基于BIM 技术的房屋建筑结构抗震性能优化研究

引言

在建筑行业数字化转型的大背景下，BIM 技术凭借其可视化、参数化和协同化等特性，为房屋建筑结构抗震设计带来了新的变革契机。地震灾害对房屋建筑的安全构成严重威胁，抗震设计作为保障房屋建筑在地震中安全的关键环节，其质量与效率至关重要。

一、BIM 技术在房屋建筑结构抗震设计中的应用现状

1.1 BIM 模型在抗震设计中的构建与应用

BIM 模型在房屋建筑结构抗震设计中的构建已逐步普及，其核心在于通过三维可视化方式呈现建筑结构的整体形态与细节构造。在模型构建过程中，设计人员会将梁、板、柱等构件的尺寸、材料类型、连接方式等基础信息纳入其中，形成一个包含结构基本属性的数字模型。这种模型能够直观展示结构的空间布局，帮助设计人员在抗震设计初期发现构件布置中的不合理之处，比如梁与柱的连接角度是否易导致应力集中。

1.2 BIM 技术在抗震性能分析中的应用

BIM 技术在抗震性能分析方面应用主要包含数据集成和模拟演示两方面。利用 BIM 技术，设计人员能够通过将结构的材料参数、荷载等相关数据集成到模型，为抗震性能分析提供模型数据支撑，在一些简单的抗震模拟过程中，模型能够形象地将结构的位移趋势表现出来，例如对某一楼层来说，该楼板在水平地震力作用下的偏移方向和偏移大小等，用于设计人员对结构抗震薄弱点进行初步把握。

二、传统房屋建筑结构抗震设计存在的问题

2.1 抗震分析精度与效率不足

传统的住宅设计结构在结构建模分析中，没有完全体现出分析精度的问题。通过传统的二维建模分析，不能很好地展现出整个结构复杂的空间受力情况，特别是在一些异型结构、多跨连续梁等建模中，分析的结果与实际的受力情况有一定的误差。在分析效率上也很难完成新型结构抗震设计的分析要求。当考虑地震作用不同的工况时，就需要不断地重复建立模型，并输入参数，过程费时较长。

2.2 信息传递与协同设计不畅

传统的抗震设计主要是借助纸质图纸及文档资料，信息割裂与信息丢失现象时常发生。抗震设计中用到的各种结构参数、各种荷载信息、分析结果等，都分散存储在不同的文件夹、文档中，当遇到要对历史数据进行优化的时候无法快速方便地查看相关信息。在协同设计模式下，传统的各专业间的沟通都是通过会议或图纸会审方式进行，很难做到及时了解其他专业部门最新的想法，传递的信息出现理解偏差等问题。

2.3 设计方案优化滞后与验证不足

传统的抗震设防设计方案大多依赖设计人员的主观经验判断，不够系统和科学。设计人员通常凭借以往的经验对构件尺寸或配筋进行调整，难以在总体上平衡结构抗震性能和经济性能，在某些情况下可能是过设计或欠设计。传统的抗震设防设计方案的检验范围比较狭窄，仅限于设计阶段的计算分析，缺乏对施工、运维阶段的跟踪验证。施工阶段由于实际使用的材料性能、构件安装精准度等与预期可能产生一定的差距，但其却难以反馈到设计中去，重新对工程进行抗震能力的验算。运维阶段也无法针对结构的实际使用状态与老损程度对其进行抗震能力的实时检验并修正，无法保证建筑全寿命的抗震安全。

三、基于 BIM 技术的房屋建筑结构抗震性能优化策略

3.1 全参数化 BIM 模型构建与信息整合

构建全参数化的 BIM 模型是抗震设计精度提升的根本所在。模型构建过程中除了构件基本的尺寸与材料信息，还需要将抗震设计所关联的相关参数予以纳入，包括节点的构造方式、钢筋构造方式、材料的力学性能参数等。通过模型中标准化抗震构件族库，保证模型中每一种构件的参数设置符合抗震设计规范要求，提高模型的准确性与一致性。信息整合方面，通过 BIM 平台整合地质勘察信息、地震区划数据、荷载信息等与结构模型关联，比如将建筑场地的土壤类别、地震加速度等参数同基础构件进行关联，使抗震分析能够结合具体的场地条件进行，增强分析的针对性。

3.2 基于 BIM 的多软件协同抗震分析

依托 BIM 协同开展多软件下的抗震分析可以改变基于单个软件的分析局限。开发 BIM 模型与专业抗震分析软件间的连接接口，直接实现模型数据的传递与分析。结构建模工作由设计人员在 BIM 模型内完成，只需直接将模型数据传递至抗震分析软件，进行进一步的抗震性能分析，如结构不同地震波下的动力响应、弹塑性变形等；协同进行抗震分析支持多工况下抗震性能对比分析，设计人员在 BIM 平台上，设置不同地震作用工况的参数、荷载组合方式等，通过抗震分析软件生成相关工况下分析结果，展示在 BIM 模型上进行分析。对比结构不同工况下的位移、应力分布等情况，直观分析结构薄弱环节所在，进一步推进设计方案的优化。

3.3 基于 BIM 的抗震设计方案动态优化

通过 BIM 参数化特性，实现根据抗震分析结果的动态优化方案。设计人员依据抗震分析结果决定需要调整的抗震设计构件参数，例如梁截面高度、柱的配筋率等，直接修改 BIM 模型中涉及此构件的参数值，形成新的设计方案。通过使用 BIM 平台进行自动生成计算，快速模拟新方案的抗震效果，例如结构整体的刚度变化、薄弱部位优化情况等等。在抗震设计参数的优化过程中结合抗震设计目标，做出多方案的比对，例如在保证结构的抗震性能需求下，对比不同构件尺寸设计方案的材料用量，选取成本费用更低的方案。从而在设计过程中应用该动态优化机制，避免传统的设计过程中大量依靠经验的方法反复试算工作，加快了设计方案的优化效率与科学性。

3.4 BIM 技术在抗震设计协同与管理中的应用

借助 BIM 技术高效地实现抗震设计协同与管理。多专业的协同设计过程使结构设计者、建筑设计者、机电设计人员基于同一 BIM 模型开展设计工作，实时查看与修改各个专业所涉及的设计内容，并通过模型的碰撞检测功能，发现各专业之间对抗震设计的影响和冲突，如机电管线穿越抗震墙的位置是否影响了墙体的抗震性能。各个专业在此 BIM 模型上可以共同协商抗震设计的调整方案，以确保抗震设计的协调与一致性。采用 BIM 平台对各个设计过程进行追踪与管控。对 BIM 设计过程所记录的抗震设计关键性节点、分析结果、方案变更等信息进行记录和跟踪，形成完整的设计档案资料，提供设计人员查阅和追踪；利用模型的可视化特点将抗震设计方案的优势与特点表达出来向业主、审图单位等清晰直观的展示抗震设计的过程、特点及优势，提高沟通效率，保障抗震设计要求得到各方的认可。

结语

BIM 技术在房屋建筑结构抗震设计中的应用，为解决传统设计模式的弊端提供了有效途径。通过全参数化模型构建、多软件协同分析、动态方案优化以及协同管理等策略，能够提升抗震设计的精度与效率，增强设计方案的科学性和经济性。尽管目前 BIM 技术在抗震设计中的应用仍有提升空间，但随着技术的不断发展和完善，其在房屋建筑结构抗震性能优化中的作用将更加凸显。

参考文献

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