BIM鋼結(jié)構(gòu)景觀塔設(shè)計(jì)淺析

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摘要:鋼結(jié)構(gòu)景觀塔是非常適合自然風(fēng)景區(qū)的一種高聳結(jié)構(gòu)，景觀塔上裝設(shè)包括景觀裝飾球體、外立面飄帶板、各行業(yè)通信天線及其安裝平臺(tái)和休息平臺(tái)。采用bim建立三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅包含了景觀塔的設(shè)計(jì)信息，而且可容納從設(shè)計(jì)到建成使用，甚至使用周期全過(guò)程信息。基于BIM鋼結(jié)構(gòu)景觀塔設(shè)計(jì)，有助于施工與設(shè)計(jì)的一致性，維護(hù)與運(yùn)行的一致性，拆除和改造的一致性等，避免信息不對(duì)稱帶來(lái)的工程問(wèn)題。如何通過(guò)參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，對(duì)提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期，是一個(gè)重要的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:景觀塔;高聳結(jié)構(gòu);信息模型

目前，鋼結(jié)構(gòu)景觀塔工程由于工程體量較小，因而在新技術(shù)、新方法等方面研究較少，仍處于粗放式增長(zhǎng)階段。具體體現(xiàn)在以下方面:在設(shè)計(jì)階段，新建景觀塔需要通過(guò)人工多次現(xiàn)場(chǎng)查勘才能確定設(shè)計(jì)方案，嚴(yán)重浪費(fèi)人員配置，增加工程成本等;在加工制作及施工階段，由于主觀原因或客觀原因，導(dǎo)致各種工程質(zhì)量問(wèn)題，致使鋼結(jié)構(gòu)景觀塔出現(xiàn)安全隱患或推遲交付時(shí)間等。采用數(shù)字信息化的鋼結(jié)構(gòu)景觀塔建筑信息模型、施工信息模型，可針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行高效解決，不僅提高各參建單位的工作效率，更能為工程節(jié)約投資。本景觀塔塔高54m，內(nèi)部為一獨(dú)立圓柱管塔，外部設(shè)置按照三塊圍護(hù)飄板考慮，頂部設(shè)一直徑7m的裝飾球體，代表“三龍戲珠”，塔體設(shè)置內(nèi)爬梯，塔頂設(shè)置避雷針。用BIM直接出具的效果圖及結(jié)構(gòu)立面總圖如圖1，圖2所示。

1BIM軟件

建筑行業(yè)較為常用的BIM軟件平臺(tái)主要有Au-todesk，Bentley，DassaultSystems和Graphisoft，其占據(jù)了建筑行業(yè)BIM軟件的多數(shù)份額。國(guó)內(nèi)多家公司基于各BIM軟件平臺(tái)開發(fā)的二次軟件也在不斷發(fā)展與完善。Autodesk公司提供的Revit軟件包含了建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電三個(gè)專業(yè)，適合于民用建筑使用［1］。Bentley公司提供的建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備系列產(chǎn)品在工業(yè)設(shè)施和市政基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)廣泛用于工業(yè)設(shè)施。Gra-phisoft公司提供的ArchiCAD定位于建筑學(xué)專業(yè)軟件，缺乏其他專業(yè)的相關(guān)軟件，較為單一，使用者較少。Das-sault公司提供的CATIA是全球最高端的機(jī)械設(shè)計(jì)制造軟件，在航空、汽車等領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。本文采用Autodesk發(fā)布的revit軟件對(duì)某鋼結(jié)構(gòu)景觀塔信息模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2應(yīng)用思路

鋼結(jié)構(gòu)景觀由塔體、裝飾球體、外圍護(hù)飄板及基礎(chǔ)組成，以塔體和外裝飾作為主要載體。

2．1塔體

鋼結(jié)構(gòu)塔體是景觀塔工程中最主要的構(gòu)成部分，主要包含結(jié)構(gòu)、設(shè)備兩部分，塔體屬于高聳鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)繪制復(fù)雜。實(shí)際應(yīng)用中采用RevitStructure及基于平臺(tái)開發(fā)的插件進(jìn)行創(chuàng)建，對(duì)于復(fù)雜的鐵塔節(jié)點(diǎn)采用鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)深化設(shè)計(jì)軟件Tekla進(jìn)行創(chuàng)建，塔體空間模型如圖3，圖4所示。

2．2外裝飾

外裝飾球體及外圍護(hù)飄板與常見工業(yè)及民用建筑相比，體量非常小，設(shè)計(jì)的功能也較為單一，采用AutodeskRevit即滿足模型創(chuàng)建要求，外裝飾球體模型見圖5，圖6。

2．3基礎(chǔ)

景觀塔為上部結(jié)構(gòu)，需要設(shè)置在基礎(chǔ)之上?；A(chǔ)采用AutodeskRevit實(shí)現(xiàn)建筑信息模型建立，復(fù)雜基礎(chǔ)通過(guò)創(chuàng)建族文件，景觀塔基礎(chǔ)模型如圖7，圖8所示。

3BIM在鋼結(jié)構(gòu)景觀塔設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

3．1模型參數(shù)化

鋼結(jié)構(gòu)景觀塔主要由塔基、塔體、裝飾球體、外圍飄帶板及復(fù)雜構(gòu)件組成，每個(gè)構(gòu)件都有各自的特定作用，采用Revit建立模型并進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)塔體為格構(gòu)式，各構(gòu)件采用標(biāo)準(zhǔn)型鋼組成，采用軟件提供的各種型鋼文件建立相應(yīng)的族類型。主塔鋼管之間的連接采用法蘭連接，可采用Revit軟件創(chuàng)建的法蘭單元實(shí)現(xiàn)連接。裝飾球體桿件的連接采用焊接節(jié)點(diǎn)板，建立相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)板單元。鋼結(jié)構(gòu)景觀塔采用鋼管作為塔體主要材料，圓形截面風(fēng)荷載系數(shù)小，不易破壞，可降低維護(hù)成本。塔型隨風(fēng)荷載曲線變化設(shè)計(jì)，線條流暢，每個(gè)塔段頂部與底部寬度不同，使得Revit建模要考慮斜柱的形成，鋼結(jié)構(gòu)景觀塔空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)方式比較困難。景觀塔結(jié)構(gòu)采用的構(gòu)件截面主要是圓鋼管截面，主要桿件截面分布如表1所示。本文采用基于Revit平臺(tái)開發(fā)的插件功能進(jìn)行建模。采用Excel表格編制公式可計(jì)算出各個(gè)桁架節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，整理并設(shè)置構(gòu)件類型等數(shù)據(jù)，最后通過(guò)插件的“基于Excel生產(chǎn)模型”功能，生成建筑信息模型。塔柱傾斜段可通過(guò)調(diào)整圓管柱成斜柱的方式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)保證上下法蘭的對(duì)接性，最終完成塔身模型參數(shù)化。

3．2建立族文件

組成鋼結(jié)構(gòu)景觀塔的族多種多樣，主要包含了:塔身、球體骨架、外飄帶支架、避雷針、爬梯、地腳螺栓、法蘭、附屬構(gòu)件等。組合構(gòu)件零件數(shù)量較多，不適合在一個(gè)族文件中全部新建繪制，將各零件分別新建族，然后嵌套至主體族中形成組合構(gòu)件。

3．3數(shù)據(jù)互導(dǎo)

SAP2000軟件完成景觀塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并同Re-vit采用接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)互導(dǎo)及更新，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型采用空間模型(見圖9，圖10)。鐵塔上的荷載和作用力可分為兩類:永久荷載、可變荷載。永久荷載主要包括鐵塔自重、裝飾球及裝飾飄帶自重、平臺(tái)及設(shè)備自重?？勺兒奢d有風(fēng)荷載、安裝檢修荷載、塔上平臺(tái)活荷載、地震作用、裹冰荷載和溫度作用等。具體分類如表2所示。各荷載組合分別表示為:標(biāo)準(zhǔn)組合、基本組合，荷載取值及組合按GB50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范和GB50135—2019高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［2］。鐵塔在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下，按非線性方法分析，塔上任意點(diǎn)的水平位移不應(yīng)大于該點(diǎn)離地高度的1/50。塔頂位移見圖11。以風(fēng)荷載為主的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的計(jì)算結(jié)果為:528．7mm＜150h=150×54000=1080．0mm，滿足GB50135—2019高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)塔頂部水平位移限制的要求。鐵塔結(jié)構(gòu)桿件截面驗(yàn)算及桿件材料利用率如圖12，圖13所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)桿件的材料利用率在0．92以下，構(gòu)件具有一定的安全儲(chǔ)備。通過(guò)對(duì)塔身段橫向連接焊縫強(qiáng)度計(jì)算、塔身段內(nèi)法蘭螺栓的計(jì)算、桿件拼接外法蘭螺栓的計(jì)算以及塔底法蘭盤與錨栓的計(jì)算，對(duì)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，部分節(jié)點(diǎn)通過(guò)Revit設(shè)計(jì)如圖14～圖17所示。

4主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

基于BIM景觀塔模型，可以在Revit中列出工程量清單，鐵塔重量及基礎(chǔ)混凝土方量等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表3所示。

5設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及處理

5．1難點(diǎn)

飄帶板采用鋁單板，由于造型的影響，兩千多塊鋁單板沒有兩塊是相同的，為了完美體現(xiàn)景觀塔的效果，需在飄帶板上預(yù)留LED燈帶孔，飄帶板的分格既要滿足加工制作的要求又要滿足燈帶孔的布置是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)［3－4］。直徑7m的頂部裝飾球是套設(shè)在直徑1．6m的主塔管上的，考慮了防腐及耐候的因素，裝飾球體骨架需熱鍍鋅處理，且球體直徑較大，遠(yuǎn)超過(guò)鍍鋅槽的尺寸，加上主塔管也需熱鍍鋅處理，施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法進(jìn)行裝飾球體與主塔管焊接，只能采用螺栓拼接，裝飾球體骨架如何拆分成可熱鍍鋅部件，又能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)組裝滿足承載力及正常使用要求也是一個(gè)難點(diǎn)。

5．2處理方案

三圍護(hù)飄帶板的設(shè)計(jì)用Revit對(duì)飄帶板進(jìn)行分格及預(yù)留LED燈孔設(shè)計(jì)，在保證三維模型正確的基礎(chǔ)上，生成每一塊飄帶鋁板的報(bào)表數(shù)控切割文件，服務(wù)于構(gòu)件的加工制作。關(guān)于裝飾球體的設(shè)計(jì)，用Revit對(duì)球體進(jìn)行分區(qū)，球體1、球體2扇形角度為40°，球體3、球體4扇形角度為20°，球體共分為12扇，部件的外輪廓尺寸能順利的進(jìn)行熱鍍鋅。支撐管套件為1/2的φ299mm鋼管，上下焊接連接板，用M20螺栓擰緊。每扇球體件采用M20螺栓連接，球扇上下焊接扇形法蘭與主柱法蘭用M20連接，扇區(qū)分布如圖18所示。通過(guò)Revit三維建模，消除構(gòu)件碰撞隱患;實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互導(dǎo)并開展施工過(guò)程仿真分析，消除吊裝過(guò)程中的安全隱患。通過(guò)Revit創(chuàng)建球體骨架及連接的模型，并自動(dòng)生成鋼結(jié)構(gòu)詳圖和各種報(bào)表，保證三維模型正確的基礎(chǔ)上，自動(dòng)生成各種報(bào)表和數(shù)控切割文件，為物資采購(gòu)提供準(zhǔn)確的材料清單，并為竣工驗(yàn)收提供詳細(xì)技術(shù)資料。生成構(gòu)件安裝布置圖，安裝布置圖為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件吊裝與連接的圖紙，生成的安裝圖紙，包括構(gòu)件的平面布置圖，立面圖、剖面圖、節(jié)點(diǎn)大樣圖、構(gòu)件編號(hào)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)等內(nèi)容，同時(shí)還包括了詳細(xì)的構(gòu)件信息表，清晰的表達(dá)構(gòu)件編號(hào)、材質(zhì)、外形尺寸、重量等重要信息，滿足鋼結(jié)構(gòu)景觀塔工程按圖精確施工的要求［5－8］。

6BIM實(shí)施的亮點(diǎn)

6．1設(shè)計(jì)加工制造一體化融合

鋼結(jié)構(gòu)景觀塔項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，結(jié)構(gòu)建模煩瑣，每類構(gòu)件各不相同，搭建模型需花費(fèi)大量的人力和時(shí)間［9－10］。通過(guò)Revit，輸入各族的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，軟件直接生產(chǎn)所需模型，能做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)化、表格化、自動(dòng)化，使設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)效率提供90%，有更多的時(shí)間專注于設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)優(yōu)化。生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)三維模型不僅滿足三維設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)“加工制造級(jí)”的建模精度，直接自動(dòng)生成加工圖、BOM表等數(shù)據(jù)。將BIM信息數(shù)據(jù)延伸至下游的制造業(yè)，指導(dǎo)制造工廠進(jìn)行加工制作，打通設(shè)計(jì)加工制造一體化流程。

6．2模數(shù)分離，提高效率

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，大量建筑模型數(shù)據(jù)需要與模型匹配錄入，人工手動(dòng)錄入不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，而且極易造成數(shù)據(jù)遺漏或錄入錯(cuò)誤。通過(guò)Revit及其插件，實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)錄入程序，可以與Excel數(shù)據(jù)互導(dǎo)互通，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的錄入、提取、修改、查詢等功能。模型搭建過(guò)程中不同步錄入模型的數(shù)據(jù)信息，模型搭建完畢，通過(guò)程序統(tǒng)一進(jìn)行信息錄入。優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程，提高了建模效率，以往采用人工錄入需要四個(gè)小時(shí)，而且容易遺漏和錯(cuò)錄，使用程序，僅半小時(shí)就可以完成數(shù)據(jù)錄入工作。

6．3360°全景式漫游系統(tǒng)

通過(guò)Revit實(shí)現(xiàn)了360°全景式漫游系統(tǒng)，用戶通過(guò)掃描二維碼，即可進(jìn)入項(xiàng)目的虛擬漫游系統(tǒng)。極大地方便了與業(yè)主進(jìn)行設(shè)計(jì)方案交流及展示設(shè)計(jì)成果。用戶可以通過(guò)PC端、移動(dòng)端等多終端進(jìn)行項(xiàng)目的漫游瀏覽。系統(tǒng)無(wú)需安裝客戶端，數(shù)據(jù)吞吐量小，硬件配置要求低。

7結(jié)語(yǔ)

采用與Revit及與Revit實(shí)現(xiàn)雙向關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000，實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)景觀塔的結(jié)構(gòu)建模、內(nèi)力計(jì)算、構(gòu)件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、詳圖設(shè)計(jì)的流程，做到了技術(shù)先進(jìn)、安全美觀、經(jīng)濟(jì)合理，為類似鋼結(jié)構(gòu)景觀的設(shè)計(jì)進(jìn)行了積極探索。

作者:張亮權(quán) 單位:中鋼石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司