大跨度桁架结构优化设计BIM应用

大跨度桁架结构优化设计BIM应用

大跨度桁架结构的钢筋节点复杂、预应力张拉难度大，运用BIM 技术能解决建筑，公路、地铁、桥梁等工程施工中的技术问题，但是现阶段运用BIM 技术解决复杂预应力结构的实例较少，尤其是在大跨度预应力结构探索BIM 技术与数值模拟相结合的研究偏少见。

小编以渝黔铁路新线遵义东站项目为工程背景，为大家整理了这篇运用BIM技术对车站屋面桁架结构复杂节点进行深化设计的图文。通过模型设计、钢筋碰撞检查优化实现桁架结构高效、精准加工与安装；预应力钢筋张拉仿真模拟预测了各种张拉方案下构件力学性能，通过对比分析确定最佳张拉方案，以确保构件的安全，希望对类似工程有参考意义。

工程背景

1工程概况

注：粗虚线为预应力杆件

图1 屋面桁架预应力杆件布置图

2工程技术难点

（1）桁架节点联接样式多，节点处钢筋复杂，CAD 图纸可视化程度低，造成施工人员正确理解设计意图有难度；

（2）车站大量预应力构件和普通混凝土构件交错布置，节点处大量普通钢筋与预应力波纹管、梁柱钢筋在节点锚固之间有干扰，给施工带来了很大困难；

（3）施工中进行各桁架杆件预应力张拉时，不同的张拉顺序会引起桁架杆件中混凝土压应力、拉应力不同，有可能造成混凝土开裂。

BIM应用

1建模软件

2钢筋碰撞检查及优化

(a) 下弦节点配筋构造

(b) 节点4-12模型

图2 节点各构件配筋及模型图

(a) WKL 调整前断面

(b) WKL 与YXZ4-3、XZ4-3 碰撞

(c) WKL 调整后断面

图3 WKL 纵筋与腹杆纵筋碰撞检查

3施工过程仿真分析

预应力筋张拉施工是预应力混凝土结构施工的关键工序，本项目采用有限元分析软

件ABAQUS 对该项目桁架四的各种张拉方案进行仿真模拟，以确定最佳张拉方案，确保施工的安全可靠。

方案①：YKL—YXZ4-5—YXZ4-3—YXZ4-8—YXZ4-1；

方案②：YKL—YXZ4-5—YXZ4-3—YXZ4-1—YXZ4-8；

方案③：YKL—YXZ4-3—YXZ4-5—YXZ4-1—YXZ4-8；

方案④：YKL—YXZ4-3—YXZ4-5—YXZ4-8—YXZ4-1。

图4 最大主应力分布图（单位：MPa）

（1）张拉方案仿真模拟

在不同施工阶段，桁架四张拉方案①的应力分布见图4、图5，其中应力图中正值为拉，负值为压。从图4、图5 的应力图可以看出，在张拉端和锚固端应力过大，出现应力集中现象。这是由于建模时未考虑张拉和锚固端部的加固，按实际情况对锚具下混凝土的局部承压强度进行验算，锚头下间接钢筋的配置均满足端部锚固区的混凝土局部承压要求，此外，桁架其它部位的应力均满足最大主应力要小于 2.39MPa及最小主应力的绝对值要大于26.8MPa 的要求。

图5 最小主应力分布图（单位：MPa）

（2）张拉方案比较

除去张拉端和锚固端部的应力集中区域及柱子的应力情况，在不同工况下各构件承受的最大主应力的最大值和最小主应力绝对值的最大值见图6。由图6可知，方案③在最大主应力值（混凝土拉应力）和最小主应力值（混凝土压应力）的比较中优于其它方案。对竖向位移值进行比较分析，可发现四种方案在不同工况的竖向位移都很小，差异不大。综上所述桁架四张拉顺序选择方案③。

图6 各张拉方案在不同工况下混凝土应力与位移

应用BIM 技术有效地解决了遵义东站预应力屋面桁架结构施工的难题。通过模型设计、钢筋碰撞检查优化实现了桁架结构高效、精准加工与安装，预应力钢筋张拉仿真模拟预测了各种张拉方案下构件力学性能，以便于对比分析确定最佳张拉方案，确保构件的安全。基于BIM 与数值分析相结合，可较大程度地降低成本，提高施工效率，提高工程技术人员者对施工过程的可控能力，实现建筑项目施工的安全可靠性。