BIM在某鐵路專線鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用研究

黃 鸝，李 嫻，張學(xué)輝

(河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

BIM在某鐵路專線鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用研究

黃 鸝，李 嫻，張學(xué)輝

(河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

鋼結(jié)構(gòu)體系本身的復(fù)雜性致使鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工存在一些難點(diǎn)，如CAD設(shè)計(jì)圖紙較難被施工人員讀懂、一些設(shè)計(jì)缺陷在施工過(guò)程中才能被發(fā)現(xiàn)等，嚴(yán)重制約了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。為解決這些問(wèn)題，從研究BIM軟件的建模方法著手，結(jié)合某鐵路專線鋼結(jié)構(gòu)工程，將BIM模型與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行比較，研究了BIM建模在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的作用。結(jié)果表明，BIM軟件給工程設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)極大的便利，將逐步取代傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法。

土木工程設(shè)計(jì)；BIM；鋼結(jié)構(gòu)；Tekla；節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)建筑是由大量鋼構(gòu)件采用焊接或螺栓連接建造而成的一種重要的建筑結(jié)構(gòu)類型。與傳統(tǒng)建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)建筑具有眾多優(yōu)勢(shì)，包括強(qiáng)度高、塑性和韌性好、強(qiáng)重比高、施工速度快、環(huán)保效果好、符合住宅產(chǎn)業(yè)化以及可持續(xù)發(fā)展的要求[1-2]，因此是未來(lái)建筑的發(fā)展方向之一。中共中央國(guó)務(wù)院《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》提出，力爭(zhēng)用10年左右的時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%。《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》要求，到2020年，裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到20%以上，到2025年，裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到50%以上。目前中國(guó)已有30多個(gè)省市陸續(xù)出臺(tái)了裝配式建筑專門的指導(dǎo)意見和相關(guān)配套措施，而鋼結(jié)構(gòu)是裝配式建筑最合理的結(jié)構(gòu)形式，必將迎來(lái)更迅猛的發(fā)展。

然而，由于鋼結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)較多、桿件連接方法復(fù)雜等特性，使鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工存在若干難點(diǎn)，表現(xiàn)在：1)鋼結(jié)構(gòu)圖紙較難看懂，一個(gè)節(jié)點(diǎn)往往要結(jié)合平面、剖面等很多圖紙才能看懂；施工現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)人員缺乏[3]，施工人員對(duì)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程沒有一個(gè)整體的概念，所以在施工中很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致施工事故時(shí)有發(fā)生；2)從目前常規(guī)的CAD圖紙中不難發(fā)現(xiàn)，大部分節(jié)點(diǎn)的板件或桿件的尺寸需要進(jìn)一步在施工前放樣確定，這將給施工帶來(lái)一定的難度，并加大了工作量；3)由于鋼結(jié)構(gòu)工程是由大量桿件采用螺栓或焊接連接建造而成，因此在設(shè)計(jì)圖中就很容易出現(xiàn)局部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理或者凈空高度不滿足要求而導(dǎo)致碰撞的情況，有些問(wèn)題在設(shè)計(jì)過(guò)程中不易被發(fā)現(xiàn)，只能在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)[4]，從而引發(fā)設(shè)計(jì)變更，對(duì)工程工期和成本造成不利影響[5]。因此，傳統(tǒng)建造方式無(wú)法完全滿足其施工要求，需要尋找一種新的方式滿足鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)施工要求。建筑信息模型(building information modeling，簡(jiǎn)稱BIM)是近年在計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù),以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)建立高度集成、完整的建筑工程項(xiàng)目信息化模型[6]。由于BIM具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性和優(yōu)化性等特性，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)建造方式的不足，滿足鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)施工的要求，因此， BIM在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用、普及迫在眉睫，尤其是對(duì)于目前發(fā)展迅猛的大跨空間鋼結(jié)構(gòu)，BIM施工模擬是保證工程施工過(guò)程安全、可靠的前提[7]。綜上所述，對(duì)BIM在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究非常有實(shí)用價(jià)值。

BIM的信息載體是多維參數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)手段是BIM軟件[8]。要想充分發(fā)揮BIM的價(jià)值，為項(xiàng)目創(chuàng)造效益，將涉及到十幾乃至幾十種BIM軟件[9]，而具體到鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，較為常用的BIM軟件為Tekla，其是芬蘭Tekla公司研究開發(fā)并推出的鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件，是通過(guò)先創(chuàng)建三維模型的方法，而后自動(dòng)生成鋼結(jié)構(gòu)詳圖和各種報(bào)表，在模型中可以顯示結(jié)構(gòu)零部件的各類加工信息，例如截面尺寸、材質(zhì)、規(guī)格、節(jié)點(diǎn)類型等[10]。因此,本文以該軟件為研究工具，以某鐵路客運(yùn)專線鋼結(jié)構(gòu)站臺(tái)為研究案例，以鋼結(jié)構(gòu)BIM建模及節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)為研究重點(diǎn)，探索BIM在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用。

1 BIM在實(shí)際工程中的應(yīng)用

以某鐵路客運(yùn)專線鋼結(jié)構(gòu)站臺(tái)為例，該站臺(tái)為鋼管桁架結(jié)構(gòu)，其平面尺寸為449.2 m×40 m，覆蓋面積約為17 968 m2，共有①—○22軸22榀桁架，桁架跨度均為40 m，其中①—⑧軸、○15 —○22軸桁架懸挑1.65 m，⑨—○14軸桁架懸挑6.65 m。結(jié)構(gòu)采用鋼管桁架體系，由鋼管柱、桁架梁、H型實(shí)腹檁條、系桿和水平支撐組成[11]。桁架梁采用空間三角形鋼管桁架，桁架縱向間距為21 m。鋼桁架及鋼柱采用Q345C級(jí)鋼，檁條采用焊接H型鋼Q345B。本項(xiàng)目的主要難點(diǎn)在于：桁架梁為弧形，所以繪制其上檁條、系桿和水平支撐等構(gòu)件時(shí)不能在一個(gè)平面中完成，需不停地轉(zhuǎn)換視圖平面進(jìn)行操作。這些難點(diǎn)恰為此類工程的共性問(wèn)題，因此本文嘗試采用BIM技術(shù)，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行解決。

1.1 BIM在鋼結(jié)構(gòu)建模中的應(yīng)用

由于BIM模型是BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此本文首先研究該車站鋼桁架的BIM建模方法。

本工程的鋼桁架梁是弧形的，利用Tekla軟件自帶的節(jié)點(diǎn)庫(kù)難以完成整個(gè)模型的創(chuàng)建，所以需要手動(dòng)完成節(jié)點(diǎn)的繪制。建模時(shí)要有步驟、自下而上地進(jìn)行，下一構(gòu)件要在上一構(gòu)件創(chuàng)建完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)建。鋼桁架的建模過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟。

1)創(chuàng)建單榀鋼桁架。單榀鋼桁架包括鋼管柱、弧形上弦和下弦、腹桿、桁架下弦與柱的連接節(jié)點(diǎn)、柱頂蓋板和上弦端部蓋板等，然后在3D的平面圖中將單榀鋼桁架進(jìn)行復(fù)制，完成22榀桁架模型的建立。

2)創(chuàng)建檁條。由于桁架上弦為弧形，導(dǎo)致每根檁條的角度都稍有不同，需調(diào)整角度后逐一建立H型實(shí)腹檁條。

3)創(chuàng)建螺栓。檁條建完之后，要繪制檁條與上弦的支座節(jié)點(diǎn)，包括檁托、加勁肋等。檁條和上弦連接節(jié)點(diǎn)設(shè)置有螺栓，但是由軟件軸線自動(dòng)生成的平面圖并沒有包括螺栓所在的平面，因此需要自己創(chuàng)建平面才能正確放置螺栓。圖1為檁條與上弦連接節(jié)點(diǎn)模型圖，圖2為創(chuàng)建螺栓的視圖平面，它是用圖3中虛線上的兩點(diǎn)創(chuàng)建的平面。

4)創(chuàng)建系桿。在創(chuàng)建系桿之前，先要畫系桿和檁條的連接板和螺栓，系桿的創(chuàng)建在已有的①至○22軸視圖平面內(nèi)完成并平移至其實(shí)際所在的位置即可。如打開①軸視圖平面，并繪制如圖4所示的上下兩根系桿，再回到3D視圖的平面圖中將其移動(dòng)到如圖5所示的位置。

5)創(chuàng)建水平支撐。在創(chuàng)建水平支撐前，先要完成檁條加勁肋與水平支撐之間的連接板件的繪制，其中圓弧形的板件要將切角屬性對(duì)話框中的“類型”改為圓弧形，圖6為圓弧形板件的模型。

6)檢查。很多桿件連接的地方都要進(jìn)行切割，如圖7是切割前后的對(duì)比，完成切割之后的最后一步就是檢查模型中有沒有錯(cuò)誤和疏漏。

圖1 檁條與上弦連接節(jié)點(diǎn)模型Fig. 1 Connection joint model of purlin and principal rafter

圖2 創(chuàng)建螺栓的視圖平面Fig.2 View plane of creating the bolt

圖3 創(chuàng)建螺栓的過(guò)程Fig.3 Process of creating the bolt

圖4 系桿視圖平面Fig. 4 View plane of the tie rod

圖5 3D視圖的平面圖Fig. 5 3D view of the plane

圖6 圓弧形板件的模型Fig.6 Model of circular arc plate

圖7 零件切割前后對(duì)比Fig.7 Comparison of parts before and after cutting

1.2 BIM在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的CAD繪圖過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件之間會(huì)發(fā)生不易被設(shè)計(jì)人員察覺的碰撞，這些碰撞只有在放樣或施工過(guò)程中才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)變更、延誤工期等后果。如果采用BIM建模，在建模過(guò)程中就可以用肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題并及時(shí)手動(dòng)調(diào)整，避免前述問(wèn)題。下文以檁條與上弦連接節(jié)點(diǎn)為例，研究BIM在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的用途。圖8為原設(shè)計(jì)檁條與上弦連接節(jié)點(diǎn)圖，圖9為經(jīng)手動(dòng)調(diào)整優(yōu)化后檁條與上弦連接節(jié)點(diǎn)圖。根據(jù)原節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，在BIM建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)加勁肋與水平支撐的連接板發(fā)生碰撞，這種桿件空間碰撞在傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)過(guò)程中很顯然未被設(shè)計(jì)人員察覺，必須經(jīng)過(guò)優(yōu)化修改，于是在Tekla中手動(dòng)調(diào)整兩側(cè)加勁肋的位置，中間加勁肋位置不變，將加勁肋的間距調(diào)整為250 mm時(shí)剛好能避免碰撞。所以，把加勁肋的間距修改為250 mm，修改之后的節(jié)點(diǎn)不僅符合相關(guān)規(guī)范要求，也成功避免了構(gòu)件之間的碰撞。

圖8 原設(shè)計(jì)檁條與上弦連接節(jié)點(diǎn)圖Fig.8 Connected node diagram of purlin and principal rafter of original design

圖9 經(jīng)手動(dòng)調(diào)整優(yōu)化后檁條與上弦連接節(jié)點(diǎn)圖Fig.9 Connected node diagram of purlin and principal rafter after manual adjustment and optimization

2 研究結(jié)果

圖10 a)—圖10 c)分別是懸挑6.65 m的桁架的CAD圖、使用Tekla建立的BIM模型圖以及實(shí)際工程完工之后的圖片，圖11和圖12分別為站臺(tái)BIM整體效果圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖。從圖片對(duì)比來(lái)看，BIM模型能從三維空間角度展示各構(gòu)件的空間位置關(guān)系，并且BIM模型與建成后的實(shí)體工程非常接近，而這是傳統(tǒng)的CAD圖難以具備的優(yōu)勢(shì)。

此外，在節(jié)點(diǎn)優(yōu)化過(guò)程中，通過(guò)采用BIM技術(shù)，發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目鋼桁架檁條與上弦連接節(jié)點(diǎn)處、檁托與上弦連接節(jié)點(diǎn)處原設(shè)計(jì)均存在兩處碰撞問(wèn)題，并及時(shí)對(duì)發(fā)生碰撞的2個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而避免了此類問(wèn)題對(duì)后期項(xiàng)目施工造成的不利影響。

圖10 鋼桁架圖Fig.10 Steel truss diagram

圖11 站臺(tái)BIM整體效果圖

Fig.11 BIM overall effect diagram of the platform

圖12 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖

Fig.12 Real map of the scene

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，國(guó)務(wù)院《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃管理工作的若干意見》中明確指出，要發(fā)展新型建造方式，大力推廣裝配式建筑，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)形式是大勢(shì)所趨。應(yīng)用BIM軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，很大程度上解決了鋼結(jié)構(gòu)二維圖紙復(fù)雜且不夠直觀的問(wèn)題，并且利用BIM建模可以檢查節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)并加以優(yōu)化完善，甚至代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼構(gòu)件放樣過(guò)程，為設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)很大的便利。不久的將來(lái)BIM將逐漸取代傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)[12]，為建筑業(yè)帶來(lái)又一次新的革命。

然而，目前BIM在中國(guó)工程界的應(yīng)用尚未普及，本文也只涉及到建模部分及簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化，后續(xù)需要研究通過(guò)不同的第三方插件，將結(jié)構(gòu)模型發(fā)送到不同的結(jié)構(gòu)分析軟件中[13]，對(duì)優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承載力驗(yàn)算；并用Navisworks施工模擬軟件對(duì)信息模型進(jìn)行可視化協(xié)助施工和碰撞檢測(cè)2個(gè)角度的研究[14]，實(shí)現(xiàn)BIM對(duì)工程項(xiàng)目的管理，達(dá)到加快建設(shè)進(jìn)度和節(jié)約成本的目標(biāo)[15]。

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Research on application of BIM in steel structure engineering of a certain railway

HUANG Li, LI Xian, ZHANG Xuehui

(School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

The complexity of the steel structures causes problems which seriously restrict the development of the steel structure. For example, it is difficult to understand the CAD design drawings, and the design defect can’t be found before the construction process. In order to solve these problems，this paper studies the modeling method of BIM software, then combining with the practical engineering of a certain railway line, compares the BIM model with the traditional design, and studies the role of BIM modeling in the design optimization of steel structure joints. It shows that BIM software has great convenience in engineering design and construction, and will gradually replace the traditional engineering design methods.

civil engineering design; BIM; steel structure; Tekla; optimization design of joints

1008-1534(2017)01-0045-06

2016-10-05;

2016-12-01；責(zé)任編輯：馮 民

河北省自然科學(xué)基金(E2015208089)

黃 鸝(1971—)，女，湖北黃岡人，教授，碩士，主要從事土木工程方面的教學(xué)和研究。

E-mail：1010huangli@163.com

TU17

A

10.7535/hbgykj.2017yx01009

黃 鸝，李 嫻，張學(xué)輝.BIM在某鐵路專線鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用研究[J].河北工業(yè)科技,2017,34(1):45-50. HUANG Li, LI Xian, ZHANG Xuehui.Research on application of BIM in steel structure engineering of a certain railway[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(1):45-50.