沙特吉达保障房项目结构分析与BIM应用_张海东.pdf

第 53 卷 第 13 期2023 年 7 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.13Jul.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20211621中建七局科技研发计划资助(CSCEC7b-2020-z-7)。第第一一作作者者:张海东,硕士,教授级高级工程师,一级注册结构工程师,主要从事装配式建筑、减隔震建筑、超高层建筑等结构的设计研究工作,Email:zhdong-2008 。沙特吉达保障房项目结构分析与 BIM 应用张海东1,2,胡克楠1,王振伟1,尚晓海1,王 朔1,王瑞强1,周小愉1(1 中建中原建筑设计院有限公司,郑州 450004;2 中国建筑第七工程局有限公司,郑州 450004)摘要:沙特吉达保障房项目采用装配整体式剪力墙结构,按照美国规范及沙特规范对本项目进行结构计算和结构设计。运用 ETABS 软件对结构进行建模分析,并对比了美国规范与中国规范要求的差异。按美国规范对装配式建筑的要求进行了结构拆分、构件设计。采用 BIM 技术进行深化设计和碰撞检查。预制墙体的水平连接采用钢丝绳套灌浆连接,竖向连接采用波纹管浆锚连接。本项目虽然装配率高于 75%,但安装方便、施工周期短、成本与现浇基本持平,值得借鉴推广。关键词:剪力墙结构;装配式建筑;钢丝绳套灌浆连接;波纹管浆锚连接;中美规范对比中图分类号:TU318 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)13-0129-06引用本文 张海东,胡克楠,王振伟,等.沙特吉达保障房项目结构分析与 BIM 应用J.建筑结构,2023,53(13):129-134.ZHANG Haidong,HU Kenan,WANG Zhenwei,et al.Structural analysis and BIM application of affordable housing project in Jeddah,Saudi ArabiaJ.Building Structure,2023,53(13):129-134.Structural analysis and BIM application of affordable housing project in Jeddah,Saudi Arabia ZHANG Haidong1,2,HU Kenan1,WANG Zhenwei1,SHANG Xiaohai1,WANG Shuo1,WANG Ruiqiang1,ZHOU Xiaoyu1(1 CSCEC Zhongyuan Architectural Design Institute Co.,Ltd.,Zhengzhou 450004,China;2 China Construction Seventh Engineering Division Corp.Ltd.,Zhengzhou 450004,China)Abstract:The affordable housing project in Jeddah,Saudi Arabia adopts a monolithic precast shear wall structure,and was calculated designed according to American code and Saudi code.ETABS software was used to model and analyse the structure,and the differences between Chinese code and American code requirements was compared.According to prefabricated building requirements of the American code,the structure was divided and the component was designed.BIM technology was used for further design and collision inspection.The precast wall is connected horizontally with steel wire rope sleeve grouting connection and vertically with bellows grouting anchor connection.Although the prefabrication ratio of this project is higher than 75%,but the installation is convenient,the construction cycle is short,and the cost is basically the same as cast-in-place,which is worth learning and promoting.Keywords:shear wall structure;prefabricated building;steel wire rope sleeve grouting connection;bellows grouting anchor connection;comparison of Chinese and American code0引言 随着”一带一路”倡议的深入推进,国内建筑设计企业承担的国外项目逐步增多。承接海外项目不仅要掌握国外的规范、标准,满足当地要求,还要积极创新。文献1-2 对中美抗震规范和混凝土结构设计规范进行了对比和分析,但目前国内对于按美国规范设计的装配式剪力墙结构体系的研究相对较少。本文结合沙特吉达保障房项目,对国内、外装配式剪力墙结构设计、构造进行对比分析,提出该类结构设计方法,可为类似项目的设计提供依据。1项目概况 项目为沙特吉达保障房(图 1),建筑面积共计 45 万 m2,共有 A、B、BC、D 四个户型。该工程为 EPC 组织模式,建筑方案已定,总包单位根据业主的需求要求采用美国规范及沙特规范进行施工图设计。本文以 D 户型为例进行分析,该户型标准层的结构平面布置见图 2。结构平面呈矩形,长 42.3m、宽 17.96m;地上 8 层,层高 3.3m,室内外高差 0.75m,结构高度为 27.15m,单体建筑面积 5 120m2。结构形式为装配整体式剪力墙结构。建 筑 结 构2023 年根据建筑方案和相关要求,本项目竖向和水平构件都采用预制构件,内隔墙采用空心蒸压加气混凝土条板。图 1 沙特吉达保障房项目鸟瞰图图 2 标准层结构平面布置图2结构设计参数 本工程采用装配整体式剪力墙结构,依据美国荷载规范 ASCE/SEI 7-103,本工程的建筑安全等级(risk category of buildings)为级,地震作用重要性系 数 Ie(importance factors by risk category of buildings)为 1.0。按普通预制剪力墙结构体系确定本工程抗震体系的设计参数,如表 1 所示。表 1 抗震体系的设计参数响应修正系数 R变形放大系数 Cd超强系数 0冗余度系数 332.51.0依据地勘资料、美国荷载规范 ASCE/SEI 7-10,本工程的场地类别为 D 类,抗震设计反应谱曲线计算参数如表 2 所示,其中:SS为 0.2s 周期最大地震反应谱加速度,S1为 1s 周期最大地震反应谱加速度;Fa、Fv为分别对应于 SS、S1的场地影响系数;SDS为短 0.2s 周期抗震设计反应谱加速度,SD1为 1s 周期抗震设计反应谱加速度。依据美国荷载规范ASCE/SEI 7-10中第11.6表 2 抗震设计反应谱曲线计算参数最大地震反应谱加速度/g场地影响系数抗震设计反应谱加速度/gSSS1FaFvSDSSD10.3000.1091.562.360.3120.173节,本工程的抗震设计类别(seismic design category)为 B 类,结构延性等级可以按普通类进行设计。依据沙特荷载规范 SBC 3014,本工程风荷载设计参数如表 3 所示。表 3 风荷载设计参数暴露类别地形系数 Kzt阵风系数风向系数海拔系数体型系数迎风面 背风面基本风速/(km/h)C 类1.00.850.851.00.8-0.3152依据美国混凝土结构设计规范 ACI 318-145,混凝土采用圆柱体抗压强度标准值 4 000psi(1psi=0.006 89MPa),换算后抗压强度设计值 f c=30MPa;依据美国规范 ASTM A615/A615M-166,钢筋采用60 级,钢筋抗拉强度设计值 fy=420MPa。3结构计算 按沙特当地要求,采用 ETABS 软件建立结构设计三维模型,并对其进行整体分析。美国荷载规范 ASCE/SEI 7-10 风荷载作用下的计算结果见表 4。本结构水平荷载以地震作用控制为主,故本文对风荷载计算结果不做过多阐述。表 4 风荷载作用计算结果最大层间位移角基底剪力/kNX 向Y 向X 向Y 向1/142 8571/15 385542.91 880.7我国抗震采用“三阶段、两水准”设计方法。美国规范要求按照设防烈度地震(简称中震)进行抗震计算和设计,地震作用下层间位移角采用放大系数进行修正。美国规范的计算结果见表 5。为验证中、美规范存在的差异,本项目按中、美规范进行了抗震计算对比。按照罗开海等7提出的中、美抗震规范中场地类别对应的地震动参数换算方法,可以得到沙特吉达场地条件对应建筑抗震设计规范(GB 500102010)(2016 年版)8(简称 GB 500102010)地震作用计算参数为:抗震设防烈度 7 度(0.1g),设计地震分组第三组,场地类别类,特征周期 Tg=0.45s,最大地震影响系数max=0.08,周期折减系数取 0.9。结构模型按照美国规范用 ETABS 软件进行中震计算,同时按照中国规范用 SATWE 软件进行小震计算,结果见表 5。由表 5 可以看出,两种方法的计算结果均满足相应规范要求,其中周期和最大层间位移比相近。本项目为了装配方便,外墙全部采用预制剪力墙,因此结构整体刚度大,最大层间位移角远小于规范限值。两种方法计算的最大层间位移角相差很大,主要原因是美国规范按中震计算,美国规范相对中031第 53 卷 第 13 期张海东,等.沙特吉达保障房项目结构分析与 BIM 应用国规范对层间位移角要求更容易满足,这与肖从真等9研究结果类似。按照美国规范中震计算所得底部剪力值比中国规范小震计算结果大 1.85 倍左右,相当于中国规范中震的 66%左右。可见按美国规范要求进行抗震设计的结构安全冗余度大于中国规范,但是小于中国规范对建筑进行抗震性能化设计时采用中震分析的结果。表 5 中、美规范抗震计算结果对比指标ASCE/SEI 7-10GB 500102010比值周期/sT1(X 向平动)0.1720.1760.98T2(Y 向平动)0.3050.3100.98T3(扭转)0.2170.2171.00最大层间位移角X 向1/3 333(限值1/50)1/25 000(限值1/1 000)7.5Y 向1/1 250(限值1/50)1/3 846(限值1/1 000)9.23最大层间位移比X 向1.201.0651.13Y 向1.391.1711.19等效侧力法底部剪力/kNX 向6 671.23 584.51.86Y 向6 671.23 584.51.86振型分解反应谱法底部剪力/kNX 向5 992.33 4921.71Y 向5 941.23 2071.854装配式结构专项设计 基于美国规范要求的装配式建筑具有加工效率高、施工速度快、内部空间大等特点,设计遵循的一般原则10包括:1)通过节点连接实现结构的连续性和整体性;2)组件的尺寸和形状应考虑生产、运输和安装技术;3)材料性能应满足各种工况下内力要求;4)构件应标准化,部品应模块化;5)应考虑构件徐变收缩和温度变化的影响。此原则与装配式混凝土结构技术规程(JGJ 12014)11在可靠连接、等同现浇、标准化等方面要求基本一致。本工程要求外围护墙与保温装饰一体化。因承重夹心保温外墙和夹心保温隔墙造价相同,为便于施工,外围全部按承重墙布置。根据接缝位置隐蔽的要求,将剪力墙接缝位置选择在拐角及纵、横墙交接位置,并对预制构件接缝处的连接进行专项设计,保证结构的整体性。4.1 竖向构件 外墙采用 240mm 厚的预制夹心保温剪力墙,其中内叶墙厚度根据计算取 150mm,中间为 40mm 厚的保温层,外叶墙厚 50mm,详见图 3。内墙采用150mm 厚的预制实心剪力墙。4.2 水平构件 本工程楼板采用适用于大跨度的预制预应力空心楼板(SPD 板)。板顶面为凹凸不小于 4mm 的粗糙面,铺设钢筋网片并浇筑 50mm 厚混凝土叠合图 3 预制外墙大样图层,形成共同受力整体12。SPD 板根据建筑平面灵活布置,在叠合层进行设备管线安装,免除了楼面模板,缩短了施工工期,节约了工程造价。4.3 预制墙体连接 本工程采用钢丝绳套灌浆进行预制墙板间竖向接缝的连接,如图 4 所示。具体做法如下:预制墙板安装定位并稳固临时支撑后,将一根竖直钢筋插到接缝处两侧墙体伸出的钢丝绳环搭接区段内,同时确保钢丝绳环处于水平位置;在接缝处支模并在接缝内浇筑混凝土,完成预制墙水平接缝处的施工。相比于国内后浇暗柱连接的做法,钢丝绳套灌浆连接的做法简单易行,不会有钢筋碰撞现象,施工速度快。图 4 预制墙的水平钢丝绳套灌浆连接钢丝绳套数量根据计算确定。从 ETABS 模型中读取结构墙体内力,根据钢丝绳套型号及承载力验算公式(式(1)确定单片墙需要的钢丝绳套数量。NunNt+V顺unV顺+V垂unV垂 1(1)式中:Nu为接缝处剪力墙平面内水平拉力设计值;V顺u为接缝处剪力墙平面内顺墙高剪力设计值;V垂u为接缝处垂直剪力墙平面的剪力设计值;Nt为单副钢丝绳套抗拉承载力;V顺为单副钢丝绳套顺墙高抗剪承载力;V垂为单副钢丝绳套垂直剪力墙平面的抗131建 筑 结 构2023 年剪承载力;n 为钢丝绳套的副数,每副由一对钢丝绳套组成。为满足强节点要求,要求每片墙体接缝处所有钢丝绳套提供的承载力不小于此处墙体水平钢筋的总承载力。以 s9 强度为 1 770MPa 钢丝绳为例计算,其单幅钢丝绳套在 C30 混凝土时的承载力见表 6。表 6 单副钢丝绳套承载力混凝土强度/MPaNt/kNV顺/kNV垂/kN3034.543.34.0从图 5 可知,接缝处剪力墙平面内水平拉力设计值 Nu约为 105.4kN,接缝处剪力墙平面内顺墙高剪力设计值 V顺u约为 48.5kN,接缝处垂直剪力墙平面的剪力设计值 V垂u约为 0.31kN,该层高内按 7副钢丝绳套计算,将相关参数代入式(1)进行承载力验算:105.47 34.5+48.57 43.3+0.317 4.0=0.61 1(2)由上述计算结果可知,7 副钢丝绳套承载力满足要求。图 5 剪力墙内力云图及接缝处合力图/kN预制墙板间水平接缝采用波纹管浆锚连接,如图 6 所示。该连接节点构造设计借鉴了美国预制及预应力混凝土设计手册10中典型连接节点,具体做法如下:在预制墙中预埋金属波纹管,下层墙钢筋插入波纹管,然后浇筑灌浆混凝土,波纹管对混凝土提供约束力,从而提高混凝土对钢筋的锚固能力。相比于国内常用的竖向钢筋灌浆套筒连接,这种连接更加方便快捷、施工快、质量好、便于检测。相对于一般浆锚连接,波纹管的约束作用可以减小插入钢筋的锚固长度。图 6 预制墙竖向连接构造按照美国预制及预应力混凝土设计手册10要求,采用金属波纹管浆锚连接时,浆锚端长度为 20倍的钢筋直径;我国装配式混凝土建筑技术标准(GB/T 12312016)13要求,连接钢筋受拉承载力不应小于上、下层被连接钢筋受拉承载较大值的 1.1倍,浆锚孔道内的长度不应小于 1.2laE+bw/214,其中laE为受拉钢筋抗震锚固长度,bw为墙体厚度。但中国规范没有给出采用金属波纹管浆锚连接的相关技术参数,类似的工程项目可参考美国规范要求进行。建议国内对金属波纹管的浆锚连接开展更多的研究,以便工程技术参考。竖向钢筋连接数量按墙体竖向钢筋等强度原则确定,在 ETABS 模型中读取竖向钢筋配筋值,见图 7,根据其可直接确定连接钢筋的规格。图 7 剪力墙竖向配筋值/mm24.4 装配率计算 由于美国规范及沙特规范均无装配率计算的相关规定,按照中国规范装配式建筑评价标准(GB/T 511292017)14中所提供的方法进行计算,装配式建筑评分见表 7、预制体积见表 8。由表 7 可知,本项目的装配率为:P=Q1+Q2+Q3100-Q4 100%=50+15+12100=77%(3)231第 53 卷 第 13 期张海东,等.沙特吉达保障房项目结构分析与 BIM 应用表 7 装配式建筑评分评价项评价要求分值 应用比例 得分主体结构Q1(50分)柱、支撑、承重墙、延性墙板等竖向构件35%比例80%2030100%30梁、板、楼梯、阳台、空调板等构件70%比例80%1020100%20围护墙和内隔墙Q2(20分)非承重围护墙非砌筑比例80%5100%5围护墙与保温、隔热、装饰一体化50%比例80%25100%5内隔墙非砌筑比例50%5100%5装修和设备管线Q3(30分)全装修66管线分离50%比例70%46100%6 注:“比例”为所计算项目在该评价项的应用比例。式中:P 为装配率;Q1为主体结构指标得分值;Q2为围护墙和内隔墙指标得分值;Q3为装修和设备管线指标得分值;Q4为评价项目中缺少的评价项分值总和,加分项不包括在内,本项目不缺少评价项,故 Q4为 0。表 8 主体结构预制体积和总体积计算结果体积剪力墙梁楼板合计预制体积/m31 446.4337.44904.322 388.19总体积/m31 514.8637.441 155.522 707.82由表 8 可 知,本 项 目 的 主 体 结 构 预 制 率为 2 388.19/2 707.82=88.20%。根据中国规范装配式建筑评价标准(GB/T 511292017)中5.0.2 条规定,本项目装配率77%,可评价为 AA 级装配式建筑;主体结构预制率88.20%,远大于国内北京、上海等地 40%的要求。5BIM 技术应用 本项目竖向构件和水平构件全部采用预制构件,设计的准确度及安装的碰撞问题尤为突出,为保证设计准确、安装顺利,本项目在设计阶段便运用了 BIM 技术,优化构件设计和指导施工,BIM 模型如图 8 所示。图 8 BIM 模型5.1 装配式拆分方案分析 本项目预制构件种类多,各种竖向和水平构件之间的关系复杂,拆分方案要适合工厂生产和现场施工要求,也要通过监理公司的审核。通过 Revit将三维模型建立出来,可直观观察各种连接方式和节点组合的优劣,选取最佳的装配式拆分方案,如图 9 所示。本方案考虑到了构件的标准化生产、现场吊装与施工的便捷以及使用功能要求等因素,可将整个生产施工工期最大化缩短,并且尽可能降低项目成本。图 9 BIM 模型进行拼装检查5.2 施工模拟 本工程户内为复式建筑,套内楼梯安装及连接复杂。通过将 Revit 建立的三维模型进行拼装,及时发现构件之间的碰撞问题,避免了预制构件之间的碰撞、返工现象,并将拼装后模型导入 Navisworks中进行模拟施工,分析施工和吊装顺序,对构件的编号进行修改,修改之后的施工方案避免了现场拼装时会遇到的碰撞、返工等问题,方便现场更加高效的安排施工,构件吊装顺序模拟排列见图 10。图 10 构件吊装顺序模拟排列5.3 绘制预制构件图 由于本项目基于美国规范设计,竖向连接节点采用波纹管浆锚连接,水平连接节点采用钢丝绳连接环连接,并且预制梁和预制围护墙等构件的连接方式也与国内不一致,导致预制构件图的表示方法非常复杂,在项目初期的构件图绘制工作遇到了极大的困难。基于此情况,本项目采用 BIM 正向设计,图 11 为构件三维模型。在模型中进行拼装试验,发现问题及时解决,将一切问题在 BIM 模型中解决,最后采用 BIM 模型生成构件图(图 12)进行施工与存档。BIM 技术的可视化、协调性、模拟性解331建 筑 结 构2023 年决了构件安装不宜控制、碰撞等难题。现场采用BIM 模型进行施工技术交底,大幅提高了工效、准确度和质量水平。图 11 构件三维模型图图 12 墙体构件详图6结语 基于美国规范设计的多层装配式混凝土建筑装配式率高,预制构件加工方便、连接简单,整体结构施工快捷,具有较高的推广应用价值。通过对本项目的结构分析和 BIM 技术应用,主要结论如下:(1)美国荷载规范 ASCE/SEI 7-10 抗震计算方法与中国抗震规范 GB 500112010 不同,要求进行中震作用下的计算和分析,大震影响需要根据中震结果进行概念设计。(2)本工程预制剪力墙采用钢丝绳套灌浆水平连接、金属波纹管浆锚竖向连接,安全可靠,便于施工。(3)国外建筑楼板广泛采用 SPD 板,采用 SPD板可使建筑开间较大,有利于灵活分割建筑空间,施工无需模板及支撑,便于管线布置。(4)采用 BIM 技术进行正向设计,可以进行方案分析、施工模拟、碰撞检查,在项目的施工、管线综合布置、专业协同设计等方面起到重要作用。参考文献 1 李赫,罗超英,刘军,等.中美抗震规范的差异对比研究J.建筑结构,2011,41(9):123-126.2 叶子健.中美欧混凝土结构设计规范对比研究J.建筑结构,2020,50(S2):512-518.3 Minimum design loads for buildings and other structures:ASCE/SEI 7-10S.Reston:American Society of Civil Engineers,2010.4 Saudi building code requirements structural loading and forces:SBC 301 S.Riyadh:Saudi Building Code National Committee,2007.5 Building code requirements for structural concrete and commentary:ACI 318-14 S.Farmington Hill,MI:American Concrete Institute,2014.6 Standard specification for deformed and plain carbon-steel bars for concrete reinforcement:ASTM A615/A615M-16S.West Conshohocken:American Society for Testing and Materials,2016.7 罗开海,王亚勇.中美欧抗震设计规范地震动参数换算关系的研究J.建筑结构,2006,36(8):103-107.8 建筑抗震设计规范:GB 500112010S.2016 年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.9 肖从真,刘鹏,徐自国,等.钢筋混凝土框架核心筒高层建筑结构中美规范设计对比J.建筑结构学报,2019,40(2):70-76.10 PCI design handbook:precast and prestressed concrete M.7th ed.Chicago:Precast/Prestressed Concrete Institute,2010.11 装配式混凝土结构技术规程:JGJ 12014S.北京:中国建筑工业出版社,2014.12 SP 预应力空心板:05SG408S.北京:中国建筑工业出版社,2005.13 装配式混凝土建筑技术标准:GB/T 512312016S.北京:中国建筑工业出版社,2017.14 装配式建筑评价标准:GB/T 511292017S.北京:中国建筑工业出版社,2018.431