1 工程概况

　　 独角兽岛为全球首个以独角兽企业孵化和培育为主体的产业载体，位于四川省成都市天府新区科学城片区。独角兽岛启动区展厅项目位于独角兽岛北端，为一栋多层独角兽岛城市展厅建筑(图1),建筑造型突破常规，多重流线形曲面构建成了复杂的空间异形造型，立面和屋盖采用独特的空间自由曲面，在建筑物中部位置设置漏斗状采光中庭，在屋面设置点状星空透光玻璃，屋盖和漏斗网格中筒室内空间结构杆件外露，空间视觉要求高，结构就是建筑形态本身。

　　 建筑纵剖面图见图2。平面近似椭圆形，屋顶建筑外轮廓约73.5m×44.6m, 建筑总面积12 205m²;地下1层，地上2层，各层层高6m, 地下室建筑面积3 717m²,地上建筑面积8 488m²,屋盖最高点高度为20.4m(以基顶作为±0.00标高)。主要功能包括展示大厅、媒体发布大厅、工程建设指挥部、办公、会议室、停车场、设备机房等其他配套服务设施。

　　 图1 项目建筑效果图  

　　  

　　 图2 建筑纵剖面示意图  

　　  

　　 建筑方案设计由英国扎哈·哈迪德公司完成，施工图设计由中国建筑西南设计研究院有限公司承担。项目主体及外立面建成后的实景照片如图3所示，可以看出该项目建筑外观效果完成度非常高。

　　 图3 项目实景图  

　　  

2 屋盖建筑结构方案演变

　　 前期建筑概念方案采用周边四点支承方案，如图4所示，整个屋盖及墙面网格由四个支点和内部漏斗网格筒支承，屋盖前端整体坡度缓平，整体悬挑较大，约25m。屋盖大部分结构杆件室内外露，故外露部分不考虑双层网格或桁架等结构形式，屋面及中部漏斗筒等外露部分均采用单层网格结构形式。

　　 图4 建筑概念方案雏形  

　　  

　　 图5 屋盖结构初步方案 

　　  

　　 根据建筑概念方案设计屋盖结构初步方案雏形，如图5所示，周圈采用弧形环梁，为单层网格提供支承。对建筑方案可行性行进行试算分析，根据结构静力及模态分析结果，屋盖悬挑端是整个结构变形最大的地方，单纯的单层网格结构无法实现大悬挑，需增大屋盖周边曲线环梁刚度和网格截面尺寸以实现整个屋盖结构承载力验算及变形控制要求，同时环梁根部采用钢桁架加腋的方式进一步地提高悬挑根部结构刚度和承载力。经试算，环梁和屋面杆件截面尺寸均较大，结构经济性指标和建筑整体内部尺度控制效果均较为困难，视觉感官效果不理想。

　　 针对上述问题，在方案深化阶段，依据合理化设计的要求，经过多轮试算和建筑方案深化反馈结果，最终在满足建筑使用功能、美观效果、空间尺度感、经济性等前提下，周边环梁优化为空间曲线立体桁架，同时外环桁架支承立柱增设至8根，以减小屋盖前段悬挑跨度。外环曲线立体桁架支承屋面和墙面网格，同时为屋面单层网格提供较强边界条件，整个屋盖形成以漏斗状网格筒+8根钢管柱+外环曲线立体桁架+单层网格组成的多重复杂空间结构(图6)。

　　 图6 屋盖结构方案  

　　  

3 结构体系

　　 整体结构可分为外罩(由屋盖、部分墙面及中部漏斗网格筒组成)和屋面以下内部主体结构两部分。由于建筑内部有较多异形大空间、大跨度区域，下部主体结构采用钢框架结构体系，钢柱采用圆钢管柱，钢梁采用H型钢梁，楼板采用现浇钢筋桁架楼承板；二层外围流线形曲面裙带屋面为坡度较大的覆土种植屋面，因混凝土浇筑滑移而产生离析，故此部分采用钢板楼板屋面。

　　 考虑到本项目室内空间视觉效果，屋盖、墙面及中部漏斗网格筒等结构外露部分采用杆件布置整齐简洁、杆件截面相对统一单层网格结构，不外露的屋面悬挑部分和墙面采用刚度较大立体桁架。为明确结构体系以及减少中心漏斗网格筒截面尺寸，中部漏斗网格筒和内部楼层钢结构部分相互独立，仅支承周圈立体桁架的外围8根钢柱与二层楼层梁柱刚接相连，项目结构体系组成关系见图7。

　　 图7 结构体系组成关系

　　  

4 屋盖构件截面尺寸优选

　　 单层网格若采用圆管截面，圆管相贯节点构造简单，杆件截面均匀，无方向性，但缺点是需增加较高支托连接幕墙，幕墙与结构表面距离较大，整体效果不够简洁通透。单层网格采用矩管，矩管截面刚度大且外表面平整，幕墙与结构表面距离大幅度减小，可实现建筑空间效果通透灵动，造型美观的建筑效果；缺点是杆件较多时节点加工难度大、节点构造复杂。基于建筑方案多轮视觉效果对比，本工程外露部分单层网格需采用特窄翼缘焊接箱形截面。

　　 为降低屋盖幕墙建造成本，尽可能地保证幕墙可采用普通平面玻璃，网格采用了六根杆件相交三角形网格，同时方案要求杆件尽可能薄，幕墙与主体钢结构的距离尽可能近。经过多次试算、截面优化，同时结合国内钢结构加工制作能力，最终确定采用80mm宽特窄翼缘焊接矩管，此宽度和幕墙分割连接件宽度也一致。截面长边沿建筑外表面的法线方向布置，能够同时满足建筑效果和结构稳定的要求，优选后的杆件截面尺寸分布如图8所示。图9为建成后的室内结构实景与建筑效果图的对比。可以看出整个结构外露杆件轻盈通透，赋予建筑与结构之美感。

　　 图8 杆件截面尺寸分布图 

　　  

5 结构设计与分析

5.1 计算模型的建立

5.1.1 构件定位及方向

　　 该工程杆件定位比较复杂，首先建立建筑幕墙外表皮模型，根据幕墙构造确定结构外表皮中心线与幕墙表面距离为220mm, 由于屋面构造做法不同，在屋顶与墙面交接处一定范围构造距离为220～300mm; 然后通过GH参数化控制按每个节点相关6个面的法线合成矢量方向向内偏移出幕墙构造距离，得到结构杆件外表面中心控制曲线，而非传统的杆件轴心中心线 ^[1];再将曲线有理化为直线，导入MIDAS Gen软件中进行结构计算模型的建立，计算模型中通过指定杆件的插入点来考虑由此带来的节点区杆件偏心问题 ^[2]。通过GH二次开发参数化控制得到杆件截面空间向量，实现批量计算杆件局部坐标系，保证计算模型中每根杆件的局部坐标系与实际一致。

　　 图9 建成后室内结构实景与建筑效果图对比

　　  

　　 图10 整体分析模型 

　　  

5.1.2 分析模型

　　 在三维建模软件RHINO中建立结构线模型并通过5.1.1节的方法计算得到各个杆件局部坐标系，导入MIDAS Gen软件中得到有限元模型。采用MIDAS Gen软件进行钢结构设计计算，所有构件采用考虑剪切变形影响的Timoshenko梁单元来模拟。漏斗网格筒柱脚与基础连接采用铰接连接，8根钢柱柱顶与立体桁架采用刚接，柱底与2层楼层钢梁钢柱刚接。

　　 另外，为了进一步考察下部钢结构刚度对上部钢结构屋盖受力状态的影响，建立了整体分析模型，如图10所示，其中楼板采用膜单元模拟。

5.2 设计条件

　　 (1)设计参数。设计使用年限期50年，结构设计安全等级二级，抗震设防类别标准设防类。

　　 (2)抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组第三组，建筑场地类别Ⅱ类，场地特征周期0.45s, 根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[3](简称抗规)的规定，大跨度结构在8,9度区时，应计算竖向地震作用，考虑到该结构大跨度的敏感性，屋盖钢结构结构计算中考虑了竖向地震作用。

　　 (3)风荷载 ^[4]。基本风压0.30kN/m²,考虑屋面钢结构风荷载敏感性，选用100年一遇基本风压0.35kN/m²,场地粗糙度类别B类。

　　 (4)幕墙荷载

　　 根据不同区域的幕墙做法分别将计算幕墙荷载施加到计算模型中，如表1所示。

　　 幕墙荷载 表1

区域	幕墙自重 /(kN/m2)	备注
金属屋面部分	1.1	含面层、保温层及支承件
漏斗网格筒玻璃幕墙	1.0	含玻璃及支承件
立面玻璃幕墙	1.0	无框玻璃幕墙
GRG吊顶	0.40	桁架室内部分

 

　　  

　　 (5)活荷载。屋面活荷载取不上人屋面活荷载及雪荷载两者较大值，为0.5kN/m²,为防止溢水孔堵塞而造成屋面结构超载，结构计算中考虑300mm深度的天沟的积水荷载，以活荷载形式加入模型进行计算分析。

　　 (6)温度作用。根据成都市的气象条件及工程合拢时气温，本工程考虑结构整体温差±25℃的作用。

5.3 结构分析主要结果

5.3.1 结构动力特征分析

　　 在单体结构模型中对屋盖支承钢管柱柱底设置固端约束，2层(12m标高处)设置水平向弹性约束，刚度由下部结构楼层侧向刚度计算得到，近似取75 000kN/m, 抗弯刚度近似取与之相连的楼层钢梁的抗弯刚度，即4EI/L,其中E为钢梁弹性模量，I为钢梁截面惯性矩，L为钢梁杆件长度。考虑楼板对钢梁刚度放大的作用，钢梁刚度取1.6×10⁴ kN·m/m。

　　 屋盖单体模型和总装模型前5阶周期如表2所示。单体模型第1阶振型为屋盖Y向平动，第2阶振型为屋盖X向平动伴有局部竖向振动，第3阶振型为屋盖的扭转伴有竖向局部振动；总装模型第1阶振型为屋盖和下部结构Y向整体平动，第2阶振型为屋盖和下部结构X向整体平动，同时伴有屋盖中部竖向局部Z向振动，第3阶整体结构振型扭转。

　　 屋盖单体模型和总装模型结构自振周期 表2

单体模型			总装模型
周期/s		振型描述	周期/s		振型描述
T1	0.588	Y向平动	T1	0.577	Y向平动
T2	0.429	X向平动+局部竖向振动	T2	0.463	X向平动+局部竖向振动
T3	0.426	扭转+局部竖向振动	T3	0.451	扭转振动
T4	0.417	局部竖向振动	T4	0.424	局部竖向振动
T5	0.382	局部竖向振动	T5	0.404	局部竖向振动

 

　　  

　　 综合分析，前3阶振型总装模型与单体模型动力特征基本一致，总装模型中屋盖更多体现为随下部结构共同振动；后续振型中，整体结构和单体模型动模态类似，多以局部竖向振动为主。从以上振型可以看出，结构扭转周期比小于0.9,满足抗规要求；结构水平周期和竖向周期都小于1s, 结构整体刚度较大，整体性好。

　　 图11 最大结构位移构件侧视示意图 

　　  

　　 图12 恒荷载作用下屋盖单层网格与漏斗网格筒结构内力分布云图 

　　  

5.3.2 结构位移分析

　　 正常使用极限状态荷载组合作用下屋盖结构最大位移位于屋面跨度最大且较平缓区域的结构中部，屋盖结构最大竖向位移如表3所示。由表3可以看出，最大竖向位移为42mm, 其中恒荷载产生的竖向变形占83%,结构挠跨比约为1/640,满足1/400的挠度限值 ^[5]。同时，为避免在结构下挠而导致排水不流畅引起屋面积水，对变形较大的部位进行起拱，起拱值为恒荷载作用下的挠度，通过起拱消除一部分由于恒荷载引起的变形，起拱后屋面坡度接近原始位置，排水坡度趋于流畅(图11)。

　　 屋盖结构最大竖向位移及挠跨比 表3

组合	单体模型		总装模型
	最大竖向 位移/mm	挠跨比	最大竖向 位移/mm	挠跨比
恒荷载	-35	1/770	-35	1/770
恒荷载+活荷载	-41	1/650	-42	1/640
恒荷载+风吸	-30	1/900	-30	1/900
恒荷载+升温	-29	1/930	-29	1/930
恒荷载+降温	-41	1/658	-42	1/658

 

　　  

　　 屋盖结构最大水平位移如表4所示。由表4可知，由于漏斗网格筒刚度较大且位于结构中部，在风荷载和双向地震作用下最大水平位移和层间位移角均较小，支承屋盖的钢管柱在双向地震作用下最大水平位移为1/550,满足1/250的限值 ^[5]要求。

　　 屋盖结构最大水平位移及层间位移角 表4

工况	外围支承立柱		中部漏斗网格筒
	最大水平 位移/ mm	层间位 移角	最大水平 位移/ mm	层间位 移角
风荷载	2.3	1/2 870	2.0	1/8 000
双向地震作用	12.0	1/550	3.5	1/4 571

 

　　 注：水平位移最大点位于6.6m高柱顶，漏斗网格筒高度按16m计算。

　　  

5.3.3 结构内力和应力分析

　　 图12为恒荷载作用下屋盖单层网格与漏斗网格筒结构内力分布云图。由图可知，屋盖坡度平滑区域径向杆件近似呈梁式受力，中部正弯矩最大(最大值为68.7kN·m),边缘负弯矩最大(最大值为-245.9kN·m),位于框架柱斜向支承点位置。屋盖平缓区域径向杆件主要受压，但压力较小，环向杆件主要受拉，拉力较大；漏斗网格筒顶部环向杆件受压，最大压力值为-560.3kN,出现在竖筒上部弯折处。

　　 各工况包络下结构受力形式与恒荷载作用下内力分部基本一致，最大弯矩为-327.0kN·m, 位于屋盖前端边缘框架柱支承点处；轴力最大压力值为684.6kN,出现在竖筒上部弯折处。

　　 屋盖单层网格和漏斗网格筒应力云图如图13所示。由图可知，径向杆件强轴(曲面平面外)以弯曲应力为主，环向杆件以轴向应力为主，故本工程屋盖网格受力与典型的薄膜应力为主的单层网壳结构受力不同，部分径向杆件弯曲应力占比较大，结构径向杆件采用大高宽比的矩管比圆管截面受力更为合理。

　　 支承屋盖的8根外围钢管柱与中部漏斗网格筒的水平剪力如表5所示。通过表5的对比可知，整个屋盖水平荷载由外围8根立柱和中部网格筒共同承担，且通过外围立柱传给2层钢框架的水平剪力大于中部网格筒传递给柱脚的水平剪力，这是由于外围立柱在2层与刚度较大的钢框架刚接，且多数立柱高度较矮，局部倾斜，刚度较大，中部网格筒虽杆件较多，但仅基顶与基础铰接，楼层位置与下部钢框架结构脱开并相互独立，网格筒高度较高，故中部漏斗网格筒承担的水平剪力小于外围8根钢柱承担的水平剪力之和。

　　 支承钢柱与漏斗网格筒水平剪力对比 表5

工况	外围支承立柱		中部漏斗网格筒
	水平剪力/kN	占比	水平剪力/kN	占比
风荷载	162	62.8%	96	37.2%
地震作用	328	52.4%	336	47.6%

 

　　  

　　 依据《钢结构设计标准》(GB 50017—2017) ^[6]验算屋盖最大应力比，应力比分布见图14。由图可知，屋盖结构最大应力比为0.73,出现在屋盖前端框架柱支承点负弯矩最大位置；竖筒最大应力比为0.65,出现在竖筒上部弯折处；支承网格钢管柱最大应力比为0.70,出现在2层弯折处。由于建筑造型需要，竖筒中下部钢结构杆件较密，应力比较低，除上述弯矩和轴力较大部位杆件外，其他大部分杆件应力比均处于较低水平，故本工程单层网格部分结构承载力和变形控制均位于屋盖坡度平滑区域。

　　 图13 屋盖单层网格与漏斗网格筒应力云图/MPa  

　　  

　　 图14 屋盖结构应力比分布 

　　  

　　 表6为外露部分矩管单层网格最大应力比。由表可知，竖向荷载工况组合和地震作用组合下单体模型和总装模型的应力比差别很小，但包络组合工况下结果略有差别，这是由于单体结构采用了简化的边界条件来模拟下部结构刚度，导致温度应力偏大，温度效应对单体模型下结构应力比有一定影响。由表还可知，杆件应力主要以竖向荷载为主，地震作用下杆件应力比较小，地震作用不起控制作用。

　　 外露部分矩管单层网格最大应力比 表6

矩管截面	包络组合		恒荷载+活荷 载组合		地震作用组合
	单体 模型	总装 模型	单体 模型	总装 模型	单体 模型	总装 模型
□300×80×10×12	0.65	0.52	0.50	0.50	0.37	0.39
□400×80×16×20	0.60	0.50	0.51	0.49	0.43	0.40
□400×80×10×12	0.64	0.60	0.61	0.58	0.43	0.45
□450×80×20×20	0.73	0.68	0.68	0.64	0.53	0.54

 

　　  

6 整体稳定分析

　　 本工程外罩为多重复杂空间网格结构，屋盖和漏斗状网格筒均采用单层网格结构，结构存在整体失稳的可能性，不仅要在构件层次需进行杆件强度和稳定进行设计，还需考察结构的整体稳定性。参考《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010) ^[5]的要求，对结构进行线性特征值屈曲分析和考虑初始缺陷的几何非线性分析。

6.1 结构特征值屈曲分析

　　 采用MIDAS Gen软件对结构进行恒荷载+活荷载(满跨和半跨)工况下线弹性特征值屈曲分析，前6阶屈曲特征值如表7所示。分析结果表明，半跨活荷载与满跨活荷载屈曲模态无明显变化，且由满跨活荷载工况控制；结构主要屈曲模态为漏斗网格筒受压屈曲，前3阶屈曲特征值分别为28.83,32.64,34.94,第4阶屈曲模态为屋盖的局部屈曲模态，屈曲特征值为37.33,其屈曲模态如图15所示。

　　 图15 结构特征值屈曲模态  

　　  

　　 结构屈曲特征值 表7

阶数	满跨荷载	半跨荷载	屈曲模态描述
模态1	28.83	31.38	竖筒下部屈曲
模态2	32.64	35.04	竖筒下部屈曲
模态3	34.94	38.94	竖筒下部屈曲
模态4	37.33	40.48	屋盖局部屈曲
模态5	41.46	44.84	竖筒上部屈曲
模态6	44.19	48.31	屋盖局部屈曲

 

　　  

6.2 几何非线性分析

　　 几何非线性对结构稳定承载力有显著影响，并且单层网壳对初始缺陷非常敏感，而初始缺陷的分布是随机的，目前实际分析过程常采用“一致缺陷分析模态法”来近似模拟，其分布为具有统计意义的最不利缺陷分布。本工程按此方法，将初始缺陷按最低阶屈曲模态分布，其最大初始缺陷取结构跨度的1/300 ^[5]。

　　 恒荷载+活荷载的组合作用下节点的荷载-位移曲线如图16所示。结构稳定承载力系数为18,大于《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010) ^[5]对非线性稳定承载力安全系数4.2的要求，可见该体系的整体稳定问题不起控制作用。

　　 图16 荷载-位移曲线 

　　  

7 窄翼缘矩管节点设计与分析

　　 节点分析在空间结构设计中是非常重要的环节，节点破坏可能导致结构的整体失稳或连续性倒塌。设计中综合考虑本工程结构的受力特点、建筑美观需求以及工程造价等方面的因素，对外露部分特窄翼缘焊接矩管相交节点进行精细化设计与分析。

　　 外露部分的网格具有复杂的自由曲面，由于矩管截面方向性和杆件轴线方向的空间性，钢结构杆件两两不共面，必然造成杆件在节点处不完全相交，形成“扭转节点”。这种节点若直接焊接，则会有部分截面焊接不了，这样的相贯节点力学性能有问题，安全度不足，也难以达到设计时假定的刚性连接的效果。根据以往的工程实例 ^[7,8,9,10],对如下几种可选用节点的适用性进行分析。

　　 1) 铸钢节点：铸钢节点外观平顺光滑，制作安装精度高；但铸钢节点制作费用高，生产周期长，同时铸钢节点重量较大，本工程696个节点采用铸钢节点对自重比价敏感的单层网格结构不利，同样无法满足本工程经济性和施工进度要求。2) 鼓形节点：鼓形节点分为标准鼓形节点和改进鼓形节点(圆柱形节点),但是较大的鼓形节点在钢结构中显得突出，难以得到建筑师和业主的认可。3) 插板节点：插板节点具有加工制作方便，有效保证焊接质量，降低施工难度及刚度大等优点；缺点是局部节点板外漏，凸出杆件上下表面，影响建筑美观和增加幕墙与主体钢构件的构造距离。4) 阳光谷相贯焊接节点：在多向矩管交汇的节点区改进为上、下2块六边形端板及1块竖向加劲板，节点主要通过矩管的上下翼缘传力，但由于节点区为不规则的六边形组成，还是未得到建筑师和业主的认可。5) 曲面板相贯焊接节点：在网格节点区设置一定长度的扭曲过渡接头，用火烤钢板使之形成弯曲面或扭曲面，利用曲面的不同边分别对齐交汇钢构件的上下翼缘板进行焊接相连。这种节点不增加节点的重量，也不扩大节点域的体积，将支管杆件与接头焊接；其缺点在于采用火烤的方法使钢板弯曲或扭转这一技术较难控制，经常返工，变形后的钢板凹凸不平，且火烤弯板的费用较高，工期也较长；若采用轧制弯扭成型技术对于小型节点不太适用。此种做法虽然美观，但由于本工程杆件翼缘仅80mm宽，杆件高宽比大，人工火烤工艺方无法实现如此高精度的窄翼缘弯曲加工制作。

　　 后经对该节点多次尝试和空间放样，发现一定长度范围的节点区以直代曲，即采用折线弯折代替曲面弯折对空间视觉效果影响极其微小，改进后节点(图17)外观简洁且无附加板件，经打磨后外观较为平滑，精度可达到外观效果要求。

　　 图17 特窄翼缘焊接矩管弯折交汇焊接节点  

　　  

　　 由于本工程节点区翼缘宽度仅80mm, 节点交汇处无法设置加劲肋，使得节点受力复杂，难以用现有规范或规程公式对节点承载力和刚度进行验算，因此有必要对节点进行有限元分析。采用有限元软件ABAQUS进行空间节点分析，以获得节点应力和刚度。钢管各向同性且壁厚比较薄，采用四节点减缩积分的壳单元(S4R),钢材本构关系采用ABAQUS软件提供的三维等向弹塑性模型，满足von Mises屈服准则，其输入的单向应力-应变采用理想弹塑性模型，钢材的弹性模量E_s为2.06×10⁵MPa, 钢材屈服强度设计值f为295MPa, 泊松比为0.3。

　　 图18为典型节点在各杆件同时达到包络设计最大内力时的应力云图。由图可以看出，节点1大部分区域应力为168MPa, 与主杆连接处有局部应力集中，最大应力为302MPa, 小于1.1f(1.1×295=324.5MPa),应力集中面积很小，属于工程可接受范围。节点2大部分应力为164.3MPa, 最大应力为263.4MPa, 小于钢材屈服强度设计值。从节点应力分布图可以看出，典型节点连接形式能够满足强度设计需求。

　　 图18 典型节点应力云图/MPa  

　　  

　　 由于结构中有大量6根杆件轴线交汇于一点，但实际中节点存在共用的节点域，节点域的剪切变形导致节点有可能不能按完全刚性连接处理，同时由于矩管内部没有设置加劲肋，有可能出现局部屈曲的现象，进而影响节点刚度 ^[11]。本工程单层网格空间节点受力复杂，现阶段对其节点刚度没有明确的判断依据，而这在工程中又十分关键，所以本文利用欧洲钢结构设计规范EN 1993-1-8 ^[12]对节点的刚度进行评价。

　　 根据欧洲钢结构设计规范EN 1993-1-8 ^[12]的规定对节点进行分类，对于有支撑结构，当节点的转动刚度S_j满足：S_j≥8EI/L_b,其中E为弹性模量，I为截面惯性矩，L_b为杆件长度，可认为节点满足刚接；当节点的转动刚度S_j满足：S_j≤0.5EI/L_b,可认为节点为铰接。为研究节点的刚度，取各杆件轴线交汇点1倍梁高范围作为节点域 ^[11],有限元模型如图19(a)所示。通过有限元分析，得到杆件的弯矩-转角(M-φ)曲线(图19(b)),杆件1和杆件3的节点刚度分别为7.3倍和7.7倍杆件的线刚度，节点接近刚性连接，工程中可认为满足刚性节点连接要求。

8 BIM应用

　　 鉴于该项目内部空间关系复杂、建筑体型异型、管线多、对专业协同要求高，管线综合设计和施工难度较高，应用BIM技术完成施工图三维设计，才能有效解决设计及施工过程中传统二维设计不可能完成的任务。

8.1 协同配合机制

　　 由于项目涉及方案、建筑、结构、幕墙、景观、预制构件厂等多个参与方，BIM作为核心枢纽以及数据交互平台，提供参与各方进行三维协作平台。基于REVIT平台建立项目的全专业高级工作集工作协同模型。各方直接依托REVIT平台和计算机网络进行多维协同设计，建立从方案、施工图深化设计、施工、专业厂家之间整体BIM配合协同机制流程，BIM设计不但有效输出传统图纸成果，其数据成果在也作为施工过程和厂家深化设计的重要数据来源，可直接对接BIM精确算量和BIM施工图深化设计。

　　 图19 节点刚度计算  

　　  

　　 图20 结构BIM正向设计流程 

　　  

8.2 结构BIM正向设计流程

　　 根据各软件的自身特点，结合自主研发数据插件，综合应用犀牛，REVIT,PKPM,MIDIS,3D3S,TEKLA相互传导最终形成BIM协同设计结构模型，同时为满足二维图纸出图习惯，自主研发出图插件。具体流程详见图20,下部结构BIM三维模型图见图21。

　　 图21 结构REVIT模型 

　　  

8.3 BIM应用及创新

　　 本工程在结构BIM正向设计以及BIM应用方面有如下创新点。

　　 (1)空间自由曲线与曲面的有理化：通过REVIT与GH对RHINO无理化曲面的数学分析简化复杂曲面，减少三维曲面，节约施工造价。

　　 (2)空间自由曲线的定位：首先利用GH将RHINO的模型进行切分操作，生成一系列空间定位平面，这些空间平面与建筑设计曲面相交，逐个形成钢梁的空间位置；通过REVIT软件二次开发，编制定位辅助程序，自动在所有需要三维定位的点上生成控制球，再通过软件自动检索模型内所有控制球，一键生成所有空间钢梁和异形平面的控制坐标。

　　 (3)管综模型三维排布：利用三维技术自动分析空间净高；管线综合模型进行三维配合，确保结构钢梁准确预留各类洞口。

　　 (4)空间三维可视化：三维可视化环境下设计，基于BIM模型及时校核，确保各专业设计始终得到最优解。

　　 (5)本工程幕墙采用BIM建模技术进行深化设计，对部分节点进行建模优化，提升整体建筑效果，降低施工难度。

　　 (6)屋面钢结构变形及动态控制措施分析：对于单层空间钢网格结构，钢结构变形较大，幕墙外皮与结构之间的距离已经不是幕墙构造可以调节的，所以需要将卸载变形后的结构作为设计依据，通过高速激光三维扫描测量，可以高效率、高精度地建立结构的三维实体影像模型，利用BIM模型复核屋面钢结构，并实时修改模型，依据最终BIM模型进行现场屋面测量放线工作。整个过程通过BIM模型实现数据化控制及管理。

9 结论

　　 (1)依据建筑效果需求及结构合理化设计要求，结合多轮试算结果，形成以漏斗网格筒+外围8根柱+外环曲线立体桁架+单层网格组成的多重复杂空间结构。

　　 (2)为达到更好的建筑室内效果，对外露杆件进行多方案优选设计，最终采用80mm宽特窄翼缘焊接矩管，较好地实现了建筑方案视觉效果的高需求。

　　 (3)对结构受力特点进行分析，使结构构件截面和杆件内力分布规律一致，最终形成结构布置与建筑形体美学完美统一。

　　 (4)对结构进行几何非线性屈曲稳定分析，得出该结构具有较好的整体稳定性。

　　 (5)采用大量多向窄翼缘焊接矩管，对矩管杆件节点进行优选比较，最终采用局部弯折相贯焊节点实现简洁通透的空间视觉效果。

　　 (6)选取关键节点进行有限元分析，对其应力和刚度进行分析，保证节点连接的安全可靠。

　　 (7)采用BIM进行协同设计、管线综合布置和碰撞检查，有效解决了设计及施工过程中传统二维设计不可能完成的任务。

　　 (8)对于复杂异形建筑结构，采用多软件BIM协同处理方法能较好的解决AUTODESK REVIT正向设计所面临的各种难以处理的问题。