基于BIM鋼結構景觀塔設計

張亮權

(中鋼石家莊工程設計研究院有限公司,河北 石家莊 050021)

目前，鋼結構景觀塔工程由于工程體量較小，因而在新技術、新方法等方面研究較少，仍處于粗放式增長階段。具體體現在以下方面：在設計階段，新建景觀塔需要通過人工多次現場查勘才能確定設計方案，嚴重浪費人員配置，增加工程成本等；在加工制作及施工階段，由于主觀原因或客觀原因，導致各種工程質量問題，致使鋼結構景觀塔出現安全隱患或推遲交付時間等。

采用數字信息化的鋼結構景觀塔建筑信息模型、施工信息模型，可針對問題進行高效解決，不僅提高各參建單位的工作效率，更能為工程節約投資。

本景觀塔塔高54 m，內部為一獨立圓柱管塔，外部設置按照三塊圍護飄板考慮，頂部設一直徑7 m的裝飾球體，代表“三龍戲珠”，塔體設置內爬梯，塔頂設置避雷針。用BIM直接出具的效果圖及結構立面總圖如圖1，圖2所示。

1 BIM軟件

建筑行業較為常用的BIM軟件平臺主要有Autodesk,Bentley,Dassault Systems和Graphisoft，其占據了建筑行業BIM軟件的多數份額。國內多家公司基于各BIM軟件平臺開發的二次軟件也在不斷發展與完善。

Autodesk公司提供的Revit軟件包含了建筑、結構和機電三個專業，適合于民用建筑使用[1]。Bentley公司提供的建筑、結構和設備系列產品在工業設施和市政基礎設施領域具有巨大優勢，國內廣泛用于工業設施。Graphisoft公司提供的ArchiCAD定位于建筑學專業軟件，缺乏其他專業的相關軟件，較為單一，使用者較少。Dassault公司提供的CATIA是全球最高端的機械設計制造軟件，在航空、汽車等領域占主導地位。

本文采用Autodesk發布的revit軟件對某鋼結構景觀塔信息模型進行設計。

2 應用思路

鋼結構景觀由塔體、裝飾球體、外圍護飄板及基礎組成，以塔體和外裝飾作為主要載體。

2.1 塔體

鋼結構塔體是景觀塔工程中最主要的構成部分，主要包含結構、設備兩部分，塔體屬于高聳鋼結構，鋼結構節點繪制復雜。實際應用中采用Revit Structure及基于平臺開發的插件進行創建，對于復雜的鐵塔節點采用鋼結構專業深化設計軟件Tekla進行創建，塔體空間模型如圖3，圖4所示。

2.2 外裝飾

外裝飾球體及外圍護飄板與常見工業及民用建筑相比，體量非常小，設計的功能也較為單一，采用Autodesk Revit即滿足模型創建要求，外裝飾球體模型見圖5，圖6。

2.3 基礎

景觀塔為上部結構，需要設置在基礎之上。基礎采用Autodesk Revit實現建筑信息模型建立，復雜基礎通過創建族文件，景觀塔基礎模型如圖7，圖8所示。

3 BIM在鋼結構景觀塔設計中的運用

3.1 模型參數化

鋼結構景觀塔主要由塔基、塔體、裝飾球體、外圍飄帶板及復雜構件組成，每個構件都有各自的特定作用，采用Revit建立模型并進行參數化設計。鋼結構塔體為格構式，各構件采用標準型鋼組成，采用軟件提供的各種型鋼文件建立相應的族類型。主塔鋼管之間的連接采用法蘭連接，可采用Revit軟件創建的法蘭單元實現連接。裝飾球體桿件的連接采用焊接節點板，建立相應的節點板單元。

鋼結構景觀塔采用鋼管作為塔體主要材料，圓形截面風荷載系數小，不易破壞，可降低維護成本。塔型隨風荷載曲線變化設計，線條流暢，每個塔段頂部與底部寬度不同，使得Revit建模要考慮斜柱的形成，鋼結構景觀塔空間結構比較復雜，采用傳統方式比較困難。景觀塔結構采用的構件截面主要是圓鋼管截面，主要桿件截面分布如表1所示。

表1 主要桿件截面表

本文采用基于Revit平臺開發的插件功能進行建模。采用Excel表格編制公式可計算出各個桁架節點坐標，整理并設置構件類型等數據，最后通過插件的“基于Excel生產模型”功能，生成建筑信息模型。塔柱傾斜段可通過調整圓管柱成斜柱的方式實現，同時保證上下法蘭的對接性，最終完成塔身模型參數化。

3.2 建立族文件

組成鋼結構景觀塔的族多種多樣，主要包含了：塔身、球體骨架、外飄帶支架、避雷針、爬梯、地腳螺栓、法蘭、附屬構件等。

組合構件零件數量較多，不適合在一個族文件中全部新建繪制，將各零件分別新建族，然后嵌套至主體族中形成組合構件。

3.3 數據互導

SAP2000軟件完成景觀塔結構的設計計算，并同Revit采用接口進行數據傳輸，實現信息數據互導及更新，結構計算模型采用空間模型(見圖9，圖10)。

鐵塔上的荷載和作用力可分為兩類：永久荷載、可變荷載。

永久荷載主要包括鐵塔自重、裝飾球及裝飾飄帶自重、平臺及設備自重。

可變荷載有風荷載、安裝檢修荷載、塔上平臺活荷載、地震作用、裹冰荷載和溫度作用等。具體分類如表2所示。

表2 荷載分類

各荷載組合分別表示為：標準組合、基本組合，荷載取值及組合按GB 50009—2012建筑結構荷載規范和GB 50135—2019高聳結構設計規范[2]。

鐵塔在風荷載標準作用下，按非線性方法分析，塔上任意點的水平位移不應大于該點離地高度的1/50。塔頂位移見圖11。

以風荷載為主的荷載標準組合作用下的計算結果為：

鐵塔結構桿件截面驗算及桿件材料利用率如圖12，圖13所示，整個結構桿件的材料利用率在0.92以下，構件具有一定的安全儲備。

通過對塔身段橫向連接焊縫強度計算、塔身段內法蘭螺栓的計算、桿件拼接外法蘭螺栓的計算以及塔底法蘭盤與錨栓的計算，對連接節點進行設計，部分節點通過Revit設計如圖14～圖17所示。

4 主要技術經濟指標

基于BIM景觀塔模型，可以在Revit中列出工程量清單，鐵塔重量及基礎混凝土方量等經濟指標如表3所示。

表3 主要技術經濟指標

5 設計的難點及處理

5.1 難點

飄帶板采用鋁單板，由于造型的影響，兩千多塊鋁單板沒有兩塊是相同的，為了完美體現景觀塔的效果，需在飄帶板上預留LED燈帶孔，飄帶板的分格既要滿足加工制作的要求又要滿足燈帶孔的布置是設計的難點[3-4]。直徑7 m的頂部裝飾球是套設在直徑1.6 m的主塔管上的，考慮了防腐及耐候的因素，裝飾球體骨架需熱鍍鋅處理，且球體直徑較大，遠超過鍍鋅槽的尺寸，加上主塔管也需熱鍍鋅處理，施工現場無法進行裝飾球體與主塔管焊接，只能采用螺栓拼接，裝飾球體骨架如何拆分成可熱鍍鋅部件，又能通過現場組裝滿足承載力及正常使用要求也是一個難點。

5.2 處理方案

三圍護飄帶板的設計用Revit對飄帶板進行分格及預留LED燈孔設計，在保證三維模型正確的基礎上，生成每一塊飄帶鋁板的報表數控切割文件，服務于構件的加工制作。

關于裝飾球體的設計，用Revit對球體進行分區，球體1、球體2扇形角度為40°，球體3、球體4扇形角度為20°，球體共分為12扇，部件的外輪廓尺寸能順利的進行熱鍍鋅。支撐管套件為1/2的φ299 mm鋼管，上下焊接連接板，用M20螺栓擰緊。每扇球體件采用M20螺栓連接，球扇上下焊接扇形法蘭與主柱法蘭用M20連接，扇區分布如圖18所示。

通過Revit三維建模，消除構件碰撞隱患；實現數據互導并開展施工過程仿真分析，消除吊裝過程中的安全隱患。通過Revit創建球體骨架及連接的模型，并自動生成鋼結構詳圖和各種報表，保證三維模型正確的基礎上，自動生成各種報表和數控切割文件，為物資采購提供準確的材料清單，并為竣工驗收提供詳細技術資料。生成構件安裝布置圖，安裝布置圖為指導現場構件吊裝與連接的圖紙,生成的安裝圖紙，包括構件的平面布置圖，立面圖、剖面圖、節點大樣圖、構件編號、節點編號等內容，同時還包括了詳細的構件信息表，清晰的表達構件編號、材質、外形尺寸、重量等重要信息，滿足鋼結構景觀塔工程按圖精確施工的要求[5-8]。

6 BIM實施的亮點

6.1 設計加工制造一體化融合

鋼結構景觀塔項目的實施過程中，結構建模煩瑣，每類構件各不相同，搭建模型需花費大量的人力和時間[9-10]。通過Revit，輸入各族的關鍵設計參數，軟件直接生產所需模型，能做到結構設計參數化、表格化、自動化，使設計師的設計效率提供90%，有更多的時間專注于設計理念和設計優化。生產的結構三維模型不僅滿足三維設計的需求，同時可以實現“加工制造級”的建模精度，直接自動生成加工圖、BOM表等數據。將BIM信息數據延伸至下游的制造業，指導制造工廠進行加工制作，打通設計加工制造一體化流程。

6.2 模數分離，提高效率

在設計過程中，大量建筑模型數據需要與模型匹配錄入，人工手動錄入不僅費時費力，效率低下，而且極易造成數據遺漏或錄入錯誤。通過Revit及其插件，實現批量數據錄入程序，可以與Excel數據互導互通，實現模型數據的錄入、提取、修改、查詢等功能。模型搭建過程中不同步錄入模型的數據信息，模型搭建完畢，通過程序統一進行信息錄入。優化了設計流程，提高了建模效率，以往采用人工錄入需要四個小時，而且容易遺漏和錯錄，使用程序，僅半小時就可以完成數據錄入工作。

6.3 360°全景式漫游系統

通過Revit實現了360°全景式漫游系統，用戶通過掃描二維碼，即可進入項目的虛擬漫游系統。極大地方便了與業主進行設計方案交流及展示設計成果。用戶可以通過PC端、移動端等多終端進行項目的漫游瀏覽。系統無需安裝客戶端，數據吞吐量小，硬件配置要求低。

7 結語

采用與Revit及與Revit實現雙向關聯的結構分析軟件SAP2000，實現了鋼結構景觀塔的結構建模、內力計算、構件設計、節點設計、詳圖設計的流程，做到了技術先進、安全美觀、經濟合理，為類似鋼結構景觀的設計進行了積極探索。