高位塔中央豎井BIM 設計方法

何姜江，袁多亮

( 中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

自然通風冷卻塔是火力發電廠、核電發電廠濕冷機組及化工行業冷卻系統用的大型冷卻建(構)筑物。隨著國家經濟政策的轉型，對節能減排、循環經濟的、低碳經濟提出了更高的要求[1]。高位收水自然通風冷卻塔(以下簡稱“高位塔”)具有明顯節能、降噪優勢，未來的應用前景更加有廣闊，尤其是對電價高及電源緊缺的地區，高位塔的優勢更加明顯。

高位塔中央豎井區域是高位塔內部結構最復雜的結構，由梁、板、柱等構件組成。壓力進水溝底部與中央豎井連通，豎井中部四周布置冷水槽，豎井上部與十字型配水槽連通，并設計控制配水系統的6 個閘門。豎井井筒四周設置4 個溢流井，可將豎井內的水引入豎井外圍的冷水槽。中央豎井外圍設置冷水槽，其上方擱置單層配水槽。中央豎井零米以下設井座，與壓力進水溝相連。豎井井筒下部與壓力進水溝相連，上部沿四個方向分別設單孔和雙孔配水槽，四周設環形配水槽，井筒外圍設4 個溢流井，井筒頂部設檢修平臺[1]。

作為一種新興的建筑模型設計方法，建筑信息模型 ((building information model，BIM)其具有可視化、可協調、可模擬和可出圖性等特點。近些年很多工程師均采用BIM 技術逐漸取代傳統CAD 設計技術，特別是復雜單體建筑中，BIM 技術的優勢更加明顯。但在工業領域如能源、化工等行業，BIM 技術的應用還相對比較滯后[2-3]。

采用傳統CAD 設計技術不及三維設計直觀。由于傳統設計無法直觀表達構建各構件之間空間關系，對工程師的空間想象能力能出了更高的要求。CAD 的設計成果一般通過投影、剖切方式以二維圖形式來表達，極易出錯，甚至導致碰撞[3]。同時傳統二維技術中平面圖和立面圖屬于相對獨立，不能聯動修改，在設計過程中，若設計局部調整時，常常一處修改，多處調整，工作量巨大，且極易出錯。

基于上述方法存在的不足，本文提出一種高位塔中央豎井三維設計方法，該方法結合BIM 技術特點，在BIM 平臺完成模型創建后，可自動提取數據生成通用有限元模型用于內力計算，同時將內力計算結果返回至BIM 平臺，根據計算結果自動進行結構設計、圖紙制作和材料統計等工作，全部設計過程數據傳遞自動傳遞，設計全過程可視化，可提高中央豎井設計成果的質量和效率。

1 技術路線

經調研，目前已有多個軟件平臺可實現BIM技術，如Autodesk 公司的Revit 軟件、Bentley 公司的MicroStation 平臺、Dassualt Systems 公司的CATIA 軟件、Graphisoft 公司的Archicad 軟件等，這些軟件平臺都有自身的優勢和特點[2]。綜合考慮通用性、操作友好性和價格等因素，國內多采用Autodesk 公司的Revit 軟件來進行BIM 三維建模。

1.1 設計流程

采用Revit 作為BIM 設計軟件，C#作為二次開發的工具，ANSYS 作為通用有限元軟件，提出一種高位塔中央豎井三維設計方法。設計流程圖，如圖1 所示，主要步驟如下：1)在Revit 軟件創建中央豎井模型；2)提取模型數據，形成有限元模型；3)進行內力計算；4)進行結構設計計算；5)進行結構設計校驗，判斷是否滿足混凝土結構設計規范要求，若為是，則至下一步，若為否，則修改中央豎井模型中配筋信息或構件截面信息后，返回至步驟2；6)生成三維鋼筋模型；7)生成圖紙和材料統計報表[4]。

圖1 設計流程圖

1.2 參數輸入

創建中央豎井模型的具體過程包括，先在Revit 軟件中創建中央豎井模型。創建中央豎井模型常用的方法有包括：1)在Revit 軟件中創建中央豎井族文件，通過修改族參數完成中央豎井模型的創建；2)在Revit 軟件中以搭積木方式完成中央豎井模型的創建。模型創建完成后布置埋件、埋管、孔洞等附件；其中，埋件、埋管、孔洞均以族文件形式加載；在上述模型輸入中央豎井各構件的力學參數；其中，力學參數包括各構件的容重、彈性模量、泊松比等；在模型中添加荷載信息，荷載包括風荷載、檢修荷載、設備荷載、水壓力、土壓力、重力作用、地震作用；輸入荷載組合工況信息。也可編制程序自動設定各參數，各參數均設置初始值，可結合具體工程對上述參數進行增加、修改和刪除操作。

1.3 模型創建

生成有限元模型的具體過程包括：先提取已創建的中央豎井模型的幾何信息、各構件的力學參數、荷載信息和荷載組合工況信息、邊界條件，生成數據文件，并基于該數據文件在ANSYS 軟件中生成有限元模型。幾何信息包括構件的長、寬、高、半徑等尺寸信息及位置信息；其中，數據文件指參數化設計語言(APDL)命令流文件， APDL 是ANSYS 命令程序語言，遵循FORTRAN 語言語法規則，命令流文件以宏(MAC)方式融于一個文本文件中；命令流文件內容包括以下幾步：a)創建單元類型，定義參數；b)定義材料參數并賦值；c)創建模型；d)劃分單元；e)施加荷載；f)設置荷載組合工況；g)設置邊界條件。生成有限元模型有兩種方法：1)在通用有限元軟件中以命令流方式加載生成；2)生成符合通用有限元軟件格式要求的數據文件。有限元模型的創建是通過Revit 軟件平臺二次開發后程序自動實現的，該模型已完成有限元網格的劃分，同時包括邊界條件、荷載以及荷載組合工況信息；有限元模型單元可以采用實體單元(Solid 65)組成，亦可采用梁單元(Beam188)和殼單元(Shell 181)組成。

1.4 結構設計

內力計算的具體過程包括：采用有限元軟件進行內力分析，計算出中央豎井各構件不同荷載工況組合下的內力，內力包括軸力、剪力和彎矩；提取上述內力信息，寫入Revit 軟件，添加至各構件屬性信息中。可生成APDL 命令流文件后自動調用ANSYS 程序，通過/input 命令讀入上述文件并執行來實現。

結構設計計算指在Revit 軟件中提取有限元軟件的內力計算結果并根據混凝土結構設計規范承載力極限狀態計算，得出中央豎井各構件的鋼筋布置信息。

結構設計校驗的具體過程包括：在Revit軟件中提取鋼筋布置信息并按混凝土結構設計規范要求進行正常使用極限狀態驗算，包括中央豎井各構件的裂縫和撓度。

生成三維實體鋼筋模型包括指根據鋼筋布置信息，調用Revit 鋼筋系統族生成三維實體鋼筋模型。鋼筋布置信息包括鋼筋的等級、直徑、形狀、間距、長度、數量。三維實體鋼筋包括受力筋、分布筋、腰筋、箍筋和拉結筋；對鋼筋進行歸并、統計，生成鋼筋表。

生成圖紙和報表包括：在指定位置自動添加剖面，形成剖面圖；在剖面圖中自動添加標注、文字說明信息；自動生成鋼筋圖，添加鋼筋表；統計混凝土、鋼筋、埋管、埋件數量，形成材料報表；對圖中數字、文字等信息進行校核、確認，完成設計。

2 測試案例

2.1 工程背景

以重慶地區某工程高位收水冷卻塔中央豎井施工圖設計為例，驗證三維設計方法的技術可行性。該工程中央豎井主要結構尺寸如下：壓力進水溝斷面尺寸4 200 mm×4 200 mm，中心標高4.15 m，冷水槽高14.00 m，井筒內孔尺寸4 200 mm×4 200 mm，頂標高24.00 m。

2.2 BIM設計

根據高位塔中央豎井工藝流程及主要尺寸，在Revit 軟件中以搭積木方式創建三維幾何模型，該模型在Revit 軟件中以族文件形式創建，并能實現參數控制，以滿足設計調整需要。

在上述幾何模型各構件中添加力學參數和荷載信息，力學參數包括各構件的容重、彈性模量、泊松比等；荷載包括風荷載、檢修荷載、設備荷載、水壓力、土壓力、重力作用、地震作用；在Revit 軟件中對荷載組合工況信息進行設置，該信息內嵌于族文件中[5]。

創建后的族文件的幾何模型，如圖2 所示。

圖2 高位收水冷卻塔中央豎井結構三維視圖

2.3 有限元分析

基于Revit 軟件，采用C#進行二次開發，調用Revit 軟件API 工具，提取中央豎井模型的幾何信息、荷載信息及荷載組合信息，生成ANSYS 軟件可識別的APDL 命令流文件。其中幾何信息包括構件的長、寬、高、半徑等尺寸信息及位置信息。

APDL 命令流文件包括建模、計算、后處理共3 個模塊，其中建模模塊主要包括：a)創建單元類型，定義參數；b)定義材料參數并賦值；c)創建模型；d)劃分單元；e)施加荷載；f)設置荷載組合工況；g)設置邊界條件。計算模塊以命令流方式啟動ANSYS 求解器，完成計算。后處理模塊包括提取中央豎井各構件不同荷載工況組合下的內力信息，保存至數據庫中。內力信息包括軸力、剪力和彎矩，同時將上述內力信息寫入Revit 模型，添加至各構件屬性信息中，用于結構設計計算[4]。

在Revit 軟件啟動ANSYS 程序，讀取已生成的APDL 命令流文件，完成有限元分析的建模、計算和后處理各步驟。生成的計算模型，如圖3 所示。

圖3 中央豎井三維有限元模型

2.4 結構設計

在Revit 軟件中提取和構件的內力，根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》承載力極限狀態計算，得出中央豎井各構件的鋼筋布置信息，并按混凝土結構設計規范要求進行正常使用極限狀態驗算，包括中央豎井各構件的裂縫和撓度；生成中央豎井各構件的配筋布置信息，包括鋼筋的等級、直徑、形狀、間距、長度、數量等。

利用Revit 軟件功能，提取平面圖、剖面圖，添加標注信息、文字信息等。生成圖紙，如圖4所示。

圖4 高位收水冷卻塔中央豎井結構剖面圖

3 結語

本文將BIM 設計技術和有限元分析方法相結合，進行中央豎井的設計，并以具體工程設計為例對該方法的可行性進行了技術驗證。在BIM 平臺完成模型創建后，可自動提取數據生成通用有限元模型用于內力計算，也可將內力計算結果返回至BIM 平臺，根據計算結果自動進行結構設計、圖紙制作和材料統計等工作，全部設計過程數據傳遞自動傳遞，設計全過程可視化，可提高中央豎井設計成果的質量和效率。相比于傳統的二維設計技術，簡化了設計流程，減少了數據的傳遞，更直觀、高效、準確，提高冷高位塔中央豎井設計的效率和質量。可為其他工程提供借鑒參考，同時，該方法同樣適用于高位塔中冷水槽、配水槽、壓力進水溝等復雜構筑物的設計。