框架结构基于BIM的楼梯斜撑作用分析

框架结构基于BIM的楼梯斜撑作用分析

蒋华1蔡金豆1董正雄1黄杰1

武昌首义学院湖北武汉430064

摘要：框架结构中楼梯对框架主体会产生犹如剪刀撑的斜撑作用。本文通过revit和GSrevit专业软件对框架结构无楼梯、有楼梯两种情况进行模拟，并对两种情况下的框架工程量进行统计和对比。

关键词：框架结构；楼梯；斜撑作用；BIM

前言

楼梯是框架结构的重要组成部分，传统的结构设计忽略了楼梯对框架结构主体产生的斜撑作用，将框架主体结构和楼梯分开设计。有关楼梯的斜撑作用，国内自上世纪80年代就开始了相关研究。1986年，设计大师傅学怡[1]在“高层建筑结构正现浇楼梯对抗侧刚度的影响分析”中，提出楼梯斜撑效应及其对框架结构抗侧刚度的影响；90年代，曹万林教授等人[2]对混凝土异形柱框架楼梯结构进行试验研究，重点分析了楼梯耗能的原因，并对提高楼梯耗能性能提出建设性意见；21世纪初清华大学王奇教授[3]从工程实例出发，分别对框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构在考虑楼梯作用下的结构自振特性和受力性能进行分析，结果表明，楼梯对框架结构的自振特性、整体刚度及构件内力影响更为明显；设计人员胡庆昌[4]从工程经验及数次震害的统计中，对楼梯间的震害表现做了统计，并提出在不同的设计体系中都应加强楼梯和楼梯间结构的概念设计与构造措施。

1模型建立

本文利用BIM技术，采用revit对框架结构不带楼梯、带楼梯进行模型建立。框架结构为6层、7跨，其中，框架梁尺寸b×h=200mm×400mm，框架柱尺寸b×h=500mm×600mm；楼梯设置在建筑两段的第二柱间。三维模型如图1所示。

（a）无楼梯框架（b）带楼梯框架

图1框架结构BIM模型

2模型分析

模型建好后，采用广厦GSrevit进行结构分析和构件配筋，并进行算量和造价的统计。其中，无楼梯、带楼梯时，框架建筑的工程算量与造价分别如表1、表2所示。

表1无楼梯框架结构工程量和造价统计

对比表1、表2的计算结果可知，带楼梯时框架结构的混凝土及钢筋混凝土工程造价比不带楼梯时的框架结构多44626.8元，带楼梯时框架结构的模板工程比不带楼梯时的框架结构多2152.1元，共计工程造价相差46778.9元。

由该统计结果可知，楼梯的斜撑作用会使框架主体结果受力更为复杂，混凝土、配筋用量都相应增加，这种效应在框架结构的设计中不容忽略。故传统的设计方法将框架主体与楼梯分开设计，是不够准确的。

3框架结构考虑楼梯斜撑作用的抗震设计

对于框架结构，在抗震设计可以通过“收”和“放”两种途径解决楼梯斜撑作用对框架结构的不利影响。

（1）“收”。即在框架结构抗震设计过程中考虑楼梯间的斜撑效应。如同本文第1、2节所示，采用结构分析软件进行结构设计时，将楼梯与框架主体整体建模、计算，从而“收”入楼梯间处因刚度增大而增加的地震作用，进而加大钢筋配置。

（2）“放”。即将楼梯间与框架主体脱开，减小楼梯斜撑产生的地震作用效应。对于现浇混凝土结构，图集《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图（现浇混凝土板式楼梯）》（16G101-2）中，通过对ATa型、ATb型、CTa型、CTb型楼梯在低端梯梁与梯段板间设置滑动支座的方法，“放”掉楼梯对框架主体产生的斜撑效应；对于装配式混凝土结构，预制楼梯在安装时会与框架主体间留有一定距离的空隙，从而实现两者的相对滑移。

结构分析中将框架结构主体和楼梯进行一体建模和抗震性能分析的“收”的方法，最能准确地反映考虑楼梯斜撑作用的框架结构抗震性能，但该方法分析过程复杂，且造价增加，在实际工程中采用不多；而将楼梯与框架主体相对脱开“放”的方式，会削弱框架结构的整体刚度，使框架层间侧移增大，但因其施工方便造价低，在目前的框架结构实际工程中广泛采用。

4结论与展望

（1）本文利用BIM技术对无楼梯、带楼梯的框架结构进行对比分析，证明楼梯的斜撑作用会增加框架结构主体的配筋用量及工程造价；

（2）考虑楼梯斜撑作用的影响将框架与楼梯整体建模，能准确地模拟带楼梯框架结构的抗震性能，但该方法分析过程复杂、工程造价增加；

（3）通过设置滑动支座释放楼梯的斜撑作用，虽会导致结构整体变柔、层间侧移过大等不利影响，但施工方便造价低，在目前工程中被广泛采用。

（4）对于框架结构考虑楼梯斜撑作用的抗震设计，还有很多理论分析方法、工程措施需要继续探索和研究。

参考文献：

[1]傅学怡.高层建筑结构中现浇楼梯对抗侧刚度的影响分析[J].建筑结构学报，1986（3）：11-25

[2]曹万林，胡国振.钢筋混凝土框架与楼梯共同工作性能研究[J].工程力学，1999（增刊）：23-26

[3]王奇，马宝民.钢筋混凝土现浇楼梯对整体结构的影响[J].建筑结构，2002，32（4）：27-29，69

[4]胡庆昌.钢筋混凝土结构楼梯间与楼梯的震害及设计建议[J].建筑结构，2005，35（11）：31-32

[5]周旭.水平地震作用下楼梯与框架结构相互作用分析[D].武汉：华中科技大学，2010

基金项目：本文受湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目“考虑楼梯斜撑效应的框架抗震设计研究”支持，基金编号B2017357。