基于BIM技術(shù)的裝配式高樁碼頭構(gòu)造節(jié)點設(shè)計研究

李慶 陸小曼 李淑湞 覃淑雯

摘?要：伴隨著BIM技術(shù)這一種新的理念和技術(shù)的發(fā)展，及裝配式建筑推廣普及，不僅是建筑行業(yè)，水運行業(yè)也迎來了重要的發(fā)展契機;基于BIM技術(shù)的可視化、參數(shù)化及模擬性等特點，應(yīng)用Revit軟件創(chuàng)建高樁碼頭模型，根據(jù)裝配式建筑理念，結(jié)合榫卯結(jié)構(gòu)特征設(shè)計其構(gòu)造節(jié)點，應(yīng)用3D打印技術(shù)驗證構(gòu)造節(jié)點設(shè)計的精準性;本文以梧州港中心港區(qū)塘源紫金村碼頭一期工程為例，希望為類似工程提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);裝配式高樁碼頭;榫卯結(jié)構(gòu);構(gòu)造節(jié)點設(shè)計

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息模型，是指在建設(shè)工程及設(shè)施全生命周期內(nèi)，對其物理和功能特性進行數(shù)字化表達，并依次設(shè)計、施工、運營的過程和結(jié)果的總稱。其作為一種新的理念和技術(shù)，是建筑行業(yè)的第二次革命;2017年12月交通運輸部發(fā)布《交通運輸部辦公廳關(guān)于推進公路水運工程BIM技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，明確提出將大力推進BIM技術(shù)應(yīng)用于公路水運工程，目前BIM技術(shù)在水運工程領(lǐng)域集中應(yīng)用在港口工程。

目前，我國學者紛紛對BIM技術(shù)在高樁碼頭建設(shè)中的應(yīng)用展開了研究;陳捷[1]等學者通過對高樁碼頭工程BIM應(yīng)用技術(shù)難點進行分析，并提出了基于高樁碼頭工程設(shè)計階段全流程應(yīng)用的解決方案及應(yīng)用方法;邢紅熙[2]等學者研究了BIM技術(shù)在高樁碼頭樁基碰撞檢驗和沉樁過程模擬的應(yīng)用;萬其炎[3]等學者通過對比分析公式計算、AutoCAD三維繪圖法及BIM技術(shù)應(yīng)用等方法，表明BIM技術(shù)在高樁碼頭碰撞驗算中的可行性及先進性。李薇[4]等學者通過BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢，實現(xiàn)了項目在施工過程中的計劃模擬、綜合查詢、進度管理及質(zhì)量管理等應(yīng)用;陳靜[5]等學者通過BIM技術(shù)將高樁碼頭與碼頭模型實現(xiàn)對接，并實時對碼頭進行監(jiān)測檢測。上述學者從設(shè)計、施工及運維等方面進行了BIM技術(shù)應(yīng)用研究，均取得了較好的成績，但對于裝配式高樁碼頭的構(gòu)造節(jié)點設(shè)計尚處于空白期。因此，本文根據(jù)高樁碼頭的結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)用BIM技術(shù)對其重要的構(gòu)造節(jié)點進行設(shè)計，并應(yīng)用3D打印技術(shù)驗證構(gòu)造節(jié)點設(shè)計的精確度。

1 創(chuàng)建高樁碼頭模型

1.1 工程概況

梧州港中心港區(qū)塘源紫金村碼頭一期工程位于梧州云龍大橋下游約550米潯江右岸，擬建4個3000噸級多用涂泊位，設(shè)計年吞吐能力為328萬噸，其中集裝箱26萬標箱，件雜貨物68萬噸。其中1#泊位是連片式高樁框架結(jié)構(gòu)型式，為3000噸級多用途泊位，泊位長度為129.1m，前沿頂高程26.50m（高程基準為國家85高程）。

1.2 參數(shù)化建模

項目前期，應(yīng)用Revit軟件創(chuàng)建高樁碼頭模型。Revit軟件的核心的概念之一即基于參數(shù)化的設(shè)計，利用參數(shù)化圖元進行參數(shù)族創(chuàng)建并分類，可有效地管理構(gòu)件數(shù)據(jù);利用參數(shù)化修改引擎，可做到一處修改處處更新。為了方便后期信息管理，參數(shù)族統(tǒng)一選用公制常規(guī)模型創(chuàng)建。

高樁碼頭參數(shù)化建模流程，如圖1所示。

完成模型如下圖2所示。

2 高樁碼頭模型構(gòu)造節(jié)點的選取與設(shè)計

選取高樁碼頭模型中各類族文件拼接重合的位置為節(jié)點，參考榫卯結(jié)構(gòu)的原理，針對其所在的位置，構(gòu)件的形狀，分別進行節(jié)點設(shè)計。本項目共設(shè)置了以下五類節(jié)點。

2.1 柱與柱的節(jié)點

由于柱為圓柱體構(gòu)件，且其截面尺寸一致，參照現(xiàn)代榫結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計了第一個節(jié)點，如圖3。

2.2 橫向聯(lián)系梁與縱向聯(lián)系梁的節(jié)點

因為橫向聯(lián)系梁與縱向聯(lián)系梁正好十字相錯，形似榫卯結(jié)構(gòu)中的十字悵，但其橫向聯(lián)系梁的位置略高于縱向聯(lián)系梁，所以這個節(jié)點我們根據(jù)需求參考了十字悵的做法，并對其進行了改進，如圖4。

2.3 聯(lián)系梁與聯(lián)系梁的節(jié)點

根據(jù)聯(lián)系梁前后端均受到柱的約束，可忽略其水平方向的滑動，所以對于過長的聯(lián)系梁，我們采取最常見的直榫結(jié)構(gòu)作為節(jié)點，如圖5。

2.4 柱與靠船構(gòu)件的節(jié)點

由于靠船構(gòu)件依附在柱上，受到上層梁、下層柱共同施加的約束，可忽略其豎直方向上的滑動，且柱的截面呈圓形而靠船構(gòu)件的截面為矩形，二者長度不同，形狀不同，考慮到圓柱形與矩形的重合面涉及到弧形接口，我們參考了榫卯中與柱垂直面有交接的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出圓材丁字形結(jié)合的節(jié)點，如圖6。

2.5 板與聯(lián)系梁的節(jié)點

由于碼頭前沿面板由B1、B2兩塊面板接合，且每兩塊面板下方均橫穿三根聯(lián)系梁，所以我們直接在面板下方設(shè)置聯(lián)系梁凹槽口，利用聯(lián)系梁縱向連接面板，而橫向面板則采取嵌入接口，直接滑動拼合兩塊面板，并利用縱向聯(lián)系梁約束面板，如圖7。

3 模型打印

本項目所用3D打印機為極光爾沃A8，使用材料：PLA，涉及建模軟件：Revit、3Ds max，切片軟件：Cura。

3.1 模型切片及打印

因該切片軟件僅支持STL格式文件，而Autodesk Revit無法直接導(dǎo)出STL格式文件，此時可借用其他軟件轉(zhuǎn)換格式。

本項目采用的中間軟件為3Ds max，將族文件由三維視圖導(dǎo)出，得到FBX格式，再將3D模型導(dǎo)入3Ds max，得到切片軟件所需的STL格式，最終在CURA內(nèi)調(diào)試打印溫度、檢測模型完整度，導(dǎo)出GCODE格式文件。

調(diào)平3D打印機平臺，進行預(yù)熱，預(yù)熱結(jié)束后進料，待噴頭拉絲后可直接選擇文件進行打印。

3.2 驗證模型精確度

由于3D打印機的運作原理是將材料高溫融化后重新塑形，故而模型精度有限。且打印是逐圈進行的，而模型在節(jié)點處設(shè)有空心形狀，材料細絲無法固定在沒有承接點的空心位置，在節(jié)點位置容易產(chǎn)生細小拉絲，而榫卯結(jié)構(gòu)在精度上要求極高，所以在新設(shè)計的節(jié)點打印后，要進行節(jié)點拼合測試，如圖8;節(jié)點拼合后構(gòu)件穩(wěn)定不松動，不脫落，且易于拆卸，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計需求。

4 結(jié)語

本文基于BIM技術(shù)的可視化、模擬性及參數(shù)化等特征，在3D打印技術(shù)逐步向建筑行業(yè)發(fā)展的情況下，結(jié)合高樁碼頭的裝配式特點，發(fā)揮我國傳統(tǒng)的榫卯結(jié)構(gòu)文化底蘊，嘗試將榫卯結(jié)構(gòu)重新應(yīng)用于以鋼筋混凝土為材料的裝配式建筑中。因此，以實際工程案例為基礎(chǔ)，應(yīng)用BIM技術(shù)創(chuàng)建并檢查裝配式高樁碼頭模型，在可視化及參數(shù)化支持下，參考榫卯結(jié)構(gòu)重新設(shè)計高樁碼頭構(gòu)造節(jié)點，通過3D打印技術(shù)將構(gòu)造設(shè)計實體化，驗證構(gòu)造節(jié)點設(shè)計精確性及穩(wěn)定性。為BIM技術(shù)及3D打印技術(shù)在裝配式高樁碼頭設(shè)計施工中提供參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]陳捷，沈壽亮，齊魯尚.BIM技術(shù)在高樁碼頭工程設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].中國水運月刊，2018，18（11）：150-151.

[2]邢紅熙.BIM技術(shù)在高樁碼頭樁基施工中的應(yīng)用[J].城市建筑，2019（23）.

[3]萬其炎，許書星.BIM技術(shù)在高樁碼頭碰樁驗算中的應(yīng)用[J].中國水運月刊，2018，18（10）：170-172.

[4]李薇，蘆志強，于水.BIM技術(shù)在高樁碼頭設(shè)計施工一體化建設(shè)中的應(yīng)用[J].中國水運（下半月），2018，018（010）：161-163.

[5]陳靜，楊凱，馬瑞鑫，等.BIM技術(shù)在高樁碼頭監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].艦船電子工程，2018，038（011）：8-11，62.