基于BIM的地下糧倉虛擬設(shè)計(jì)

陳桂香，郝柄慧，趙一青

(河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

目前糧食儲備倉型中，80%以上為散裝糧平房倉，儲糧環(huán)境突出表現(xiàn)為夏季倉溫偏高，持續(xù)維持在35～40 ℃，由此帶來虛熱滯后，導(dǎo)致糧食品質(zhì)劣變和糧食生蟲.而在現(xiàn)有的儲糧環(huán)境下對糧食進(jìn)行化學(xué)熏蒸，既對糧食有所污染，排放的磷化氫氣體又會污染環(huán)境.如果采用人工制冷對糧食谷物進(jìn)行冷卻，則需耗費(fèi)大量的能源，不符合節(jié)能、低碳的節(jié)約型社會要求.因此，研究節(jié)能、節(jié)地、無污染、低損耗的地下儲糧新倉型已經(jīng)迫在眉睫.

大直徑鋼筋混凝土地下糧倉是依托國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目開發(fā)的新型地下糧倉，它克服了原有地下倉具有的倉容量小、易受地形限制、糧食進(jìn)出不符合機(jī)械化作業(yè)等不足.大直徑鋼筋混凝土地下倉目前尚處于研究階段，除課題組建設(shè)的小型試驗(yàn)倉外，沒有已建成的實(shí)體工程進(jìn)行參考，缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn).因此，運(yùn)用BIM 技術(shù)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，對地下糧倉優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工方案及大規(guī)模推廣應(yīng)用具有一定的參考價值.

BIM（Building Information Model）通過建立參數(shù)化的模型，將糧倉的物理信息和幾何信息包括在模型中，可真實(shí)表現(xiàn)出物體所具有的各種特性.2011 年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了《2011—2015 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，首次將BIM 技術(shù)列入發(fā)展計(jì)劃.因此將BIM 技術(shù)應(yīng)用到糧倉的建設(shè)中，也是對國家政策的響應(yīng).國內(nèi)外對于BIM 在工程上的探究已有報道，朱江等[1]探討了將BIM 技術(shù)應(yīng)用到鐵路建設(shè)設(shè)計(jì)中的思路，并提出了相關(guān)的設(shè)想.高永剛等[2]論述了BIM 在杭州火車東站工程項(xiàng)目中的應(yīng)用.張建平等[3]針對工程施工中BIM 應(yīng)用，提出了相關(guān)技術(shù)架構(gòu)系統(tǒng)流程和應(yīng)對措施.李紅學(xué)等[4]提出了基于BIM 的橋梁工程設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化解決方案.

作者以某地區(qū)擬建的大直徑鋼筋混凝土地下倉為例，結(jié)合BIM 技術(shù)特點(diǎn)，運(yùn)用Revit 軟件，對倉底、倉壁、倉頂進(jìn)行三維建模，利用Navisworks 軟件進(jìn)行三維建筑模型與時間維度集成的4D 施工過程和進(jìn)出糧過程的動態(tài)模擬.

1 BIM 技術(shù)在糧倉中應(yīng)用的特點(diǎn)

BIM 思想源于20 世紀(jì)70 年代，之后Charles Eastman、Jerry Laiserin 及McGraw-Hill 建筑信息公司等都對其概念進(jìn)行了定義.美國BIM 標(biāo)準(zhǔn)定義：BIM 是一個能讓各方協(xié)同作業(yè)，并具有項(xiàng)目所有信息和資源的模型[5].Autodesk 公司定義：BIM 是指建筑物在設(shè)計(jì)和建造過程中，創(chuàng)建和使用的“可計(jì)算數(shù)字信息”，這些數(shù)字信息能夠被程序系統(tǒng)自動管理，計(jì)算出的各種文件具有一致性.

BIM 技術(shù)應(yīng)用在糧倉中的特點(diǎn)主要有：

（1）三維可視化.在基于BIM 技術(shù)創(chuàng)建的模型中，包含了整個地下糧倉項(xiàng)目的信息.不僅包含地下糧倉構(gòu)件所有幾何和物理信息，還包含糧倉外在的環(huán)境和地理信息，使設(shè)計(jì)師直接用三維的方式完成設(shè)計(jì).

（2）協(xié)同作業(yè).由于整個地下糧倉相關(guān)的信息存儲在BIM 集成數(shù)據(jù)庫中，為工程項(xiàng)目的各個專業(yè)之間提供信息交換和共享的平臺.各個專業(yè)都在這個平臺上工作，對BIM 模型所做的任何更改，其他相關(guān)專業(yè)都能夠及時看到，減少設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯漏和返工.

（3）模擬性.結(jié)合BIM 的相關(guān)軟件，將三維地下糧倉模型與時間維度進(jìn)行鏈接，可用于模擬地下糧倉在真實(shí)世界中的狀態(tài)和變化，模擬實(shí)際施工，在早期設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)后期真正施工階段所會出現(xiàn)的各種問題，在后期施工時能作為施工的實(shí)際指導(dǎo).

2 模型的創(chuàng)建

選取課題組研制的大直徑鋼筋混凝土地下糧倉為研究對象.在倉模型的創(chuàng)建中，應(yīng)用BIM 并不是遵循BIM 建模的初衷，即建筑師和工程師共同以3D 平臺為工具創(chuàng)建與分析BIM 模型，完全脫離2D 圖紙模式；而是以最終2D 建筑圖紙和結(jié)構(gòu)圖紙為基準(zhǔn)，利用Revit 系列軟件分別創(chuàng)建BIM 建筑和結(jié)構(gòu)模型，之后利用Navisworks 模擬整個施工過程.

2.1 模擬對象

該地下倉為某國家糧食儲備庫的擬建工程，內(nèi)徑26 m，裝糧高度13.95 m.頂蓋采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，倉頂部覆土厚度為2 000 mm，板厚250 mm，倉體側(cè)壁厚度350 mm，倉底板厚度800 mm，總深度為25.200 m.群倉為2×5 排列，總倉容5.4萬t，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地面上可用于綠化設(shè)計(jì).在地下倉群倉施工之前，已完成建設(shè)一個地下倉試驗(yàn)倉.

考慮到群倉中各個單倉的屬性相同，在建模過程中以單倉為對象建立各種模型，并將模型與已完工的地下倉試驗(yàn)倉實(shí)際建設(shè)過程進(jìn)行對比，圖1為單倉剖面圖.

2.2 建筑模型

由于糧倉是個比較特殊的結(jié)構(gòu)，屬于特種結(jié)構(gòu)，里面沒有柱子和梁之類的傳統(tǒng)構(gòu)件，整體結(jié)構(gòu)是一個筒形，因此，在進(jìn)行糧倉建筑模型的創(chuàng)建時，根據(jù)糧倉的結(jié)構(gòu)，將糧倉分為倉底、倉壁和倉頂3 部分分別進(jìn)行建模.

圖1 地下倉單倉剖面

在創(chuàng)建模型之前，創(chuàng)建需要參照的軸網(wǎng)和建筑標(biāo)高，因?yàn)榻ㄖＰ偷牧喊逯际潜仨毟街谙鄳?yīng)的標(biāo)高上存在的，例如倉底標(biāo)高，倉壁標(biāo)高和倉頂標(biāo)高等.在相應(yīng)的標(biāo)高建模完之后，在對應(yīng)的標(biāo)高上創(chuàng)建倉底、倉壁和倉頂.

倉底建模采用樓板命令，由于倉底是一個漏斗形，無法用常規(guī)的建模方法創(chuàng)建，選用樓板的命令，調(diào)節(jié)樓板上的控制點(diǎn)，形成倉底斜面構(gòu)造形式，圖2 為倉底建筑模型.

在倉底的基礎(chǔ)上，進(jìn)行倉壁的建模.把倉壁定義為墻類范疇，用的是墻類命令，它可以吸附于斜面的倉底.圖3 為倉壁建筑模型.倉頂建模和倉底一樣，也是具有一個斜坡，所以都是使用樓板命令.在主體結(jié)構(gòu)創(chuàng)建完之后，要進(jìn)行細(xì)部構(gòu)造的創(chuàng)建，例如倉底和倉頂開洞.單倉整體建筑模型如圖4所示.單倉整體建筑模型剖面如圖5 所示.

圖2 倉底建筑模型

圖3 倉壁建筑模型

圖4 倉整體建筑模型

圖5 倉整體建筑剖面

2.3 結(jié)構(gòu)模型

在糧倉建筑模型創(chuàng)建完以后進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，結(jié)構(gòu)建模主要是進(jìn)行鋼筋布置，根據(jù)2D 圖紙的配筋圖，在Revit 中對糧倉模型進(jìn)行配筋.在倉底配筋時，由于倉底是漏斗形，具有一定斜坡，需要承受糧倉大部分荷載，且底部有出糧口，要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，圖6 為倉底配筋，圖7 為單倉整體配筋.

圖6 倉底配筋

圖7 單倉整體配筋

2.4 4D 施工過程的模擬

在全部的模型創(chuàng)建完成之后，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建4D 施工模擬.首先進(jìn)行工程量計(jì)算，根據(jù)資源分配與工作效率計(jì)算出單項(xiàng)任務(wù)的工作時間，然后根據(jù)邏輯關(guān)系與網(wǎng)絡(luò)圖得出整個工程的施工進(jìn)度，將施工進(jìn)度計(jì)劃與已經(jīng)創(chuàng)建好的糧倉模型對接.利用Navisworks 創(chuàng)建4D 施工模型，具體過程為：將Revit 創(chuàng)建的糧倉三維模型導(dǎo)入到Navisworks 軟件；將施工進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入Navisworks 軟件，按計(jì)劃設(shè)置每項(xiàng)構(gòu)件和任務(wù)的性質(zhì)，并編好選擇集；生成4D 施工模擬動畫，通過設(shè)置關(guān)鍵幀形成漫游動畫.漫游動畫完成后，將其與地下倉試驗(yàn)倉現(xiàn)場施工情況相對比，如圖8—圖13 所示.

圖8 倉底施工模擬

圖9 倉底施工現(xiàn)場

圖10 倉壁施工模擬

圖11 倉壁滑模施工現(xiàn)場

圖12 倉頂施工及回填

圖13 倉頂現(xiàn)場施工

2.5 進(jìn)出糧過程的模擬

對地下倉進(jìn)行進(jìn)出糧的工藝模擬，能直觀了解地下倉進(jìn)出糧全過程.在裝糧作業(yè)時，要解決糧食破碎和分級兩個關(guān)鍵問題.目前，進(jìn)糧是通過移動皮帶機(jī)和安裝在倉口的一臺可升降旋轉(zhuǎn)的布糧器，以此避免糧食破碎，緩解糧食分級.出糧工藝是糧食利用自流特性流入到地下倉錐底出口，出口處安裝閥門，在地下倉底部有出糧通道，通道內(nèi)安裝皮帶機(jī)，糧食輸送到惻井，惻井內(nèi)安裝斗式提升機(jī)，該斗提機(jī)將糧食提升到工作塔內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)地下倉出料作業(yè)，圖14 為進(jìn)出糧工藝流程.根據(jù)設(shè)計(jì)的進(jìn)出糧工藝，用Navisworks 軟件進(jìn)行進(jìn)出糧工藝模擬，如圖15 和16 所示.

圖14 進(jìn)出糧工藝流程

圖15 進(jìn)糧工藝模擬

圖16 出糧工藝模擬

3 結(jié)語

BIM 是在CAD 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種多維模型信息技術(shù)，在國內(nèi)外一些大型項(xiàng)目中都得到了應(yīng)用，但在地下儲糧倉庫結(jié)構(gòu)上尚未應(yīng)用.作者以某地下大直徑鋼筋混凝土筒倉為例，利用基于BIM 的Revit 軟件來創(chuàng)建糧倉的三維模型，利用Navisworks 軟件，與三維模型對接，來創(chuàng)建4D 施工和進(jìn)出糧過程模擬.結(jié)果表明，BIM 技術(shù)在地下儲糧結(jié)構(gòu)應(yīng)用上具有可行性，為地下儲糧結(jié)構(gòu)的研究探討提供了一種新型的的理念和技術(shù)，同時也對地下儲糧結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用起到積極的作用.但由于虛擬模擬試驗(yàn)自身的局限性，試驗(yàn)結(jié)果還需具體的真實(shí)工程來進(jìn)行驗(yàn)證.

［1］朱江.BIM 在鐵路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探.鐵道工程學(xué)報［J］.2010（10）∶104－108.

［2］高永剛，李光金.基于BIM 可視化技術(shù)在杭州東站中的應(yīng)用［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2（4）∶55－58.

［3］張建平，李丁，林佳瑞，等.BIM 在工程施工中的應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，2012（16）∶10－17.

［4］李紅學(xué)，郭紅領(lǐng)，高巖，等.基于BIM 的橋梁工程設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化研究［J］.工程管理學(xué)報，2012（6）：48－52.

［5］National Institute of Building Sciences，United States National Building Information Modeling Standard，Version1-Part 1［S］.