建筑结构的数字化设计与强度校核仿真

胡正宇

（沈阳速捷智慧建筑科技有限公司，辽宁 沈阳 110000）

随着数字化技术兴起，给各产业带来了深刻的技术变革，也为建筑设计的技术突破带来了新的发展方向。传统的建筑设计方法，在面对功能要求日益多样化、结构日趋复杂的建筑结构时显得力不从心，经常出现无法完成准确设计，设计效率低下等问题[1]。而一旦出现不合理的情况时进行改动，传统建筑设计方法也面临着更大的工作量，不仅修正过程和改动效果不够明显直观，还给设计人员提出了更高的要求和挑战。在施工阶段，传统建筑设计方法对局部细节和整体的动态展示，都存在较大的难度[2]。以上种种问题，通过数字化技术的转型，可以有效地解决。数字化建筑设计通过强大的三维设计和展示功能，可以更快捷地完成建筑结构的设计工作，并将设计成果以更清晰直观的形式展现出来，同时也可以提升设计效率[3]。该文以建筑结构的数字化设计为核心研究内容，进而对其设计结果进行仿真校核，并提出具体的方案。

1 建筑结构数字化设计流程及效果

根据设计任务的需要，建筑结构的传统设计模式，从功能需求、品质需求等方面出发，完成图纸设计并选择合适的建筑材料，然后形成用于指导实际建筑施工的建筑工艺流程卡片，建筑施工人员根据设计图纸和工艺流程卡进行具体施工。如果建筑结构要求比较复杂，图纸上会形成复杂的投影关系，该设计可能产生错误，或者施工人员在施工过程中，不能准确阅读图纸，导致施工中出现错误。而设计结果在施工前是无法进行有效检验和可视化展示的。

建筑结构的数字化设计，从数字化技术理念出发，依托强大的三维设计软件，形成三维设计图纸和可视化的展示效果，并且能在软件上对设计结构不合理的地方进行实时修正，避免因设计错误导致的施工问题。建筑结构的数字化设计流程如图1 所示。

图1 建筑结构的数字化设计流程

从图1 中可以看出，建筑结构的数字化设计流程大概包括8 个环节：第一个环节，建筑结构设计任务的下达；第二个环节，根据建筑结构设计任务的要求，进行功能需求分析；第三个环节，根据建筑结构设计任务的要求和功能需求分析结果，进行原材料需求分析；第四个环节，根据功能需求在三维软件上完成建筑结构的数字化设计；第五个环节，对建筑结构的数字化设计结果进行动态展示，包括多个角度的观察、局部信息的审核、强度校核分析、校核数据生成和结果审定；第六个环节，如果前一个环节中发现建筑结构设计结果存在问题，应运用三维软件进行更改和修正，这个环节和第五个环节应该反复执行，直到数字化设计结果中不存在问题；第七个环节，对最终完成的建筑结构数字化设计结果进行动态展示，这也是施工前的最终审验环节；第八个环节，根据最终的数字化设计结果，生成建筑工艺流程卡，用于对施工过程进行指导。

如图2 所示，这是运用三维设计软件得出的建筑结构的数字化设计结果。

图2 建筑结构的数字化设计结果

图2 是一个三层方形台亭结构的设计效果。最顶层，包括一层楼盖、顶部阁楼单元。其下分别是二层楼盖和三层楼盖，在最低层用角立柱和中间立柱支撑。同时，视野区域内还能看到一个安全井。

根据三维软件的数字化设计效果，可以对三层方形台亭做进一步的细节展示，如图3 所示。

图3 三层方形台亭的差分结果

从图3 中可以看出，根据三层方形台亭的总体组装结果，可以拆分展示出局部细节和构成，并可以通过软件中施加不同的标记，让某些特定单元的显示更直观和突出。三维软件的设计结果，具有立体感强、结构空间可视化等特点，易于施工前期发现并及时修正设计问题。

2 建筑结构的强度校核

在建筑结构的传统设计方法中，对设计结果各部分进行强度校核，需要依赖手动完成计算。即便中间过程运用计算机，仍然需要自行编制程序和输入代码，校核过程烦琐并不利于实现。在三维软件的数字化设计过程中，软件内嵌了强度校核功能，可以自动化地完成建筑结构的强度校核，不仅操作简单而且准确性高。

建筑结构的强度校核一般以可靠度评价作为替代手段，考察的基本原则是“结构最小化”、“符合设计规范中的规定”。以一个构件的可靠度评价来完成校核工作，可以采用非迭代的方法，校核计算如公式（1）所示。

式中：β为建筑结构校核中某一个单独构件的可靠度，βS为建筑结构校核中某一个单独构件的总体载荷可靠度分项指标，βR为建筑结构校核中某一个单独构件的抗力验算点可靠度分项指标。

上述各项，都是在理想情况下的指标，对应于它们，形成实际设计结果的校核公式，如公式（2）所示。

式中：β为实际设计出来的建筑结构中某一个单独构件的可靠度，βSD为实际设计出来的建筑结构校核中某一个单独构件的总体载荷可靠度分项指标，βRD为实际设计出来的建筑结构校核中某一个单独构件的抗力验算点可靠度分项指标。

在某一个验算点完成可靠度的计算过程中，可以计算出方向夹角的正切值，如公式（3）所示。

式中：θ为验算点处可靠度方向夹角的角度，βS为建筑结构校核中某一个单独构件的总体载荷可靠度分项指标，βR为建筑结构校核中某一个单独构件的抗力验算点可靠度分项指标，σS为建筑结构校核中某一个单独构件的总体载荷可靠度分项指标的标准差，σR为建筑结构校核中某一个单独构件的抗力验算点可靠度分项指标的标准差。

建筑结构数字化设计结果的最终可靠度计算按照下文的公式计算，如公式（4）所示。

式中：β为建筑结构校核中某一个单独构件的可靠度参数，β'为实际设计出来的建筑结构中某一个单独构件的可靠度，∆为设计结果和安全标准规范的比值形成的可靠度。理论上讲，∆须达到0.85 以上，建筑结构才具有安全的可靠度，施工后可以正常使用。

3 建筑结构数字化设计的校核仿真

在该文第二节给出的校核方法之下，对该文第一节的三层方形亭台进行强度校核，其主要的承载关键部件包括立柱和楼盖板，只有他们满足了可靠度校核条件，三层方形亭台建成后才可以安全使用。

该研究选择立柱和楼盖板作为强度校核的关键参数，有以下原因：第一，立柱是三层方形亭台底部完成支撑的关键部件，不仅作用大、而且数量多、布局范围广。从形式上看，各立柱呈现出对称结构排列，平均分担亭台的整个载荷，如果某个承受的载荷超出了安全范围，必将引发整个亭台的安全隐患。第二，楼盖板负责三层方形亭台各层的顶部覆盖，除了第一层楼盖板承受的载荷较小以外，第二层楼盖板和第三层楼盖板在覆盖本层的同时，还要承受上一层建筑的重力，因此相关载荷会更大、面临的安全隐患会更复杂。所以，如果楼盖板无法通过强度校核，也很难保证三层方形亭台的整体安全性。为此，以这2 个关键构件进行参数校核。

首先，对三层方形亭台底层的10 个立柱进行可靠度校核，相关过程和参数计算如公式（1）～公式（4）所示，得到的结果见表1。

表1 三层方形亭台底层立柱的可靠度校核结果

表1 中的数据直观的显示结果如图4 所示。

图4 表1 中数据的柱状图结果

图4 中，横轴为10 个立柱的序号，纵轴为立柱的可靠度校核结果，即∆的值，这是一个无量纲的单位。结合表1 中的数据和图4 中的柱状图展示结果可以看出，10 个立柱的可靠度计算结果都在0.85 以上，表明这些立柱的设计结果非常接近标准规范，立柱在承载三层方形亭台的使用过程中，是安全的。通过比对也可以看出，10 号立柱和3号立柱的可靠度相对较低，二者的可靠度都在0.88 以下。尤其是10 号立柱的可靠度，与0.85 的极限值非常接近。因此，要进一步增强三层方形亭台立柱的承载安全，可以进一步强化10 号立柱和3 号立柱的设计，如选用更好的型材等。

其次，对三层方形亭台底层的9 块楼盖板进行可靠度校核，相关过程和参数计算按照公式（1）～公式（4）进行，得到的结果见表2。

表2 三层方形亭台楼盖板的可靠度校核结果

表2 中的数据直观地显示结果，如图5 所示。

图5 表2 中数据的柱状图结果

图5 中，横轴为9 个楼盖板的序号，纵轴为立柱的可靠度校核结果，即∆的值，这是一个无量纲的单位。结合表5中的数据和图5 中的柱状图展示结果可以看出，9 个楼盖板的可靠度计算结果都在0.85 以上，表明这些楼盖板的设计结果非常接近标准规范，楼盖板在承载三层方形亭台的使用过程中是安全的。通过对比可知，1 号楼盖板和2 号楼盖板的可靠度相对较低，二者的可靠度都在0.89 以下。尤其是1号楼盖板的可靠度，超出0.85 的极限值并不多。因此，要进一步增强三层方形亭台立柱的承载安全，可以进一步强化1号楼盖板和2 号楼盖板的设计，如增强其覆盖厚度。

4 结论

为应对建筑结构设计的数字化技术转型，该文对建筑结构的数字化设计和强度校核展开了研究。首先，给出了建筑结构数字化设计的一般流程，并分析了其相较于传统设计方法的优势，在此基础上给出了一个具体案例——三层方形亭台的数字化设计结果。其次，基于可靠度校核方法，给出了建筑结构关键组件的强度校核过程。最后，针对三层方形亭台的数字化设计结果进行强度校核，结果显示：10 个立柱和9 块楼盖板都通过了可靠度校核，可以确保三层方形亭台的使用安全。