基于BIM技術的裝配式高樁碼頭構造節點設計研究

李慶 陸小曼 李淑湞 覃淑雯

摘?要：伴隨著BIM技術這一種新的理念和技術的發展，及裝配式建筑推廣普及，不僅是建筑行業，水運行業也迎來了重要的發展契機;基于BIM技術的可視化、參數化及模擬性等特點，應用Revit軟件創建高樁碼頭模型，根據裝配式建筑理念，結合榫卯結構特征設計其構造節點，應用3D打印技術驗證構造節點設計的精準性;本文以梧州港中心港區塘源紫金村碼頭一期工程為例，希望為類似工程提供技術參考。

關鍵詞：BIM技術;裝配式高樁碼頭;榫卯結構;構造節點設計

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息模型，是指在建設工程及設施全生命周期內，對其物理和功能特性進行數字化表達，并依次設計、施工、運營的過程和結果的總稱。其作為一種新的理念和技術，是建筑行業的第二次革命;2017年12月交通運輸部發布《交通運輸部辦公廳關于推進公路水運工程BIM技術應用的指導意見》，明確提出將大力推進BIM技術應用于公路水運工程，目前BIM技術在水運工程領域集中應用在港口工程。

目前，我國學者紛紛對BIM技術在高樁碼頭建設中的應用展開了研究;陳捷[1]等學者通過對高樁碼頭工程BIM應用技術難點進行分析，并提出了基于高樁碼頭工程設計階段全流程應用的解決方案及應用方法;邢紅熙[2]等學者研究了BIM技術在高樁碼頭樁基碰撞檢驗和沉樁過程模擬的應用;萬其炎[3]等學者通過對比分析公式計算、AutoCAD三維繪圖法及BIM技術應用等方法，表明BIM技術在高樁碼頭碰撞驗算中的可行性及先進性。李薇[4]等學者通過BIM技術的可視化優勢，實現了項目在施工過程中的計劃模擬、綜合查詢、進度管理及質量管理等應用;陳靜[5]等學者通過BIM技術將高樁碼頭與碼頭模型實現對接，并實時對碼頭進行監測檢測。上述學者從設計、施工及運維等方面進行了BIM技術應用研究，均取得了較好的成績，但對于裝配式高樁碼頭的構造節點設計尚處于空白期。因此，本文根據高樁碼頭的結構特征，應用BIM技術對其重要的構造節點進行設計，并應用3D打印技術驗證構造節點設計的精確度。

1 創建高樁碼頭模型

1.1 工程概況

梧州港中心港區塘源紫金村碼頭一期工程位于梧州云龍大橋下游約550米潯江右岸，擬建4個3000噸級多用涂泊位，設計年吞吐能力為328萬噸，其中集裝箱26萬標箱，件雜貨物68萬噸。其中1#泊位是連片式高樁框架結構型式，為3000噸級多用途泊位，泊位長度為129.1m，前沿頂高程26.50m（高程基準為國家85高程）。

1.2 參數化建模

項目前期，應用Revit軟件創建高樁碼頭模型。Revit軟件的核心的概念之一即基于參數化的設計，利用參數化圖元進行參數族創建并分類，可有效地管理構件數據;利用參數化修改引擎，可做到一處修改處處更新。為了方便后期信息管理，參數族統一選用公制常規模型創建。

高樁碼頭參數化建模流程，如圖1所示。

完成模型如下圖2所示。

2 高樁碼頭模型構造節點的選取與設計

選取高樁碼頭模型中各類族文件拼接重合的位置為節點，參考榫卯結構的原理，針對其所在的位置，構件的形狀，分別進行節點設計。本項目共設置了以下五類節點。

2.1 柱與柱的節點

由于柱為圓柱體構件，且其截面尺寸一致，參照現代榫結構，我們設計了第一個節點，如圖3。

2.2 橫向聯系梁與縱向聯系梁的節點

因為橫向聯系梁與縱向聯系梁正好十字相錯，形似榫卯結構中的十字悵，但其橫向聯系梁的位置略高于縱向聯系梁，所以這個節點我們根據需求參考了十字悵的做法，并對其進行了改進，如圖4。

2.3 聯系梁與聯系梁的節點

根據聯系梁前后端均受到柱的約束，可忽略其水平方向的滑動，所以對于過長的聯系梁，我們采取最常見的直榫結構作為節點，如圖5。

2.4 柱與靠船構件的節點

由于靠船構件依附在柱上，受到上層梁、下層柱共同施加的約束，可忽略其豎直方向上的滑動，且柱的截面呈圓形而靠船構件的截面為矩形，二者長度不同，形狀不同，考慮到圓柱形與矩形的重合面涉及到弧形接口，我們參考了榫卯中與柱垂直面有交接的結構，設計出圓材丁字形結合的節點，如圖6。

2.5 板與聯系梁的節點

由于碼頭前沿面板由B1、B2兩塊面板接合，且每兩塊面板下方均橫穿三根聯系梁，所以我們直接在面板下方設置聯系梁凹槽口，利用聯系梁縱向連接面板，而橫向面板則采取嵌入接口，直接滑動拼合兩塊面板，并利用縱向聯系梁約束面板，如圖7。

3 模型打印

本項目所用3D打印機為極光爾沃A8，使用材料：PLA，涉及建模軟件：Revit、3Ds max，切片軟件：Cura。

3.1 模型切片及打印

因該切片軟件僅支持STL格式文件，而Autodesk Revit無法直接導出STL格式文件，此時可借用其他軟件轉換格式。

本項目采用的中間軟件為3Ds max，將族文件由三維視圖導出，得到FBX格式，再將3D模型導入3Ds max，得到切片軟件所需的STL格式，最終在CURA內調試打印溫度、檢測模型完整度，導出GCODE格式文件。

調平3D打印機平臺，進行預熱，預熱結束后進料，待噴頭拉絲后可直接選擇文件進行打印。

3.2 驗證模型精確度

由于3D打印機的運作原理是將材料高溫融化后重新塑形，故而模型精度有限。且打印是逐圈進行的，而模型在節點處設有空心形狀，材料細絲無法固定在沒有承接點的空心位置，在節點位置容易產生細小拉絲，而榫卯結構在精度上要求極高，所以在新設計的節點打印后，要進行節點拼合測試，如圖8;節點拼合后構件穩定不松動，不脫落，且易于拆卸，滿足結構設計需求。

4 結語

本文基于BIM技術的可視化、模擬性及參數化等特征，在3D打印技術逐步向建筑行業發展的情況下，結合高樁碼頭的裝配式特點，發揮我國傳統的榫卯結構文化底蘊，嘗試將榫卯結構重新應用于以鋼筋混凝土為材料的裝配式建筑中。因此，以實際工程案例為基礎，應用BIM技術創建并檢查裝配式高樁碼頭模型，在可視化及參數化支持下，參考榫卯結構重新設計高樁碼頭構造節點，通過3D打印技術將構造設計實體化，驗證構造節點設計精確性及穩定性。為BIM技術及3D打印技術在裝配式高樁碼頭設計施工中提供參考依據。

參考文獻：

[1]陳捷，沈壽亮，齊魯尚.BIM技術在高樁碼頭工程設計中的應用研究[J].中國水運月刊，2018，18（11）：150-151.

[2]邢紅熙.BIM技術在高樁碼頭樁基施工中的應用[J].城市建筑，2019（23）.

[3]萬其炎，許書星.BIM技術在高樁碼頭碰樁驗算中的應用[J].中國水運月刊，2018，18（10）：170-172.

[4]李薇，蘆志強，于水.BIM技術在高樁碼頭設計施工一體化建設中的應用[J].中國水運（下半月），2018，018（010）：161-163.

[5]陳靜，楊凱，馬瑞鑫，等.BIM技術在高樁碼頭監測中的應用研究[J].艦船電子工程，2018，038（011）：8-11，62.