载力特征值
本工程采用钻（冲）孔灌注嵌岩桩，入岩4D，根据JGJ94-2008中第5.3.9条估算桩基承载力特征值为6500KN，通过静载试验报告测定1000直径桩对应的承载力为7600KN。
1.3.4 桩基承台设计
本工程柱下均布置3~4根桩，承台厚度为1.80~2.20m，根据国家现行建筑结构设计规范、规程，并输入YJK软件参数，最终确定桩基承台尺寸，完成本工程桩基设计。
1.4 主体结构设计
1.4.1 主要受力构件说明
⑴ 框架柱：采用800~1200mm的柱截面，内筒采用300~400mm墙截面。
⑵ 混凝土梁：主梁采用叠合梁400x800mm（130现浇层厚）梁截面。
⑶ 材料：混凝土C35~C60，钢筋HRB500，H型钢1000x700x36x36。
⑷ 楼板：采用120mm现浇板和130的叠合板。
1.4.2 构件受力分析
⑴ 根据JGJ 93-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.2条规定，按式（1）对高层建筑进行风荷载验算：
式中μs为风荷载体型系数；H为室外地面高度到屋面，L为建筑长方向的长度。
⑵ 根据GB50011-2010第5.1.1条规定，尚应符合下列规定：
1）一般情况下，应至少在建筑结构两个方向分别计入水平地震作用，水平力均由侧立构件承担。
2）质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响。
本工程需要考虑双向地震并计入扭转的影响，现对本工程扭转位移采用软件YJK分析如下：（图1为工程案例中的模型示意图）
图1 模型示意图
通过YJK抗震计算的结果，得出在前3阶的振动过程结构基本保持整体框架完整。经分析整体的刚性程度得到了保证，满足相关规范要求。各振型振动周期、地震剪力汇总表如表2所示。从计算结果来看，结构受力性能基本达到相关国家标准，可以进行下一步拆分和装配式节点详图深化设计施工。
表2 各振型振动周期、地震剪力汇总表
2 基于BIM的装配式建筑结构设计及应用
传统的设计人员所设计的成果都是以结构施工图纸的形式表现出来，图纸是二维的，它呈现出来的内容容易让现场的施工人员产生误解，从而增加了施工过程的不确定性，降低施工效率。工程实例中，根据设计人员设计出来的施工图纸，利用BIM建模软件建立装配式建筑的模型，通过碰撞检查及时发现设计过程中的问题并进行调整，提高设计成果的有效性以及施工过程的效率，从而减少建筑建设的成本。
2.1 建筑结构三维模型的模拟
本项目采用Autodesk的REVIT软件进行模型的建立。根据建筑结构的施工图纸，以及装配式建筑的预制构件，建立预制构件库，为预制构件的设计和生产提供服务。在装配式建筑整体模型建立过程中，最重要的是构件的节点连接以及结构局部详图的优化，利用REVIT 中的 “族”的功能对构件进行处理，并通过后期碰撞检查的结果再进行优化，从而完成建筑结构三维模型的模拟。
2.2 碰撞检查
BIM模型的碰撞检查是在整体模型建立完成后进行的，也是BIM软件平台下的优势，这一步骤能够帮助设计人员找出所设计的施工图纸在施工过程中会发现的问题。BIM工作人员利用REVIT软件建立的模型，所提供的三维信息能够帮助建筑结构设计人员进一步对结构设计进行深化，从而完善建筑结构施工图，帮助施工单位更高效的完成施工任务。BIM工作人员在建立出三维建筑模型后，需要对模型进行碰撞检查（如图2），对出现相应问题的零部件和连接节点以及局部详图应该与建设单位以及设计单位进行沟通，找出相应的办法解决问题。
图2碰撞检查
2.3 施工进度模拟及施工管理
在REVIT软件中，模型的三维信息能够根据工程的需要，能够加入施工工期及施工阶段这个项目，模拟施工过程中的相关材料以及工期要求，从而对施工进度进行控制。根据装配式建筑施工的流程，BIM工作人员对所建立的模型进行了施工步骤的分析，加入工期和施工阶段，增加了施工控制的效果，对施工进度控制计划的制定提供参考。
BIM 软件所建立的模型提供的三维信息，能够有效的在施工的管理过程中，对施工质量和现场管理进行控制。建筑模型的三维信息能够给与施工过程的实际情况提供参考，同时也能够帮助现场施工人员更高效的理解施工流程，以及施工过程中的关键工序和重点施工项目，从而保证施工质量。本项目BIM工作人员根据完善的三维模型提供的信息，对现场施工人员进行技术交流，帮助技术人员解决问题，通过这样的交流后，会发现施工人员能更好的理解施工流程，管理人员也能够提高现场施工管理的效率。
3 基于BIM的装配式建筑结构设计展望
随着房地产行业的发展及装配式建筑的兴起，基于BIM软件下的装配式建筑结构设计越来越重要，装配式建筑技术的发展依托着BIM平台下三维信息化不断完善。通过BIM 软件进行建筑模型的模拟和碰撞检查以及对施工进度、施工管理的各个方面的作用，能够提高装配式建筑施工的质量以及施工效率。基于BIM软件的功能效应以及房地产发展的趋势，结合三维建筑模型软件进行装配式建筑结构设计是房地产行业发展重要形式之一。
目前BIM技术在我国还是属于萌芽阶段，不过发展的势头已经形成，国家也在主推BIM技术，建筑行业也已经重视这个一方面的信息技术了。虽然目前的BIM技术还不是太成熟，不过已经能够应用到实际工程中，并且解决相当部分的问题，所以通过行业内所有人员的努力相信BIM技术能够得到迅猛的发展，为建筑行业提供更好的服务。
4 结束语
随着房地产行业的发展，行业进入了一个瓶颈期，需要新的技术来引领行业走向新的道路方向，装配式建筑技术就是一项能够帮助房地产行业走出困境的道路，而BIM技术的信息集成化是装配式建筑设计的基本要求，通过BIM技术提高装配式建筑设计及施工的效率，降低房地产行业的成本。通过对某装配式建筑结构进行受力分析，采用REVIT软件建立三维模型，进行碰撞检查和施工进度控制以及施工管理，呈现出BIM技术在建筑设计中的作用效果。结合BIM技术的装配式建筑设计能够为房地产行业带来新的生命力。
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论文作者:黄武华
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2019/1/7
标签：建筑论文; 模型论文; 技术论文; 建筑结构论文; 桩基论文; 软件论文; 结构论文; 《基层建设》2018年第32期论文;