基于BIM技術的復雜礦山地面建筑設計方法

羅德剛 （中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇 南京 225500）

1 二三維一體化設計方法

1.1 二三維一體化設計的含義

現(xiàn)行BIM正向設計應用模式主要有兩種，其一為以模型為主的BIM設計模式，其二為以圖紙為主的BIM設計模式。在模型占主導的設計方式下，大多數(shù)圖形由模型二維視圖自動生成，只有對于不符合傳統(tǒng)制圖習慣的部分才借助二維繪圖工具加以補充，因此在此模式下建模工作量大，建模要求高，整體工作效率低；在圖形占主導的設計方式下，設計人員根據(jù)圖紙建立模型，模型主要用于可視化和專業(yè)協(xié)調，因為所有圖紙的繪制均在傳統(tǒng)二維CAD環(huán)境中完成，所以圖紙的規(guī)范性能得以保障，但是BIM模型對整個設計流程的提升效益不大。

二三維一體化設計是一種新型的BIM設計應用模式，其不同于上述兩類，而是根據(jù)任務需要，以三維設計模式完成便于利用模型直接出圖的工作，以二維設計模式完成不便直接利用模型出圖的工作。

1.2 二三維一體化設計的流程

在具體工作中，采用二三維一體化設計的主要步驟為建模和出圖。在建模階段選擇合適的BIM樣板并完成整體三維建模，因為建模的目的是繪制整體平、立、剖面圖，所以可以不建某些細部構件。完成整體三維模型后即可利用模型視圖快速生成整體平立剖面施工圖，而對于局部平立剖面圖（詳圖圖紙），則可在模型中利用剖切、索引等功能自動生成初步輪廓圖，然后利用CAD為媒介，在繪圖視圖中完善布局平立剖的初步輪廓圖，以生成完整的局部平、立、剖面施工圖（詳圖施工圖）。

1.3 二三維一體化設計的創(chuàng)新點

在基于三維模型的設計模式下，雖然絕大多數(shù)圖紙可以根據(jù)模型自動生成，但是細部節(jié)點均需建模，建模工作量極大，對設計人員的要求較高，且在不斷修改設計方案和圖紙時需頻繁改動大量構件參數(shù)，而在傳統(tǒng)CAD繪圖模式下，只要對二維圖形進行拉伸等簡單操作即可達到同樣的效果，這將明顯降低設計自由度和工作效率。

在二維圖形占主導的BIM設計模式下，設計師利用CAD繪制各類施工圖，然后根據(jù)二維施工圖建立BIM模型。雖然簡化了成圖過程，但一旦圖紙修改，BIM模型也要手動修改，因此當業(yè)主不斷變更設計意圖時，模型修改的工作量也會急劇增加，進而造成整體設計效率的下降。

在二三維一體化模式下的BIM正向設計兼具三維設計中可視化、關聯(lián)化的優(yōu)勢和二維設計中簡單化、高效化的優(yōu)點。我們既可以借助三維設計中“一處修改、處處聯(lián)動”的優(yōu)勢快速生成精準的整體平、立、剖面圖，也可以利用二維設計中“簡單快速、任意表達”的特點高效準確地繪制各類詳圖。“互通互用、適度整合、整體高效”是二三維一體化設計相對于傳統(tǒng)二維和三維設計的最大不同，也是其最具優(yōu)勢的創(chuàng)新點。

2 基于規(guī)范的結構有限元分析方法

2.1 基于規(guī)范的有限元分析方法的含義及特點

基于規(guī)范的有限元分析方法是一種能適用于任意結構形式，可進行后處理的工程數(shù)值計算方法。有限元分析的核心在于將復雜的結構幾何體系分割成有限個簡單的幾何單元（如桿單元、三角形面單元、矩形面單元、體單元），并同時將復雜的空間荷載等效成連接節(jié)點上的點荷載，最終通過求解大量的位移平衡方程組得到結構體系的內力和位移結果。基于規(guī)范的有限元分析方法相對傳統(tǒng)有限元方法增加了后處理方面的考量，其分析結果可以讀入諸如梁、板、柱、基礎施工圖等模塊，快速生成初步布置圖、節(jié)點圖及配筋圖等施工圖信息。

2.2 基于規(guī)范的有限元分析方法的優(yōu)勢

傳統(tǒng)有限元分析可以準確地得到復雜結構體系的位移和內力信息，但僅止步于此，其無法有效整合內力信息并以此為基礎進行荷載組合，得到結構體系的設計結果，所以當采用傳統(tǒng)有限元分析時設計師需要在諸如內力組合、變形分析、裂縫控制、配筋面積等工作上耗費大量時間。當采用基于規(guī)范的有限元分析方法后，程序可以自動接力內力分析結果給出各類施工圖，這將極大地減輕工程師的勞動強度，并提高設計效率。

3 實例分析

3.1 項目概況

本項目為安徽省蒙城縣許疃礦井改建工程中的新建大塊矸石倉工程。本筒倉為鋼筋混凝土單倉，儲煤量5000t，倉體直徑15m，倉高29.3m，倉上鋼結構建筑高5.9m，基礎形式為樁筏基礎，主體結構形式為鋼筋混凝土筒體結構，抗震等級為三級，抗震類別為丙類。筒倉所受荷載類型有風荷載、雪荷載、活荷載、恒荷載、矸石荷載。倉下設洞口以便汽車通行，通行通道之間設鋼筋混凝土觀察室，倉頂設牛腿以支撐從其他部位搭接過來的鋼結構棧橋，具體情況詳見圖2。

圖1 二三維一體化設計流程

圖2 大塊矸石倉三維模型

3.2 BIM建模流程

應用Revit軟件，選擇經過定制的項目樣板后開始建模。本筒倉需在標高-1.500、±0.000、2.300、8.500、29.300、31.000、36.900處設置建筑平面和結構平面。以建筑結構平面為基準，分別創(chuàng)建門、窗、墻、梁、板、柱、樓梯、基礎、預埋件等構件，即可生成總體建筑模型。無需在結構構件內部創(chuàng)建三維鋼筋，同樣地，在鋼梁和鋼柱連接處也沒有做節(jié)點建模的必要，因為在二維環(huán)境中即可繪制局部配筋圖和鋼結構節(jié)點施工圖，無需利用三維形體自動生成。

3.3 BIM模型導入有限元軟件

將Revit中的筒倉結構分析模型導出至CAD，然后打開基于規(guī)范的有限元計算軟件PMSAP后導入DXF文件，即可生成結構分析模型的空間定位線，具體詳見圖5。

圖3 標高8.500和31.000平面建模

圖4 標高8.500和31.000三維模型

圖5 將Revit結構模型導入PMSAP生成三維參照線

3.4 結構分析模型建模

在PMSAP軟件中以三維參照線為定位，快速建立結構梁、結構柱、結構板、基礎、結構墻等分析構件，生成用于結構分析的幾何模型。可利用PMSAP的內置功能模塊在構件上定義和布置荷載，以形成包含分析構件和各類荷載的完整分析模型。

圖6 PMSAP結構分析模型

3.5 結構分析結果的生成

可利用結構分析模型得到筒倉的內力分析與設計分析結果，具體包括結構模型概況、工況和組合、質量信息、荷載信息、立面規(guī)則性信息、抗震分析及調整信息、結構體系指標及二道防線調整信息、變形驗算、舒適度驗算、抗傾覆和穩(wěn)定信息、超筋超限信息、指標匯總信息。本筒倉的層間位移比詳見圖7。

圖7 筒倉的層間位移比簡圖

3.6 繪制基于BIM模型的整體結構施工圖

我們可以利用筒倉整體三維模型和PMSAP有限元分析軟件生成的二維結構簡圖，在Revit的二維視口中完成整體結構施工圖的繪制。在這里，整體結構施工圖包括梁平面配筋圖、柱平面配筋圖、基礎平面布置圖、板平面配筋圖、鋼結構平面布置圖等。本項目中標高8.500板配筋圖、標高30.980梁配筋圖、倉上鋼結構梁柱連接節(jié)點平面布置圖分別如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 標高8.500板配筋圖

圖9 標高30.980梁配筋圖

圖10 倉上鋼結構建筑梁柱連接節(jié)點平面布置圖

3.7 繪制基于BIM模型的整體建筑施工圖

基于同樣的原理，利用整體三維模型中的二維視口，可快速得到整體建筑平面圖、剖面圖、立面圖。

3.8 局部詳圖的繪制

對于局部平立剖面圖（局部詳圖）的繪制，可在模型中利用剖切、索引等功能自動生成初步輪廓圖，然后將其導出成CAD文件，隨后在繪圖視圖中再次導入剛剛導出的CAD文件，逐步完善導入內容，以生成完整的局部詳圖。

圖11 標高±0.000平面布置圖

圖12 1-2軸立面圖

圖13 A-A剖面圖

3.9 布圖成冊

當所有平立剖及詳圖視圖繪制完成后，可在Revit圖紙空間布局這些視圖，以形成最終版圖紙。

圖14 筒倉漏斗的局部詳圖

圖15 Revit施工圖紙

4 結論

本文以選煤廠矸石倉為例，將二三維一體化設計技術和基于規(guī)范的有限元方法應用到了工業(yè)建筑建模、結構計算以及施工圖出圖的過程中。

①針對選煤廠矸石倉外形復雜情況，提出了二維與三維相結合建模的思路，即在二維環(huán)境中繪制復雜局部剖面，減少了純三維建模帶來的繁瑣操作，大大節(jié)省了出圖時間。

②利用擁有強大后處理能力的有限元計算軟件PMSAP進行結構分析，完美地解決了傳統(tǒng)有限元軟件分析無法繪制施工圖的問題，極大地減輕了結構設計師的負擔。

③將Revit中的結構分析模型以DXF的形式導入PMSAP，而不是簡單地將結構BIM模型導入分析軟件。結構物理模型（即結構BIM模型）和結構分析模型差距較大，如果直接將物理模型轉換成分析模型，后期仍需進行大量的調整，且在調整過程中會產生新的錯誤，因此直接將物理模型作為三維參照導入分析軟件，并以此參照為基礎重新建模，可以免去調整環(huán)節(jié)，提高結構設計的整體質量和效率。

通過二三維一體化設計技術和基于規(guī)范的有限元方法完成工業(yè)建筑BIM正向設計，實現(xiàn)了復雜形體的自由化設計，擴展了BIM設計方法的適用范圍，更充分地體現(xiàn)了BIM技術在可視化、可計算性、精確性、可出圖性方面的優(yōu)勢。