基于BIM的某城市展馆结构设计

2020-08-05刘佳毅

有色金属设计 2020年2期

龚琦，刘佳毅，肖湘，张勇

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明 650051)

0 引言

该项目位于云南省玉溪市。该展馆共有2个建筑单体，其使用功能为城市规划展示。总建筑面积为4 751.79 m2；地上1层(其中1个单体为2层)，建筑高度13.390 m，长62.2 m，宽15.3 m，其造型为2条首尾相连的鱼。结构类型为钢框架结构，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20 g，设计地震分组为第3组，场地类别为Ⅲ类，特征周期值0.45s，钢框架抗震等级为3级，抗震设防类别为标准设防类。

该展馆外观为抽象的建筑造型，没有几何构图规律，其幕墙及屋面均由多维空间曲面构成，主体结构采用钢框架结构。设计时，首先将鱼的“骨架”确定，主体框架以简单的折线最大程度拟合建筑外形。其次，通过调整檩托的高度及幕墙与主体的连接件长度，再从简单折线向复杂曲线过度，以实现“鱼”的外形，见图1～3。

图1 效果图

1 基础设计

根据勘察报告显示，场地存在饱和的粉土、粉砂层，摇震反应迅速，具有液化可能性，液化等级为中等。

图2 建筑平面图

图3 施工现场照片

为避免液化土对结构产生的不利影响，基础形式确定为桩基础。该工程采用桩身直径600 mm长螺旋钻孔灌注桩，有效桩长为16 m，穿越液化层以粉质粘土层作为持力层，设计使用单桩承载力特征值为700 kN，见图4。

图4 基础平面布置图

2 结构选型及布置

综合考虑建筑需求及地震烈度，确定结构类型为钢框架结构，见图5～6。

图5 结构布置图

结构单体典型柱跨为9.8 m×19.7 m、8.2 m×12.6 m。钢材牌号Q345B。主要构件截面尺寸详表1。

表1 构件截面尺寸

图6 结构模型

幕墙与主体间常用的连接方式为吊挂式和下座式，由于该项目幕墙高度较大，为避免钢梁承担较大的面外弯矩，该项目幕墙采用下座式。在基础层标高0.400 m位置设置了1道弧形钢筋混凝土圈梁，以做为幕墙的支座，上部与屋面钢梁侧面通过连接件连接，从而避免上部钢梁在平面外承担幕墙竖向荷载，同时这样的连接方式避免了幕墙构件的刚度对主体结构的不利影响，见图7～9。

图7 幕墙下部支座

图8 幕墙上部支座

图9 幕墙底座圈梁现场照片

3 上部结构设计

3.1 超限情况

该工程存在以下不规则项：考虑偶然偏心的扭转位移比为1.68。

该建筑为平面一般不规则，竖向规则的结构。

3.2 性能目标

该工程为单跨结构，确立性能目标为框架柱中震弹性。

4 结构多遇地震下的分析

4.1 反应谱计算

计算软件采用YJK(1.9.3)与SAP2000(19.0.0)2款软件进行对比。主要计算指标见表2～4。

表2 结构周期对比

表3 结构楼层剪力对比

表4 结构位移角汇总

由表2～4可知2种软件计算结果基本一致，计算模型可真实反映结构实际工作状况，计算结果合理有效。表明结构布置合理，无较大的扭转效应，各指标均满足相关规范要求。

4.2 弹性时程分析

工程选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线，结果取平均值。所选取加速度时程曲线满足规范要求且与反应谱拟合较好，详见图10。

图10 规范反应谱与各时程反应谱曲线对比

经计算，各加速度时程曲线小震下最大层间位移角平均值X方向为1/818，Y方向为1/812，均小于规范限值1/250。

5 BIM模型建立

该项目的BIM设计流程如下：建筑专业通过Rhino+Grasshopper建立建筑模型，并提取轴线到CAD。结构依据轴线建立Tekla模型。建立的结构模型通过IFC文件与建筑Rhino模型进行整合后提交幕墙公司进行设计深化。最后结构依据建筑及幕墙公司的意见反馈再次对结构模型修改并提交钢结构厂家进行深化放样，进行钢构件的加工。基于BIM的解决方案让所有与项目相关的人员都在数字化的同一平台上开展工作，不但设计效率得到提高，设计精度还得以保证，而且还能有效避免设计中的碰撞问题。空间模型形成后，主体结构构件的空间定位也就确定了，建筑师再将最外皮的控制面附入模型中，各类构件的控制尺寸就确定了。典型节点详图见图11。经深化后的模型见图12～13。