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，中國成功申請2020年冬季奧運會，冬季冰雪運動場項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，又要和山體地形實際情況相結(jié)合，這使得賽道工程的設(shè)計和施工較為困難。隨著信息化時代推進(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，越來越多的建筑相關(guān)專業(yè)人士針對空間曲面結(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，通過將Revit軟件和Dynamo可視化編程插件相結(jié)合，對空間復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的賽道模型進(jìn)行精細(xì)化建模。同時利用BIM相關(guān)軟件對復(fù)雜節(jié)點進(jìn)行深化設(shè)計，輸出設(shè)計圖紙。因此，引入BIM技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計已成為山區(qū)賽道工程的發(fā)展趨勢1楊樹村東南角區(qū)域概況張家口奧林匹克體育公園國家跳臺滑雪中心項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)以及下部看臺區(qū)組成，總建筑面積約為24209.3m中部滑道區(qū)是滑雪跳臺的重要組成，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。本文將以滑雪跳臺滑道區(qū)為重點，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)國家跳臺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，對工程設(shè)計造成一定的困難;同時工期緊、任務(wù)重。本工程設(shè)計難點如下:(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)計往往不能很好地將其空間結(jié)構(gòu)表達(dá)出來;(2)滑道板跨度大、標(biāo)高點多，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)點復(fù)雜，同時滑道區(qū)鋼筋數(shù)量多、種類多，鋼筋排布密集，節(jié)點處鋼筋沖突碰撞不及時解決，不僅會造成施工返工、材料浪費，更會影響工程進(jìn)度和質(zhì)量。因此，實現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計，保證賽道平整度，對復(fù)雜節(jié)點進(jìn)行深化設(shè)計，提高設(shè)計圖紙質(zhì)量，是本工程重點需要解決的問題。3在項目中應(yīng)用生物技術(shù)3.1跳臺-4數(shù)字化建模標(biāo)準(zhǔn)目前我國尚無賽道類工程數(shù)字化模型標(biāo)準(zhǔn)。而賽道工程從設(shè)計、建造到運維各項工作中的信息集成數(shù)據(jù)大部分來源于數(shù)字化模型，為保證模型質(zhì)量，實現(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《體育場所開放條件與技術(shù)要求第6部分:滑雪場所》等規(guī)范的要求，特制定本工程的《國家跳臺滑雪中心數(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，通過傳統(tǒng)CAD設(shè)計并利用二維圖紙審圖的方式，無法有效直觀地表達(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算公式，建立數(shù)字化信息模型，通過三維模型能夠精準(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)計圖紙，在施工前進(jìn)行可視化設(shè)計交底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)計方無法準(zhǔn)確掌握實際情況，導(dǎo)致賽道設(shè)計圖紙可能會與實際工程存在沖突。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)計人員通過三維模型動態(tài)觀察，將山體及周邊環(huán)境融入到賽道設(shè)計中，減少圖紙設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題，同時對于土方開挖，使技術(shù)人員直觀了解現(xiàn)場環(huán)境，優(yōu)化開挖方案，避免因返工造成的工期延誤。3.2.2dynamo簡介滑道區(qū)是國家跳臺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)高點是建模的關(guān)鍵。由于滑道板跨度大、標(biāo)高點多，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、效率低等問題。而Dynamo作為Revit軟件中的一個插件，通過可視化編程，結(jié)合滑道曲面計算公式快速、精準(zhǔn)創(chuàng)建模型(圖5)。通過Dynamo創(chuàng)建滑道曲面模型，為保證與Revit軟件之間實現(xiàn)無縫銜接，保證編程建模過程Dynamo軟件能夠平穩(wěn)運行，應(yīng)在同一個項目樣板中創(chuàng)建滑道模型若由于設(shè)計圖紙變更或其他問題，需要對滑道曲面模型進(jìn)行修改時，我們只需要在Dynamo文件中對相應(yīng)的曲面計算參數(shù)進(jìn)行修改并運行，Revit都會在Dynamo的驅(qū)動下進(jìn)行快速反應(yīng)，有助于提高建模效率。通過Dynamo可視化編程，實現(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)思路和實踐經(jīng)驗。3.2.3利用特定命名規(guī)則進(jìn)行命名保存整個滑雪跳臺依山而建，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)族庫已無法滿足建模需求。對于截面不同并帶有角度的斜梁，通過新建族文件，將CAD圖紙導(dǎo)入Revit軟件中，利用“放樣”命令先設(shè)置一個新的工作平面，通過拾取一個立面，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。然而這種方式對于規(guī)模較大的項目，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，同時對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，通過新建族的方式進(jìn)行繪制，建立參數(shù)化族庫(圖6)，對于截面相同的構(gòu)件通過改變參數(shù)減少重復(fù)性建模，實現(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，通過載入族的方式，從新建參數(shù)化族庫中選取相對應(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)計人員的設(shè)計意圖無法有效直觀地表達(dá)出來。利用BIM技術(shù)三維可視化特點，將復(fù)雜節(jié)點的空間結(jié)構(gòu)通過三維模型、動態(tài)模擬展示出來，有效傳遞圖紙的設(shè)計意圖，使現(xiàn)場施工人員清晰明了。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對鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點進(jìn)行深化設(shè)計，提高模型精度通過建立與Revit模型中相對應(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，通過三維模型(圖9)動態(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)計圖紙。同時生成滑道側(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，對于工程設(shè)計變更，只需對模型進(jìn)行修改，相關(guān)圖紙文件會相應(yīng)更新。與原有的設(shè)計系統(tǒng)相比，大大減少圖紙設(shè)計問題，提高設(shè)計效率。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)計交底，對鋼筋節(jié)點進(jìn)行碰撞檢查，可以檢查圖紙設(shè)計是否合理，使現(xiàn)場施工技術(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)因鋼筋綁扎錯誤造成材料浪費、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)點處鋼筋排布為例，利用BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計。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、起點終點彎鉤角度創(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，對鋼筋綁扎施工工藝進(jìn)行模擬。對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。通過對鋼筋綁扎進(jìn)行施工模擬，優(yōu)化鋼筋綁扎設(shè)計方案，以動畫的方式對現(xiàn)場施工人員進(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程，避免出現(xiàn)施工錯誤，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)信息通過報表輸出，也可以提取結(jié)構(gòu)材質(zhì)相關(guān)參數(shù)信息。同時，可將計算公式添加到明細(xì)表中，便于對特定參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計算量。應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行工程量統(tǒng)計，不僅提高工程量統(tǒng)計的精準(zhǔn)度，還有助于設(shè)計人員通過輸出的明細(xì)表并結(jié)合設(shè)計圖紙，對工程量存有疑問的構(gòu)件實現(xiàn)快速定位。在施工前根據(jù)輸出的報表對工程進(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，提高工程效率。4構(gòu)建復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)棧道模型針對國家跳臺滑雪中心項目工程特點及難點，引入BIM技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，對本工程設(shè)計階段進(jìn)行如下應(yīng)用:(1)根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合賽道工程特點，制定本工程的《國家跳臺滑雪中心數(shù)字化建模標(biāo)準(zhǔn)》。(2)通過將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，實現(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)思路和實踐經(jīng)驗。(3)利用BIM技術(shù)的可視化、可