基于bim技術(shù)的復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)山區(qū)車道工程方案設(shè)計(jì)研究

基于bim技術(shù)的復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)山區(qū)車道工程方案設(shè)計(jì)研究

0空間異形結(jié)構(gòu)的建筑應(yīng)用bim技術(shù)2015年7月31日，中國(guó)成功申請(qǐng)2020年冬季奧運(yùn)會(huì)，冬季冰雪運(yùn)動(dòng)場(chǎng)項(xiàng)目已成為我們的研究和發(fā)展方向。冰雪賽道往往多建于山體間，由于山區(qū)工程的特殊性，山體間存在較多的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，同時(shí)賽道空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，異形結(jié)構(gòu)較多，既要保證賽道基準(zhǔn)面的光滑平整，又要和山體地形實(shí)際情況相結(jié)合，這使得賽道工程的設(shè)計(jì)和施工較為困難。隨著信息化時(shí)代推進(jìn)，科技創(chuàng)新步伐加快，建筑信息模型(BIM)技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用廣泛，越來(lái)越多的建筑相關(guān)專業(yè)人士針對(duì)空間曲面結(jié)構(gòu)的建筑應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一定的研究成果。王勇等本文將BIM技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)賽道工程，利用BIM技術(shù)可視化、參數(shù)化、可出圖性的特點(diǎn)，通過(guò)將Revit軟件和Dynamo可視化編程插件相結(jié)合，對(duì)空間復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的賽道模型進(jìn)行精細(xì)化建模。同時(shí)利用BIM相關(guān)軟件對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，輸出設(shè)計(jì)圖紙。因此，引入BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)已成為山區(qū)賽道工程的發(fā)展趨勢(shì)1楊樹(shù)村東南角區(qū)域概況張家口奧林匹克體育公園國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心項(xiàng)目位于河北省張家口市崇禮區(qū)太子城冰雪小鎮(zhèn)枯楊樹(shù)村西側(cè)，主體建筑由上部出發(fā)區(qū)、中部滑道區(qū)以及下部看臺(tái)區(qū)組成，總建筑面積約為24209.3m中部滑道區(qū)是滑雪跳臺(tái)的重要組成，其主體結(jié)構(gòu)采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為鋼結(jié)構(gòu)側(cè)翼，基礎(chǔ)形式為樁基承臺(tái)。本文將以滑雪跳臺(tái)滑道區(qū)為重點(diǎn)，應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行深入研究。2大尺寸空間異形結(jié)構(gòu)國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心坐落于谷狀山坡之上，山體陡峭、地形復(fù)雜，存在不確定因素，對(duì)工程設(shè)計(jì)造成一定的困難;同時(shí)工期緊、任務(wù)重。本工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)如下:(1)中部滑道區(qū)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滑道主體是光滑的曲面，異形結(jié)構(gòu)較多(圖2、圖3)，使用傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)往往不能很好地將其空間結(jié)構(gòu)表達(dá)出來(lái);(2)滑道板跨度大、標(biāo)高點(diǎn)多，板面弧度不宜控制，賽道基準(zhǔn)面的光滑平整是影響比賽效果的關(guān)鍵;(3)滑道側(cè)翼為鋼結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，同時(shí)滑道區(qū)鋼筋數(shù)量多、種類多，鋼筋排布密集，節(jié)點(diǎn)處鋼筋沖突碰撞不及時(shí)解決，不僅會(huì)造成施工返工、材料浪費(fèi)，更會(huì)影響工程進(jìn)度和質(zhì)量。因此，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)，保證賽道平整度，對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量，是本工程重點(diǎn)需要解決的問(wèn)題。3在項(xiàng)目中應(yīng)用生物技術(shù)3.1跳臺(tái)-4數(shù)字化建模標(biāo)準(zhǔn)目前我國(guó)尚無(wú)賽道類工程數(shù)字化模型標(biāo)準(zhǔn)。而賽道工程從設(shè)計(jì)、建造到運(yùn)維各項(xiàng)工作中的信息集成數(shù)據(jù)大部分來(lái)源于數(shù)字化模型，為保證模型質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)應(yīng)用效果，在應(yīng)用中必須遵守一定的建模原則及標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GB/T51301-2018《建筑信息模型設(shè)計(jì)交付標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T51235-2017《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》、GB19079.6-2013《體育場(chǎng)所開(kāi)放條件與技術(shù)要求第6部分:滑雪場(chǎng)所》等規(guī)范的要求，特制定本工程的《國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心數(shù)字化建模標(biāo)準(zhǔn)》，主要包括賽道建?；疽?guī)定、模型細(xì)度、模型文件命名規(guī)則、色彩規(guī)定、BIM成果創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)等信息;細(xì)化本項(xiàng)目的數(shù)字化模型的交付標(biāo)準(zhǔn)，制定賽道工程的竣工模型信息交付標(biāo)準(zhǔn)等。3.2法有效表達(dá)各構(gòu)件之間的空間關(guān)系本工程滑道區(qū)主體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，異形結(jié)構(gòu)較多，通過(guò)傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)并利用二維圖紙審圖的方式，無(wú)法有效直觀地表達(dá)出各構(gòu)件之間的空間關(guān)系。將BIM技術(shù)引入工程設(shè)計(jì)階段，利用BIM相關(guān)軟件根據(jù)山體地形地貌和賽道的曲面計(jì)算公式，建立數(shù)字化信息模型，通過(guò)三維模型能夠精準(zhǔn)地表達(dá)出復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，并利用BIM技術(shù)可出圖的特性生成設(shè)計(jì)圖紙，在施工前進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)交底3.2.1地形協(xié)同不同深化山區(qū)賽道工程不同于其他工程，由于主體建筑結(jié)構(gòu)建于山體之間，地形復(fù)雜，山體間存在不確定因素，設(shè)計(jì)方無(wú)法準(zhǔn)確掌握實(shí)際情況，導(dǎo)致賽道設(shè)計(jì)圖紙可能會(huì)與實(shí)際工程存在沖突。利用Revit軟件將地形圖紙按照比例進(jìn)行縮放，導(dǎo)入軟件視圖中，根據(jù)地形圖中所給高程點(diǎn)確定各地層標(biāo)高，并按照等高線分別繪制各高程處地形輪廓，建立山體模型，如圖4所示。建立山體模型不僅可以使設(shè)計(jì)人員通過(guò)三維模型動(dòng)態(tài)觀察，將山體及周邊環(huán)境融入到賽道設(shè)計(jì)中，減少圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于土方開(kāi)挖，使技術(shù)人員直觀了解現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，優(yōu)化開(kāi)挖方案，避免因返工造成的工期延誤。3.2.2dynamo簡(jiǎn)介滑道區(qū)是國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心的重要組成，滑道主體結(jié)構(gòu)采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，外觀是光滑的曲面，保證賽道基準(zhǔn)面的平整度、控制標(biāo)高點(diǎn)是建模的關(guān)鍵。由于滑道板跨度大、標(biāo)高點(diǎn)多，若利用Revit軟件直接繪制異形曲面結(jié)構(gòu)模型，存在建模難、效率低等問(wèn)題。而Dynamo作為Revit軟件中的一個(gè)插件，通過(guò)可視化編程，結(jié)合滑道曲面計(jì)算公式快速、精準(zhǔn)創(chuàng)建模型(圖5)。通過(guò)Dynamo創(chuàng)建滑道曲面模型，為保證與Revit軟件之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，保證編程建模過(guò)程Dynamo軟件能夠平穩(wěn)運(yùn)行，應(yīng)在同一個(gè)項(xiàng)目樣板中創(chuàng)建滑道模型若由于設(shè)計(jì)圖紙變更或其他問(wèn)題，需要對(duì)滑道曲面模型進(jìn)行修改時(shí)，我們只需要在Dynamo文件中對(duì)相應(yīng)的曲面計(jì)算參數(shù)進(jìn)行修改并運(yùn)行，Revit都會(huì)在Dynamo的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行快速反應(yīng)，有助于提高建模效率。通過(guò)Dynamo可視化編程，實(shí)現(xiàn)空間復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)快速精準(zhǔn)建模，為今后賽道工程中賽道模型的創(chuàng)建提供技術(shù)思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。3.2.3利用特定命名規(guī)則進(jìn)行命名保存整個(gè)滑雪跳臺(tái)依山而建，異形結(jié)構(gòu)較多，滑道區(qū)主體結(jié)構(gòu)的梁、柱大多是異形構(gòu)件，Revit軟件中自帶的常規(guī)族庫(kù)已無(wú)法滿足建模需求。對(duì)于截面不同并帶有角度的斜梁，通過(guò)新建族文件，將CAD圖紙導(dǎo)入Revit軟件中，利用“放樣”命令先設(shè)置一個(gè)新的工作平面，通過(guò)拾取一個(gè)立面，在立面視圖中根據(jù)導(dǎo)入的CAD圖紙按照不同梁截面尺寸分別繪制構(gòu)件路徑及截面。再通過(guò)編輯梁的屬性族類別，添加材質(zhì)、截面尺寸等參數(shù)，根據(jù)特定命名規(guī)則，以“S-KL1-b×h-C-梁”的形式進(jìn)行命名保存。柱子頂部與滑道板面連接處，由于賽道基準(zhǔn)面是光滑的曲面，與常規(guī)柱子和板的剪切關(guān)系不同，柱子頂部需要與滑道板面的弧度相吻合，一般可采用兩種方式。在三維視圖或立面視圖中，通過(guò)洞口剪切命令，拾取柱子與板相交的面，沿著柱子多于板面的部分進(jìn)行繪制剪切的輪廓，這樣柱子將和板面形成完美剪切。然而這種方式對(duì)于規(guī)模較大的項(xiàng)目，工程量大，需要逐根進(jìn)行調(diào)整。本工程由于主體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用另一種自建族的方式進(jìn)行繪制。利用“拉伸”命令，根據(jù)圖紙中柱子截面尺寸繪制柱截面。使用“空心放樣”命令在立面視圖中，繪制需要剪切的部分，同時(shí)對(duì)柱子的高度賦予參數(shù)，使其可以進(jìn)行高度調(diào)整，同樣以特定的命名規(guī)則進(jìn)行命名保存。相比于第一種方式，減少了工程量，不用對(duì)每一根柱子進(jìn)行修改剪切，提高建模效率。將圖紙中所需要的異形構(gòu)件，通過(guò)新建族的方式進(jìn)行繪制，建立參數(shù)化族庫(kù)(圖6)，對(duì)于截面相同的構(gòu)件通過(guò)改變參數(shù)減少重復(fù)性建模，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件模型批量修改、一模多用，提高建模效率。繪制滑道模型時(shí)，通過(guò)載入族的方式，從新建參數(shù)化族庫(kù)中選取相對(duì)應(yīng)的構(gòu)件將其載入到模型中。3.3保護(hù)板可視化程度低本工程滑道區(qū)采用混凝土和鋼結(jié)構(gòu)組合體系，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。傳統(tǒng)二維圖紙可視化程度低，使設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖無(wú)法有效直觀地表達(dá)出來(lái)。利用BIM技術(shù)三維可視化特點(diǎn)，將復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)通過(guò)三維模型、動(dòng)態(tài)模擬展示出來(lái)，有效傳遞圖紙的設(shè)計(jì)意圖，使現(xiàn)場(chǎng)施工人員清晰明了。3.3.1鋼結(jié)構(gòu)模擬分析滑道區(qū)側(cè)翼為鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體曲線弧度與滑道板曲面弧度相近，鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)如圖7所示，由變截面鋼梁與斜鋼柱進(jìn)行焊接，鋼梁另一端為鋼骨梁工字型梁腹板伸入箱型梁內(nèi)。本工程選用TeklaStructures對(duì)鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，提高模型精度通過(guò)建立與Revit模型中相對(duì)應(yīng)的軸網(wǎng)標(biāo)高，保證軟件間模型相互轉(zhuǎn)化，根據(jù)節(jié)點(diǎn)詳圖選定構(gòu)件的截面尺寸和材質(zhì)，創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)螺栓排布、焊縫、灌漿孔等部位進(jìn)行精細(xì)化建模，如圖8所示。將建好Tekla模型輸出IFC格式，導(dǎo)入Revit軟件中進(jìn)行合模，通過(guò)三維模型(圖9)動(dòng)態(tài)觀察，能夠直觀地表達(dá)出其空間結(jié)構(gòu)以及空間搭接位置，細(xì)化鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)連接部位鋼筋排布、穿插等形式。將建好的Tekla模型生成構(gòu)件布置圖，對(duì)圖紙中尺寸標(biāo)注、焊縫標(biāo)注等方面進(jìn)行修改調(diào)整，深化設(shè)計(jì)圖紙。同時(shí)生成滑道側(cè)翼鋼結(jié)構(gòu)立面圖紙(圖10、圖11)，將數(shù)字信息模型與圖紙相銜接，對(duì)于工程設(shè)計(jì)變更，只需對(duì)模型進(jìn)行修改，相關(guān)圖紙文件會(huì)相應(yīng)更新。與原有的設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比，大大減少圖紙?jiān)O(shè)計(jì)問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)效率。3.3.2鋼筋綁扎施工模擬本工程鋼筋數(shù)量多、種類多、排布密集、構(gòu)造復(fù)雜，相比于傳統(tǒng)二維圖紙審圖的方式，應(yīng)用BIM三維可視化進(jìn)行設(shè)計(jì)交底，對(duì)鋼筋節(jié)點(diǎn)進(jìn)行碰撞檢查，可以檢查圖紙?jiān)O(shè)計(jì)是否合理，使現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員更直觀清晰地了解鋼筋排布空間位置、連接部位處的鋼筋穿插形式，避免出現(xiàn)因鋼筋綁扎錯(cuò)誤造成材料浪費(fèi)、延誤工期等現(xiàn)象?；辣砻娉是€型，異形結(jié)構(gòu)較多，以C27/CC軸斜梁與橫梁連接節(jié)點(diǎn)處鋼筋排布為例，利用BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。在平面視圖中利用“鋼筋”命令，按照梁配筋圖紙和鋼筋規(guī)范選擇相應(yīng)的鋼筋品種、鋼筋規(guī)格，確定排布間距和數(shù)量、起點(diǎn)終點(diǎn)彎鉤角度創(chuàng)建鋼筋模型將優(yōu)化后的鋼筋三維模型導(dǎo)入Fuzor軟件中，對(duì)鋼筋綁扎施工工藝進(jìn)行模擬。對(duì)于梁鋼筋的綁扎按照先布置主次梁箍筋，再布置穿主梁底層縱筋及彎起筋、穿次梁底層縱向筋并與箍筋固定綁扎，然后布置穿主梁上層縱向架立筋，并按箍筋間距進(jìn)行綁扎，最后布置穿次梁上層縱向筋，按照箍筋間距綁扎牢固的工序進(jìn)行模擬施工。通過(guò)對(duì)鋼筋綁扎進(jìn)行施工模擬，優(yōu)化鋼筋綁扎設(shè)計(jì)方案，以動(dòng)畫的方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行三維可視化技術(shù)交底，可以更加有效直觀地了解鋼筋綁扎過(guò)程，避免出現(xiàn)施工錯(cuò)誤，影響工程質(zhì)量，延誤工期3.4利用bim進(jìn)行工本模式的輸出本工程滑道區(qū)大跨度異形結(jié)構(gòu)較多，采用傳統(tǒng)人工算量的方式，不僅工程量大，而且精確度低。利用BIM技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化建模，在Revit軟件中通過(guò)創(chuàng)建明細(xì)表，不僅可以將構(gòu)件的材料用量、截面尺寸、截面形狀等參數(shù)信息通過(guò)報(bào)表輸出，也可以提取結(jié)構(gòu)材質(zhì)相關(guān)參數(shù)信息。同時(shí)，可將計(jì)算公式添加到明細(xì)表中，便于對(duì)特定參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)算量。應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，不僅提高工程量統(tǒng)計(jì)的精準(zhǔn)度，還有助于設(shè)計(jì)人員通過(guò)輸出的明細(xì)表并結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)工程量存有疑問(wèn)的構(gòu)件實(shí)現(xiàn)快速定位。在施工前根據(jù)輸出的報(bào)表對(duì)工程進(jìn)度、工程材料的選用預(yù)先判斷做出最優(yōu)方案，能夠節(jié)約工程成本，減少不必要浪費(fèi)，提高工程效率。4構(gòu)建復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)棧道模型針對(duì)國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心項(xiàng)目工程特點(diǎn)及難點(diǎn)，引入BIM技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)本工程設(shè)計(jì)階段進(jìn)行如下應(yīng)用:(1)根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合賽道工程特點(diǎn)，制定本工程的《國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心數(shù)字化建模標(biāo)準(zhǔn)》。(2)通過(guò)將Revit軟件和Dynamo可視化編程插件相結(jié)合，根據(jù)賽道曲面計(jì)算公式，快速精準(zhǔn)建立復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)賽道模型，并建立參數(shù)化族庫(kù)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件模型批量放置、一模多用，提高賽道工程建模效率，為今后此類工程模型創(chuàng)建提供技術(shù)思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。(3)利用BIM技術(shù)的可視化、可