基于Revit的减震、隔震结构耗能装置族构建

齐 杰 张 磊 乌 兰

(1.深圳市华阳国际工程设计股份有限公司，深圳 518048；2.深圳市华阳国际城市科技有限公司，深圳 518048； 3.南京市建筑设计研究院有限公司，南京 210014)

引言

隔震技术开始于新西兰，大范围运用在日本、美国。2008年汶川地震后，我国推行了隔震技术。2010年上海世博会，减震技术映入国人视野。

2021年5月12日，国务院常务会议通过《建设工程抗震管理条例》。 鼓励采用减隔震技术提高结构抗震性能； 鼓励装配式建筑运用减隔震技术技术； 明确处于高烈度区、地震灾后重建区、地震重点监防区的公共建筑应选取减震隔震技术，发生设防地震时确保建筑正常使用。同日，住建部批准发布《建筑隔震设计标准》(GB/T51408-2021)； 明确隔震建筑“中震不坏、大震可修、巨震不倒”的基本设防目标，要求结构进行中震设计[1]。无论国家层面还是行业层面，减隔震技术应用被越来越重视，未来减隔震技术会越来越多地应用到建筑中。

建筑信息模型直观营建出设计理念，工程项目在全生命周期各个阶段将集成在一个模型； 工程各参与方通过“平台”辅助设计推敲和沟通设计意图； 各专业/团队联动协作，减少错漏碰缺，提质增效，降低成本造价[2-4]。随着新信息通信技术ICT(5G、云计算、物联网、区块链、大数据及AI等)的蓬勃发展，全球数字经济高速增长占据国民经济核心。建筑业作为中国国民经济支柱产业急需数字化转型，BIM技术则是转型升级的主要技术途径。

BIM技术能够解决传统二维设计的多种问题，已得到行业的广泛使用和验证认可。已广泛应用于北京行政副中心办公区、上海吴淞口国际邮轮码头、亚洲基础设施投资银行总部、上海佘山世茂洲际酒店、深圳莲塘口岸、广州珠江城大厦、广州地铁彩虹桥站、重庆江北国际机场T3A航站楼、珠海歌剧院等众多项目[3]。

1 BIM技术与结构振动控制技术

1.1 BIM技术

BIM引入使得建筑设计从二维平面转换至三维甚至多维空间，设计阶段设计师搭建BIM模型，对空间身临其境的感受帮助设计师更好地对设计进行调整； 工程师的语言和工作对象从平立剖面图纸将变为三维信息模型[3]。

基于BIM的设计可以实现一模多用(BIM+)，专业间、软件间通过数据传递，一个BIM模型就可以满足建筑、结构、机电、室内及造价等专业的不同需求[5-6]。建筑师计算面积、日照噪声分析、消防流线分析及建筑漫游； 结构师进行常规设计、有限元分析、数值风洞及超限分析等； 机电师进行管线排布、碰撞检查和净高分析等； 造价师进行含钢率计算和算量套价。

Revit的核心是参数化管理，模型图元几何形状和位置会根据周围元素进行调整。任一构件的参数变更联动相关构件的参数，“一处修改、处处更新”，与传统二维形成鲜明对比。Revit中族是构件的灵魂，就像是乐高玩具的部件，不同类别的族构筑了整个模型。族文件本身承载信息，其创建的质量对后续建模计算、统计管理有很大影响[7]。

1.2 结构振动控制技术

中国受地震、台风影响严重，地震和台风中建筑倒塌、损坏和晃动导致了人员伤亡、财产损失以及体感不适。人们不仅希望保证生命和财产安全，还希望确保居住舒适性； 抗震管理条例要求“生命线”建筑要保证关键时候快速恢复和运行，具备应急避难疏散功能。传统结构抗震设计理论与现今人类社会发展需求产生矛盾，结构振动控制技术的出现革新了结构设计理论。

图1 结构振控技术示意图

减隔震技术属于结构振控技术中的被动控振技术。隔震技术通过隔震支座滤波和变形消耗地震能量，降低上部结构地震和风振响应。减震技术通过附加于结构的消能装置的滞回变形消耗地震以及强风能量，减轻主体结构的震振响应。减隔震技术能够有效提高结构抗震和抗风的性能，结构安全冗余度和居住舒适性大幅提高，在不可预测的地震和强风中增加了结构行为的可预测性，在历次地震和强风中经受住考验[8-9]； 作为一种提升城市风险防控能力的技术途径，实现韧性城乡建设的要求[10]。

减隔震技术国内应用的项目有重庆来福士广场、海口美兰国际机场、中国国际丝路中心大厦、国家体育馆新建训练馆、陇南北山邮政职工住宅、北京海淀区玉渊潭地铁上盖、上海莘庄地铁站上盖等项目[11-15]。

2 减隔震结构耗能装置

减隔震结构相比常规的抗震结构略显不同，涉及新技术和新材料，空间关系相对复杂； 隔震结构穿越隔震层的固定设施和管道线路较多，无论设计还是施工需处理好构造措施，正确的隔震构造都是隔震效果的重要保证。应用BIM技术可以解决二维图纸的盲区，减少构造错误。

当前BIM技术在结构中多局限于设计后BIM，鲜有采用BIM技术进行正向设计，更少有在减隔震结构应用BIM技术的。减隔震结构建模与一般结构无异，关键和痛点在于目前Revit系统族以及第三方插件的族库并没有隔震支座和阻尼器等装置的族构件，构建耗能装置的族库就显得尤为关键。

本文采用Revit软件，参考工程实例创建减隔震耗能装置的族，使BIM技术在减隔震结构中的应用变得更易实现。由于BIM技术能方便统计结构信息，尝试通过明细表统计减隔震装置的型号及力学性能参数。

2.1 族文件构建

(1)族介绍

Revit包含系统、内建、可载入三种族，也可加载第三方基于Revit二次开发的插件使用其族库[6]。通常结构建模采用系统族即可搭建模型，由于减隔装置族的缺失，考虑创建可载入族来实现。

图2 Revit三类族及插件族

(2)族构件属性定义

由于公制常规模型属于独立样板，独立样板创建可不依赖于主体，放置位置灵活，故族样板采用的公制常规模型。族类别是常规模型，规程是结构； 通过族文件名命名不同的类型，通过族类型名称区分不同的型号。在族参数里规划相关参数和数据，为族参数化和信息化做铺垫[6]。

图3 Revit族构件创建流程

(3)族构件建模

族编辑器里考虑三维实体模型创建减隔震装置族，通过形状选项卡中的命令来创建几何形状。由于存在多种类型及型号的隔震支座和阻尼器，考虑参数化来实现支座和阻尼器的族多样性。

图4 Revit族编辑器选项卡

2.2 隔震支座

隔震结构中多采用天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆支座、叠层厚橡胶支座、三向隔震支座等装置，Revit创建的支座族如图5～图9所示。

(a)三维图 (b)剖面图图5 天然橡胶支座族

(a)三维图 (b)剖面图图6 铅芯橡胶支座族

(a)三维图 (b)立面图图7 摩擦摆支座族

(a)三维图 (b)剖面图图8 叠层厚橡胶支座族

(a)三维图 (b)立面图图9 三向隔震支座族

摩擦摆支座具有自复位和抗平扭能力，相比橡胶支座承载力、位移能力更有优势，在国外建筑业已经得到广泛应用，近几年在国内开始应用起来。

叠层厚橡胶支座不仅可以水平隔震还能竖向减振，在地铁上盖项目(TOD)层间隔震中采用较多。

2.3 阻尼器

减震结构中多采用连梁阻尼器、剪切阻尼器、屈曲约束支撑、粘滞阻尼墙、粘滞流体阻尼器和调谐质量阻尼器等装置，Revit创建的阻尼器族如图10～18所示。

(a)三维图 (b)立面图图10 连梁阻尼器族

(a)三维图 (b)立面图图11 剪切阻尼器族

(a)三维图 (b)三维图图12 屈曲约束支撑族

(a)三维图 (b)立面图图13 粘滞阻尼墙族

(a)三维图 (b)立面图图14 粘滞阻尼器族

粘滞阻尼伸臂是将粘滞阻尼器布置于伸臂桁架与外框柱连接处，使二者断开，以某超高层采用的阻尼器为例创建的族构件如图13～15所示。

(a)三维图 (b)立面图图15 伸臂阻尼桁架族

调谐质量阻尼器用来抵御强风减小塔顶晃动，减小竖向振动提高舒适度。超高层因结构布置等因素采用的调谐质量阻尼器都不太一样，需定制构件族，以某超高层采用的TMD为例创建的族构件如图16～18所示。

(a)三维图 (b)立面图图16 上海某超高层调谐质量阻尼器族

(a)三维图 (b)立面图图17 深圳某超高层调谐质量阻尼器族

(a)三维图 (b)立面图图18 台湾某超高层调谐质量阻尼器族

图19 隔震支座明细表

图20 阻尼器明细表

2.4 明细表

BIM模型的数据信息在视图里还无法直观呈现，而Revit的明细表功能可以用图表来统计查看模型具体数据信息。Revit中明细表功能强大，不仅能统计查看数据还能修改数据，支持文档导出； BIM关联性使得明细表里参数修改可以同步变更至构件，通过明细表统计的隔震支座和阻尼器的力学参数如图19～20所示。

3 BIM模型案例应用

本节将构建好的减隔震耗能装置族载入到Revit模型里，通过三维直观了解减隔震结构，探索BIM技术在减隔震结构中的应用。

3.1 隔震支座族在BIM模型应用

摩擦摆隔震支座在高烈度区某幼儿园的应用如图21所示，天然和铅芯橡胶支座以及粘滞阻尼器在高烈度区某高层住宅的应用如图22所示。

(a)三维图

(a)三维图 (b)立面图

3.2 阻尼器族在BIM模型应用

屈曲约束支撑在某汽车站服务中心加固中的应用如图23所示，粘滞阻尼墙在某住院楼的应用如图24所示，伸臂阻尼桁架和连梁阻尼器在某超高层办公楼的应用如图25～26所示。

(a)三维图

(a)三维图

(a)三维图 (b)立面图图25 超高层办公楼结构三维模型

(a)设备层三维图

4 结语

(1)减隔震结构相对较为特别，在减隔震结构应用BIM技术，可以更好地解决空间关系； 建筑震害调查发现，减隔震结构一些错误的构造处理部位出现不同程度损伤，通过BIM技术可以减少细部构造错误；

(2)创建可参变的减隔震装置族，解决了Revit系统族以及第三方插件没有耗能装置族的问题； 创建族时规划的参数方便明细表统计结构布置得减隔震装置类型及力学性能；

(3)将构建好的减隔震装置族载入三维模型，可以更加直观地认识减隔震结构，方便专业间协同配合； 构建减隔震装置族库，使得减隔震结构的建模更加方便快捷，助力实现日后BIM技术在减隔震结构中的应用。