高樁梁板式碼頭鋼筋BIM技術應用

李銀發(fā)，劉蘭蘭，望 毅，陳青紅

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術在水運工程中的發(fā)展，已取得了一定的應用研究成果[1]，包括建立基于BIM的協同設計平臺，研發(fā)出BIM方式的成套專業(yè)軟件技術，初步完成水運工程行業(yè)BIM標準的制定等，但隨著BIM技術在水運工程設計中不斷深入應用，對BIM模型的建模深度要求也隨之增加。港口工程中含有大量的鋼筋混凝土構件，其構造復雜多變，鋼筋種類繁多，且受BIM軟件自身功能的限制，導致三維鋼筋模型的創(chuàng)建性價比低下，阻礙了水運工程BIM技術的推廣應用。

目前，水運工程BIM鋼筋技術相關的研究成果較少。熊潤東等[2]以港口工程中高樁碼頭結構中最常見的引橋橫梁為例，介紹BIM鋼筋建模技術的應用。尹碩等[3]以標準桶單元為例，對桶式基礎結構進行BIM 配筋設計應用方法的研究，建立桶式基礎結構BIM鋼筋模型，并分析BIM技術應用于配筋設計相較于二維設計模式的優(yōu)勢。目前的研究成果主要集中在鋼筋模型方面，研究的構件種類單一且深度不夠，達不到設計階段基于鋼筋模型的成果交付要求。因此，本文將研究對象和研究深度進一步擴大，對高樁梁板式碼頭進行構件級的鋼筋建模、出圖及計量、參數化設計、模型交付等方面的研究，為設計階段基于鋼筋模型的成果交付提出一個解決方案，為施工階段基于BIM模型的深入應用提供基礎。

1 總體技術路線

設計階段鋼筋BIM技術主要包括模型創(chuàng)建、鋼筋布置優(yōu)化、出圖及計量、模型交付等方面的技術。鑒于當前BIM軟件尚不支持項目級鋼筋模型的創(chuàng)建，具體的原因，暢永奇[4]從軟件顯示3D模型原理的角度剖析了這個問題。因而本文提出一種新的應用思路，即只搭建構件級的鋼筋模型，將整個項目的鋼筋模型拆分為構件級的鋼筋模型即單個構件及構件間節(jié)點鋼筋模型(圖1)，以類似于Revit[5]族庫的方式創(chuàng)建參數化的帶鋼筋的構件模型，并形成構件鋼筋模型庫，便于后期以搭積木的方式在項目中進行應用。按上述思路，高樁梁板式碼頭項目鋼筋模型可以拆分為樁基、橫梁、前邊梁、軌道梁、縱梁、后邊梁、系靠船梁等構件鋼筋模型以及縱向梁系節(jié)點、樁基與上部結構節(jié)點等節(jié)點鋼筋模型。由此，鋼筋BIM技術的研究重心轉變?yōu)闃嫾壍匿摻罴夹g研究。

本文通過收集、整理現有港口工程典型構件的施工圖，歸納分析得到鋼筋種類、鋼筋布置規(guī)律、鋼筋彎鉤類型等內容，再利用Revit軟件進行構件鋼筋模型的創(chuàng)建，直接從鋼筋模型中抽取二維施工圖紙、計算工程量，并對構件鋼筋模型及圖紙、工程量進行參數化設計，實現了鋼筋模型的交付，獲得模型及施工圖。

2 BIM鋼筋技術

2.1 構件級鋼筋模型創(chuàng)建

構件級鋼筋模型是指在三維BIM軟件中進行鋼筋設計，集成了構件模型(或節(jié)點模型)和鋼筋模型，直觀地反映構件鋼筋的真實情況。

2.1.1鋼筋模型創(chuàng)建存在的問題

Revit綜合性能較強，提供涵蓋建筑、結構、給排水、暖通、電氣、控制、通信等多專業(yè)的協同建模功能，擁有較強的鋼筋建模功能，提供基本的平面鋼筋、多平面(即三維)鋼筋布置功能，但由于其源自建筑行業(yè)，在港口工程應用中存在著天然的不適應性，主要體現在以下方面：

1)鋼筋種類較少。缺乏預應力鋼筋、鋼束、異型螺旋鋼筋、抗扭箍筋等港口工程中常見的鋼筋類型。

2)鋼筋的彎鉤種類較少且不符合港口工程相關規(guī)范要求。

3)部分便利的鋼筋布置功能只適用于建筑構件。如區(qū)域鋼筋、路徑鋼筋、鋼筋網等功能只能用于建筑的結構樓板、墻對象，而對港口工程中常用的構件對象則不適用。

由于軟件存在上述方面的缺陷，給港口工程構件鋼筋模型的創(chuàng)建帶來很大的困難，導致建模效率非常低下。經研究發(fā)現，在Revit軟件里，鋼筋由鋼筋規(guī)格、鋼筋形狀、鋼筋彎鉤等部分來定義，不同的組合可以定義成不同的鋼筋，這種方式具有很強的靈活性，為改造成適用于港口工程的鋼筋對象提供了基礎。

2.1.2鋼筋模型創(chuàng)建主要內容

鋼筋模型的創(chuàng)建主要包括制作或載入混凝土構件對象、設置保護層厚度、定制合適的鋼筋彎鉤、制作或載入鋼筋形狀族、放置并調整鋼筋等內容，本文主要論述后面幾個重點內容。

1)定制合適的鋼筋彎鉤。鋼筋彎鉤參照《水運工程混凝土施工規(guī)范》[6]進行定制，主要包括彎弧內徑、平直長度的設置，常用鋼筋彎鉤的參數見表1。

表1 常用彎鉤參數

注：d為鋼筋直徑;[]內為用于抗震箍筋時的取值。

2)鋼筋形狀族制作。采用定制+替代相結合的方式，對符合要求的鋼筋種類直接利用，對沒有的鋼筋種類進行補充創(chuàng)建，對于利用軟件自帶鋼筋無法創(chuàng)建的鋼筋采用自定義的非鋼筋對象進行替代，從而補充了軟件的功能缺陷，實現港口工程高樁梁板式碼頭中各種鋼筋對象的創(chuàng)建。

根據應用需求，本文創(chuàng)建了多種自定義鋼筋對象，如預應力鋼束、吊環(huán)、異型螺旋鋼筋等，見圖2。

圖2 自定義的鋼筋對象

3)放置并調整鋼筋。在構件的剖切視圖中放置鋼筋，并調整鋼筋的尺寸參數、布置位置，使之符合構件鋼筋的設計要求。由于三維鋼筋表達出了鋼筋的直徑大小，同一斷面的多種箍筋如果按照傳統(tǒng)設計圖紙方式布置將產生重疊碰撞。這里為進一步優(yōu)化鋼筋布置，在鋼筋模型創(chuàng)建時，考慮鋼筋間的碰撞問題，將鋼筋進行錯位布置(圖3)，真實地表達出鋼筋的實際布置。

圖3 矩形軌道梁鋼筋模型

2.2 出圖及計量

2.2.1BIM出圖方式的特點

目前，港口工程設計階段鋼筋混凝土構件的施工圖仍采用模板圖加鋼筋圖的組合表達法，并以二維線條、標注、標記、文字等元素的形式進行體現。傳統(tǒng)的二維鋼筋圖一般采用簡化畫法，忽略了細節(jié)部分，且圖元缺乏具體的含義，圖面元素與信息是相互隔離開的，不能實現關聯修改，在對某一圖元修改的同時需要手動完成相應信息的修改，工作量大，且容易出現錯漏。BIM技術具有三維可視化、數據聯動性、信息管理及協同工作等特性，從鋼筋模型直接抽取鋼筋圖(圖4)，具有以下優(yōu)勢：

1)圖紙與三維鋼筋模型直接關聯，三維模型的變化將準確無誤地傳遞到圖紙中，并即時更新。

2)鋼筋尺寸和定位更準確、計量精度更高。三維鋼筋模型能將鋼筋直徑、轉彎半徑、彎鉤等細節(jié)一一展現出來，與真實模型無異，可以直接指導現場施工。

3)由于圖紙與模型關聯，圖紙中的圖元都具有具體的含義，在選擇圖元對象時能直接顯示其屬性信息。

4)表達形式更豐富，識圖更容易。BIM出圖方式中，不同的材質顏色、不同的詳細程度可以表達出更豐富的設計內容，且擁有傳統(tǒng)二維不具備的三維視圖創(chuàng)建功能，允許任意的三維視角展示，能更直觀地表達設計意圖。

5)可以進行鋼筋之間、鋼筋與其他構件的碰撞檢查，優(yōu)化鋼筋布置。

圖4 平臺橫梁配筋斷面(單位：mm)

2.2.2鋼筋出圖主要內容

采用直接從鋼筋模型中抽取得到各種二維視圖，并通過定制一系列的標注、標記等符號樣式使其滿足港口工程規(guī)范的要求。鋼筋出圖主要包括各種視圖創(chuàng)建、鋼筋大樣創(chuàng)建、材料表創(chuàng)建、圖框及說明文字填寫等內容。

1)視圖創(chuàng)建。視圖類型主要有平面、立面、剖面、詳圖視圖、三維視圖等，每個視圖又包括模型線條、尺寸標注、注釋標記、文字、輔助線、視圖標題等圖元。模型線條是視圖的主體圖元，是直接從鋼筋三維模型中抽取并根據表達的需要隱藏不必要的部分而得到的，其他的尺寸標注、注釋標記、文字等圖元都是基于模型線條的輔助表達元素。視圖的視覺效果可以通過調整模型的詳細程度、著色模式來滿足不同的應用需求,如圖5所示。

2)鋼筋大樣創(chuàng)建。傳統(tǒng)的港口工程鋼筋混凝土構件鋼筋大樣一般采用簡圖的方式進行表達，即以示意線條表達鋼筋的幾何形狀、其他的標識信息如各段長度、轉角等標注在鋼筋的側面。這種方式不但將鋼筋大樣與模型中的三維鋼筋對象隔離開，且具有不直觀、不真實、鋼筋長度計算不準確等缺點。采用BIM技術后，真實的三維鋼筋對象將被創(chuàng)建，能準確表達鋼筋的直徑大小、轉彎半徑、彎鉤等細節(jié)部分。本文采用一種直接從模型中抽取，以合適的視圖為基礎進行標注、標記得到鋼筋大樣的方法,如圖6所示。該方法表達出的鋼筋形狀及屬性信息與模型始終保持關聯，標注及標識信息也能隨著模型的改變而即時更新，很好地適應了項目的變更需求。

圖5 前邊梁配筋斷面(單位：mm)

圖6 鋼筋大樣(單位：mm)

3)材料表創(chuàng)建。當所有的鋼筋對象被準確地創(chuàng)建后，充分利用軟件的工程量自動統(tǒng)計功能，就可按照規(guī)定的格式快速地創(chuàng)建鋼筋材料表(表2)。傳統(tǒng)二維方式往往采用人工手動統(tǒng)計，過程繁雜、耗時長、計量不精確且容易出現錯漏。BIM技術能充分利用計算機的優(yōu)勢，快速識別鋼筋模型對象及相關屬性，并進行匯總統(tǒng)計，大幅提高了工作效率。此外，可以統(tǒng)計出更多的信息內容，如傳統(tǒng)圖紙常忽視的鋼筋質量信息。

鋼筋混凝土構件混凝土工程量計算時，傳統(tǒng)二維方式一般不扣除埋入體內的鋼筋及小型挖孔(如通氣孔)的體積。采用BIM技術后，由于鋼筋及挖孔模型都被精確地創(chuàng)建了出來，為進一步精確計算構件的混凝土工程量提供基礎，可得到扣除后的混凝土工程量。

表2 單根梁材料表

注：C30混凝土工程量為4.67 m3。

2.3 參數化設計

為了適應不同的項目應用需求，進一步提高建模、繪圖效率，研究出一種以交互式創(chuàng)建的模型與圖紙為基礎，采用Revit API[7]技術進行參數化的設計方法。Revit API建立在Revit軟件基礎之上，用戶可以基于它來擴展和增強Revit功能和應用。本文通過二次開發(fā)實現了用戶只須輸入對應構件所需的構件尺寸、鋼筋類型、尺寸、布置信息(圖7)即可一鍵得到相應的鋼筋模型與圖紙。

圖7 參數化用戶界面

參數化功能具有以下特點：

1)構件參數化，構件尺寸隨長度、高度、寬度等參數的更改而自動更新(圖8)。

圖8 后邊梁高度、寬度改變前后模型變化(單位：mm)

2)鋼筋的規(guī)格、尺寸、布置隨構件尺寸參數及給定的鋼筋自身參數的更改而自動更新。

3)尺寸標注、鋼筋標注及對象標記等圖元會隨著變化自動更新。

4)圖紙與三維模型直接關聯更新。當三維鋼筋模型發(fā)生改變時，圖紙中的各個視圖、鋼筋大樣、材料表自動完成更新，以保證兩者的一致性。

2.4 模型交付

鋼筋模型的交付，應符合開放的數據交換標準，能與其他相關軟件進行數據交換。IFC(industry foundation classes)作為一種開放性的數據格式，可以解決不同軟件平臺、不同項目參與方數據共享共用的問題。Revit軟件通過了 BuildingSMART 關于IFC 輸入或IFC 輸出的官方認證，其導出的IFC文件保留了原有的幾何及非幾何信息，可以達到有效傳遞的要求(圖9)。將Revit構件三維鋼筋模型轉化為IFC格式文件，無疑成為交付方式的一個合適選擇，可為下游的項目應用提供源數據。

圖9 轉換后的IFC系靠船梁鋼筋模型透視圖界面

3 工程應用

某多用途碼頭工程建設1個4萬DWT件雜泊位和2個5萬DWT散貨泊位，內容包括碼頭平臺、引橋和變電所平臺。碼頭長808 m、寬37 m，為高樁梁板結構，選取該工程的預制T形縱梁構件，該梁長度6.1 m、高度1.6 m、寬度0.5 m，翼緣寬度、高度和加腋高度均為0.2 mm。按照輸入參數的方式，直接生成三維鋼筋模型及關聯的二維施工圖紙，見圖10～12，材料表見表3、4。

圖10 三維鋼筋模型透視圖

圖11 鋼筋布置(單位：mm)

圖12 鋼筋大樣(單位：mm)

表3 單根梁材料表1

表4 單根梁材料表2

注：混凝土用量為5.61 m3。

從生成的結果可以看出，創(chuàng)建的三維鋼筋模型真實地反映了構件鋼筋實際布置，能準確地表達鋼筋直徑、轉彎半徑、彎鉤等細節(jié)部分，可以直接指導現場施工。從鋼筋模型中直接抽取得到的施工圖紙，符合水運工程規(guī)范要求，可以替代原來的二維圖紙。同時，可以創(chuàng)建傳統(tǒng)二維不具備的三維視圖，更直觀地表達設計意圖，生成的三維鋼筋模型可直接導出為IFC文件進行模型交付。

4 結語

1)經工程應用表明，從鋼筋模型中抽取得到的施工圖紙，符合相關規(guī)范要求，且表達方式較傳統(tǒng)方式更加豐富、計量精度更高，更有益于表達設計意圖。

2)參數化設計可以有效提高鋼筋模型建模及出圖效率，減輕設計人員的工作量。

3)基于IFC格式文件，可以實現鋼筋模型的交付。