基于bim技术的复杂钢结构山区车道工程方案设计研究

基于bim技术的复杂钢结构山区车道工程方案设计研究

0空间异形结构的建筑应用bim技术2015年7月31日，中国成功申请2020年冬季奥运会，冬季冰雪运动场项目已成为我们的研究和发展方向。冰雪赛道往往多建于山体间，由于山区工程的特殊性，山体间存在较多的不规则结构，同时赛道空间结构复杂，异形结构较多，既要保证赛道基准面的光滑平整，又要和山体地形实际情况相结合，这使得赛道工程的设计和施工较为困难。随着信息化时代推进，科技创新步伐加快，建筑信息模型(BIM)技术在建筑行业应用广泛，越来越多的建筑相关专业人士针对空间曲面结构的建筑应用BIM技术进行研究，并取得了一定的研究成果。王勇等本文将BIM技术应用于山区赛道工程，利用BIM技术可视化、参数化、可出图性的特点，通过将Revit软件和Dynamo可视化编程插件相结合，对空间复杂曲面结构的赛道模型进行精细化建模。同时利用BIM相关软件对复杂节点进行深化设计，输出设计图纸。因此，引入BIM技术实现数字化协同设计已成为山区赛道工程的发展趋势1杨树村东南角区域概况张家口奥林匹克体育公园国家跳台滑雪中心项目位于河北省张家口市崇礼区太子城冰雪小镇枯杨树村西侧，主体建筑由上部出发区、中部滑道区以及下部看台区组成，总建筑面积约为24209.3m中部滑道区是滑雪跳台的重要组成，其主体结构采用混凝土框架结构，两侧为钢结构侧翼，基础形式为桩基承台。本文将以滑雪跳台滑道区为重点，应用BIM技术进行深入研究。2大尺寸空间异形结构国家跳台滑雪中心坐落于谷状山坡之上，山体陡峭、地形复杂，存在不确定因素，对工程设计造成一定的困难;同时工期紧、任务重。本工程设计难点如下:(1)中部滑道区空间结构复杂，滑道主体是光滑的曲面，异形结构较多(图2、图3)，使用传统的CAD设计往往不能很好地将其空间结构表达出来;(2)滑道板跨度大、标高点多，板面弧度不宜控制，赛道基准面的光滑平整是影响比赛效果的关键;(3)滑道侧翼为钢结构，节点复杂，同时滑道区钢筋数量多、种类多，钢筋排布密集，节点处钢筋冲突碰撞不及时解决，不仅会造成施工返工、材料浪费，更会影响工程进度和质量。因此，实现精细化设计，保证赛道平整度，对复杂节点进行深化设计，提高设计图纸质量，是本工程重点需要解决的问题。3在项目中应用生物技术3.1跳台-4数字化建模标准目前我国尚无赛道类工程数字化模型标准。而赛道工程从设计、建造到运维各项工作中的信息集成数据大部分来源于数字化模型，为保证模型质量，实现BIM技术应用效果，在应用中必须遵守一定的建模原则及标准。根据GB/T51301-2018《建筑信息模型设计交付标准》、GB/T51235-2017《建筑信息模型施工应用标准》、GB19079.6-2013《体育场所开放条件与技术要求第6部分:滑雪场所》等规范的要求，特制定本工程的《国家跳台滑雪中心数字化建模标准》，主要包括赛道建模基本规定、模型细度、模型文件命名规则、色彩规定、BIM成果创建标准等信息;细化本项目的数字化模型的交付标准，制定赛道工程的竣工模型信息交付标准等。3.2法有效表达各构件之间的空间关系本工程滑道区主体结构复杂，异形结构较多，通过传统CAD设计并利用二维图纸审图的方式，无法有效直观地表达出各构件之间的空间关系。将BIM技术引入工程设计阶段，利用BIM相关软件根据山体地形地貌和赛道的曲面计算公式，建立数字化信息模型，通过三维模型能够精准地表达出复杂的空间结构，并利用BIM技术可出图的特性生成设计图纸，在施工前进行可视化设计交底3.2.1地形协同不同深化山区赛道工程不同于其他工程，由于主体建筑结构建于山体之间，地形复杂，山体间存在不确定因素，设计方无法准确掌握实际情况，导致赛道设计图纸可能会与实际工程存在冲突。利用Revit软件将地形图纸按照比例进行缩放，导入软件视图中，根据地形图中所给高程点确定各地层标高，并按照等高线分别绘制各高程处地形轮廓，建立山体模型，如图4所示。建立山体模型不仅可以使设计人员通过三维模型动态观察，将山体及周边环境融入到赛道设计中，减少图纸设计中可能出现的问题，同时对于土方开挖，使技术人员直观了解现场环境，优化开挖方案，避免因返工造成的工期延误。3.2.2dynamo简介滑道区是国家跳台滑雪中心的重要组成，滑道主体结构采用混凝土框架结构，外观是光滑的曲面，保证赛道基准面的平整度、控制标高点是建模的关键。由于滑道板跨度大、标高点多，若利用Revit软件直接绘制异形曲面结构模型，存在建模难、效率低等问题。而Dynamo作为Revit软件中的一个插件，通过可视化编程，结合滑道曲面计算公式快速、精准创建模型(图5)。通过Dynamo创建滑道曲面模型，为保证与Revit软件之间实现无缝衔接，保证编程建模过程Dynamo软件能够平稳运行，应在同一个项目样板中创建滑道模型若由于设计图纸变更或其他问题，需要对滑道曲面模型进行修改时，我们只需要在Dynamo文件中对相应的曲面计算参数进行修改并运行，Revit都会在Dynamo的驱动下进行快速反应，有助于提高建模效率。通过Dynamo可视化编程，实现空间复杂曲面结构快速精准建模，为今后赛道工程中赛道模型的创建提供技术思路和实践经验。3.2.3利用特定命名规则进行命名保存整个滑雪跳台依山而建，异形结构较多，滑道区主体结构的梁、柱大多是异形构件，Revit软件中自带的常规族库已无法满足建模需求。对于截面不同并带有角度的斜梁，通过新建族文件，将CAD图纸导入Revit软件中，利用“放样”命令先设置一个新的工作平面，通过拾取一个立面，在立面视图中根据导入的CAD图纸按照不同梁截面尺寸分别绘制构件路径及截面。再通过编辑梁的属性族类别，添加材质、截面尺寸等参数，根据特定命名规则，以“S-KL1-b×h-C-梁”的形式进行命名保存。柱子顶部与滑道板面连接处，由于赛道基准面是光滑的曲面，与常规柱子和板的剪切关系不同，柱子顶部需要与滑道板面的弧度相吻合，一般可采用两种方式。在三维视图或立面视图中，通过洞口剪切命令，拾取柱子与板相交的面，沿着柱子多于板面的部分进行绘制剪切的轮廓，这样柱子将和板面形成完美剪切。然而这种方式对于规模较大的项目，工程量大，需要逐根进行调整。本工程由于主体结构复杂，采用另一种自建族的方式进行绘制。利用“拉伸”命令，根据图纸中柱子截面尺寸绘制柱截面。使用“空心放样”命令在立面视图中，绘制需要剪切的部分，同时对柱子的高度赋予参数，使其可以进行高度调整，同样以特定的命名规则进行命名保存。相比于第一种方式，减少了工程量，不用对每一根柱子进行修改剪切，提高建模效率。将图纸中所需要的异形构件，通过新建族的方式进行绘制，建立参数化族库(图6)，对于截面相同的构件通过改变参数减少重复性建模，实现构件模型批量修改、一模多用，提高建模效率。绘制滑道模型时，通过载入族的方式，从新建参数化族库中选取相对应的构件将其载入到模型中。3.3保护板可视化程度低本工程滑道区采用混凝土和钢结构组合体系，空间结构复杂。传统二维图纸可视化程度低，使设计人员的设计意图无法有效直观地表达出来。利用BIM技术三维可视化特点，将复杂节点的空间结构通过三维模型、动态模拟展示出来，有效传递图纸的设计意图，使现场施工人员清晰明了。3.3.1钢结构模拟分析滑道区侧翼为钢结构，结构整体曲线弧度与滑道板曲面弧度相近，钢结构复杂节点如图7所示，由变截面钢梁与斜钢柱进行焊接，钢梁另一端为钢骨梁工字型梁腹板伸入箱型梁内。本工程选用TeklaStructures对钢结构复杂节点进行深化设计，提高模型精度通过建立与Revit模型中相对应的轴网标高，保证软件间模型相互转化，根据节点详图选定构件的截面尺寸和材质，创建钢结构模型，并对螺栓排布、焊缝、灌浆孔等部位进行精细化建模，如图8所示。将建好Tekla模型输出IFC格式，导入Revit软件中进行合模，通过三维模型(图9)动态观察，能够直观地表达出其空间结构以及空间搭接位置，细化钢筋和钢结构加强连接部位钢筋排布、穿插等形式。将建好的Tekla模型生成构件布置图，对图纸中尺寸标注、焊缝标注等方面进行修改调整，深化设计图纸。同时生成滑道侧翼钢结构立面图纸(图10、图11)，将数字信息模型与图纸相衔接，对于工程设计变更，只需对模型进行修改，相关图纸文件会相应更新。与原有的设计系统相比，大大减少图纸设计问题，提高设计效率。3.3.2钢筋绑扎施工模拟本工程钢筋数量多、种类多、排布密集、构造复杂，相比于传统二维图纸审图的方式，应用BIM三维可视化进行设计交底，对钢筋节点进行碰撞检查，可以检查图纸设计是否合理，使现场施工技术人员更直观清晰地了解钢筋排布空间位置、连接部位处的钢筋穿插形式，避免出现因钢筋绑扎错误造成材料浪费、延误工期等现象。滑道表面呈曲线型，异形结构较多，以C27/CC轴斜梁与横梁连接节点处钢筋排布为例，利用BIM技术进行深化设计。在平面视图中利用“钢筋”命令，按照梁配筋图纸和钢筋规范选择相应的钢筋品种、钢筋规格，确定排布间距和数量、起点终点弯钩角度创建钢筋模型将优化后的钢筋三维模型导入Fuzor软件中，对钢筋绑扎施工工艺进行模拟。对于梁钢筋的绑扎按照先布置主次梁箍筋，再布置穿主梁底层纵筋及弯起筋、穿次梁底层纵向筋并与箍筋固定绑扎，然后布置穿主梁上层纵向架立筋，并按箍筋间距进行绑扎，最后布置穿次梁上层纵向筋，按照箍筋间距绑扎牢固的工序进行模拟施工。通过对钢筋绑扎进行施工模拟，优化钢筋绑扎设计方案，以动画的方式对现场施工人员进行三维可视化技术交底，可以更加有效直观地了解钢筋绑扎过程，避免出现施工错误，影响工程质量，延误工期3.4利用bim进行工本模式的输出本工程滑道区大跨度异形结构较多，采用传统人工算量的方式，不仅工程量大，而且精确度低。利用BIM技术进行精细化建模，在Revit软件中通过创建明细表，不仅可以将构件的材料用量、截面尺寸、截面形状等参数信息通过报表输出，也可以提取结构材质相关参数信息。同时，可将计算公式添加到明细表中，便于对特定参数进行统计算量。应用BIM技术进行工程量统计，不仅提高工程量统计的精准度，还有助于设计人员通过输出的明细表并结合设计图纸，对工程量存有疑问的构件实现快速定位。在施工前根据输出的报表对工程进度、工程材料的选用预先判断做出最优方案，能够节约工程成本，减少不必要浪费，提高工程效率。4构建复杂曲面结构栈道模型针对国家跳台滑雪中心项目工程特点及难点，引入BIM技术进行数字化协同设计，对本工程设计阶段进行如下应用:(1)根据国家相关标准规范，结合赛道工程特点，制定本工程的《国家跳台滑雪中心数字化建模标准》。(2)通过将Revit软件和Dynamo可视化编程插件相结合，根据赛道曲面计算公式，快速精准建立复杂曲面结构赛道模型，并建立参数化族库，实现构件模型批量放置、一模多用，提高赛道工程建模效率，为今后此类工程模型创建提供技术思路和实践经验。(3)利用BIM技术的可视化、可