高位塔中央豎井BIM 設(shè)計(jì)方法

何姜江，袁多亮

( 中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

自然通風(fēng)冷卻塔是火力發(fā)電廠、核電發(fā)電廠濕冷機(jī)組及化工行業(yè)冷卻系統(tǒng)用的大型冷卻建(構(gòu))筑物。隨著國家經(jīng)濟(jì)政策的轉(zhuǎn)型，對(duì)節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的、低碳經(jīng)濟(jì)提出了更高的要求[1]。高位收水自然通風(fēng)冷卻塔(以下簡稱“高位塔”)具有明顯節(jié)能、降噪優(yōu)勢，未來的應(yīng)用前景更加有廣闊，尤其是對(duì)電價(jià)高及電源緊缺的地區(qū)，高位塔的優(yōu)勢更加明顯。

高位塔中央豎井區(qū)域是高位塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，由梁、板、柱等構(gòu)件組成。壓力進(jìn)水溝底部與中央豎井連通，豎井中部四周布置冷水槽，豎井上部與十字型配水槽連通，并設(shè)計(jì)控制配水系統(tǒng)的6 個(gè)閘門。豎井井筒四周設(shè)置4 個(gè)溢流井，可將豎井內(nèi)的水引入豎井外圍的冷水槽。中央豎井外圍設(shè)置冷水槽，其上方擱置單層配水槽。中央豎井零米以下設(shè)井座，與壓力進(jìn)水溝相連。豎井井筒下部與壓力進(jìn)水溝相連，上部沿四個(gè)方向分別設(shè)單孔和雙孔配水槽，四周設(shè)環(huán)形配水槽，井筒外圍設(shè)4 個(gè)溢流井，井筒頂部設(shè)檢修平臺(tái)[1]。

作為一種新興的建筑模型設(shè)計(jì)方法，建筑信息模型 ((building information model，BIM)其具有可視化、可協(xié)調(diào)、可模擬和可出圖性等特點(diǎn)。近些年很多工程師均采用BIM 技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)CAD 設(shè)計(jì)技術(shù)，特別是復(fù)雜單體建筑中，BIM 技術(shù)的優(yōu)勢更加明顯。但在工業(yè)領(lǐng)域如能源、化工等行業(yè)，BIM 技術(shù)的應(yīng)用還相對(duì)比較滯后[2-3]。

采用傳統(tǒng)CAD 設(shè)計(jì)技術(shù)不及三維設(shè)計(jì)直觀。由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)無法直觀表達(dá)構(gòu)建各構(gòu)件之間空間關(guān)系，對(duì)工程師的空間想象能力能出了更高的要求。CAD 的設(shè)計(jì)成果一般通過投影、剖切方式以二維圖形式來表達(dá)，極易出錯(cuò)，甚至導(dǎo)致碰撞[3]。同時(shí)傳統(tǒng)二維技術(shù)中平面圖和立面圖屬于相對(duì)獨(dú)立，不能聯(lián)動(dòng)修改，在設(shè)計(jì)過程中，若設(shè)計(jì)局部調(diào)整時(shí)，常常一處修改，多處調(diào)整，工作量巨大，且極易出錯(cuò)。

基于上述方法存在的不足，本文提出一種高位塔中央豎井三維設(shè)計(jì)方法，該方法結(jié)合BIM 技術(shù)特點(diǎn)，在BIM 平臺(tái)完成模型創(chuàng)建后，可自動(dòng)提取數(shù)據(jù)生成通用有限元模型用于內(nèi)力計(jì)算，同時(shí)將內(nèi)力計(jì)算結(jié)果返回至BIM 平臺(tái)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圖紙制作和材料統(tǒng)計(jì)等工作，全部設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)傳遞自動(dòng)傳遞，設(shè)計(jì)全過程可視化，可提高中央豎井設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量和效率。

1 技術(shù)路線

經(jīng)調(diào)研，目前已有多個(gè)軟件平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)，如Autodesk 公司的Revit 軟件、Bentley 公司的MicroStation 平臺(tái)、Dassualt Systems 公司的CATIA 軟件、Graphisoft 公司的Archicad 軟件等，這些軟件平臺(tái)都有自身的優(yōu)勢和特點(diǎn)[2]。綜合考慮通用性、操作友好性和價(jià)格等因素，國內(nèi)多采用Autodesk 公司的Revit 軟件來進(jìn)行BIM 三維建模。

1.1 設(shè)計(jì)流程

采用Revit 作為BIM 設(shè)計(jì)軟件，C#作為二次開發(fā)的工具，ANSYS 作為通用有限元軟件，提出一種高位塔中央豎井三維設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)流程圖，如圖1 所示，主要步驟如下：1)在Revit 軟件創(chuàng)建中央豎井模型；2)提取模型數(shù)據(jù)，形成有限元模型；3)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算；4)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算；5)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校驗(yàn)，判斷是否滿足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，若為是，則至下一步，若為否，則修改中央豎井模型中配筋信息或構(gòu)件截面信息后，返回至步驟2；6)生成三維鋼筋模型；7)生成圖紙和材料統(tǒng)計(jì)報(bào)表[4]。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

1.2 參數(shù)輸入

創(chuàng)建中央豎井模型的具體過程包括，先在Revit 軟件中創(chuàng)建中央豎井模型。創(chuàng)建中央豎井模型常用的方法有包括：1)在Revit 軟件中創(chuàng)建中央豎井族文件，通過修改族參數(shù)完成中央豎井模型的創(chuàng)建；2)在Revit 軟件中以搭積木方式完成中央豎井模型的創(chuàng)建。模型創(chuàng)建完成后布置埋件、埋管、孔洞等附件；其中，埋件、埋管、孔洞均以族文件形式加載；在上述模型輸入中央豎井各構(gòu)件的力學(xué)參數(shù)；其中，力學(xué)參數(shù)包括各構(gòu)件的容重、彈性模量、泊松比等；在模型中添加荷載信息，荷載包括風(fēng)荷載、檢修荷載、設(shè)備荷載、水壓力、土壓力、重力作用、地震作用；輸入荷載組合工況信息。也可編制程序自動(dòng)設(shè)定各參數(shù)，各參數(shù)均設(shè)置初始值，可結(jié)合具體工程對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行增加、修改和刪除操作。

1.3 模型創(chuàng)建

生成有限元模型的具體過程包括：先提取已創(chuàng)建的中央豎井模型的幾何信息、各構(gòu)件的力學(xué)參數(shù)、荷載信息和荷載組合工況信息、邊界條件，生成數(shù)據(jù)文件，并基于該數(shù)據(jù)文件在ANSYS 軟件中生成有限元模型。幾何信息包括構(gòu)件的長、寬、高、半徑等尺寸信息及位置信息；其中，數(shù)據(jù)文件指參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL)命令流文件， APDL 是ANSYS 命令程序語言，遵循FORTRAN 語言語法規(guī)則，命令流文件以宏(MAC)方式融于一個(gè)文本文件中；命令流文件內(nèi)容包括以下幾步：a)創(chuàng)建單元類型，定義參數(shù)；b)定義材料參數(shù)并賦值；c)創(chuàng)建模型；d)劃分單元；e)施加荷載；f)設(shè)置荷載組合工況；g)設(shè)置邊界條件。生成有限元模型有兩種方法：1)在通用有限元軟件中以命令流方式加載生成；2)生成符合通用有限元軟件格式要求的數(shù)據(jù)文件。有限元模型的創(chuàng)建是通過Revit 軟件平臺(tái)二次開發(fā)后程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，該模型已完成有限元網(wǎng)格的劃分，同時(shí)包括邊界條件、荷載以及荷載組合工況信息；有限元模型單元可以采用實(shí)體單元(Solid 65)組成，亦可采用梁單元(Beam188)和殼單元(Shell 181)組成。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)力計(jì)算的具體過程包括：采用有限元軟件進(jìn)行內(nèi)力分析，計(jì)算出中央豎井各構(gòu)件不同荷載工況組合下的內(nèi)力，內(nèi)力包括軸力、剪力和彎矩；提取上述內(nèi)力信息，寫入Revit 軟件，添加至各構(gòu)件屬性信息中。可生成APDL 命令流文件后自動(dòng)調(diào)用ANSYS 程序，通過/input 命令讀入上述文件并執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算指在Revit 軟件中提取有限元軟件的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果并根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范承載力極限狀態(tài)計(jì)算，得出中央豎井各構(gòu)件的鋼筋布置信息。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校驗(yàn)的具體過程包括：在Revit軟件中提取鋼筋布置信息并按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，包括中央豎井各構(gòu)件的裂縫和撓度。

生成三維實(shí)體鋼筋模型包括指根據(jù)鋼筋布置信息，調(diào)用Revit 鋼筋系統(tǒng)族生成三維實(shí)體鋼筋模型。鋼筋布置信息包括鋼筋的等級(jí)、直徑、形狀、間距、長度、數(shù)量。三維實(shí)體鋼筋包括受力筋、分布筋、腰筋、箍筋和拉結(jié)筋；對(duì)鋼筋進(jìn)行歸并、統(tǒng)計(jì)，生成鋼筋表。

生成圖紙和報(bào)表包括：在指定位置自動(dòng)添加剖面，形成剖面圖；在剖面圖中自動(dòng)添加標(biāo)注、文字說明信息；自動(dòng)生成鋼筋圖，添加鋼筋表；統(tǒng)計(jì)混凝土、鋼筋、埋管、埋件數(shù)量，形成材料報(bào)表；對(duì)圖中數(shù)字、文字等信息進(jìn)行校核、確認(rèn)，完成設(shè)計(jì)。

2 測試案例

2.1 工程背景

以重慶地區(qū)某工程高位收水冷卻塔中央豎井施工圖設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證三維設(shè)計(jì)方法的技術(shù)可行性。該工程中央豎井主要結(jié)構(gòu)尺寸如下：壓力進(jìn)水溝斷面尺寸4 200 mm×4 200 mm，中心標(biāo)高4.15 m，冷水槽高14.00 m，井筒內(nèi)孔尺寸4 200 mm×4 200 mm，頂標(biāo)高24.00 m。

2.2 BIM設(shè)計(jì)

根據(jù)高位塔中央豎井工藝流程及主要尺寸，在Revit 軟件中以搭積木方式創(chuàng)建三維幾何模型，該模型在Revit 軟件中以族文件形式創(chuàng)建，并能實(shí)現(xiàn)參數(shù)控制，以滿足設(shè)計(jì)調(diào)整需要。

在上述幾何模型各構(gòu)件中添加力學(xué)參數(shù)和荷載信息，力學(xué)參數(shù)包括各構(gòu)件的容重、彈性模量、泊松比等；荷載包括風(fēng)荷載、檢修荷載、設(shè)備荷載、水壓力、土壓力、重力作用、地震作用；在Revit 軟件中對(duì)荷載組合工況信息進(jìn)行設(shè)置，該信息內(nèi)嵌于族文件中[5]。

創(chuàng)建后的族文件的幾何模型，如圖2 所示。

圖2 高位收水冷卻塔中央豎井結(jié)構(gòu)三維視圖

2.3 有限元分析

基于Revit 軟件，采用C#進(jìn)行二次開發(fā)，調(diào)用Revit 軟件API 工具，提取中央豎井模型的幾何信息、荷載信息及荷載組合信息，生成ANSYS 軟件可識(shí)別的APDL 命令流文件。其中幾何信息包括構(gòu)件的長、寬、高、半徑等尺寸信息及位置信息。

APDL 命令流文件包括建模、計(jì)算、后處理共3 個(gè)模塊，其中建模模塊主要包括：a)創(chuàng)建單元類型，定義參數(shù)；b)定義材料參數(shù)并賦值；c)創(chuàng)建模型；d)劃分單元；e)施加荷載；f)設(shè)置荷載組合工況；g)設(shè)置邊界條件。計(jì)算模塊以命令流方式啟動(dòng)ANSYS 求解器，完成計(jì)算。后處理模塊包括提取中央豎井各構(gòu)件不同荷載工況組合下的內(nèi)力信息，保存至數(shù)據(jù)庫中。內(nèi)力信息包括軸力、剪力和彎矩，同時(shí)將上述內(nèi)力信息寫入Revit 模型，添加至各構(gòu)件屬性信息中，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算[4]。

在Revit 軟件啟動(dòng)ANSYS 程序，讀取已生成的APDL 命令流文件，完成有限元分析的建模、計(jì)算和后處理各步驟。生成的計(jì)算模型，如圖3 所示。

圖3 中央豎井三維有限元模型

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在Revit 軟件中提取和構(gòu)件的內(nèi)力，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》承載力極限狀態(tài)計(jì)算，得出中央豎井各構(gòu)件的鋼筋布置信息，并按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，包括中央豎井各構(gòu)件的裂縫和撓度；生成中央豎井各構(gòu)件的配筋布置信息，包括鋼筋的等級(jí)、直徑、形狀、間距、長度、數(shù)量等。

利用Revit 軟件功能，提取平面圖、剖面圖，添加標(biāo)注信息、文字信息等。生成圖紙，如圖4所示。

圖4 高位收水冷卻塔中央豎井結(jié)構(gòu)剖面圖

3 結(jié)語

本文將BIM 設(shè)計(jì)技術(shù)和有限元分析方法相結(jié)合，進(jìn)行中央豎井的設(shè)計(jì)，并以具體工程設(shè)計(jì)為例對(duì)該方法的可行性進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證。在BIM 平臺(tái)完成模型創(chuàng)建后，可自動(dòng)提取數(shù)據(jù)生成通用有限元模型用于內(nèi)力計(jì)算，也可將內(nèi)力計(jì)算結(jié)果返回至BIM 平臺(tái)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圖紙制作和材料統(tǒng)計(jì)等工作，全部設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)傳遞自動(dòng)傳遞，設(shè)計(jì)全過程可視化，可提高中央豎井設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量和效率。相比于傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)技術(shù)，簡化了設(shè)計(jì)流程，減少了數(shù)據(jù)的傳遞，更直觀、高效、準(zhǔn)確，提高冷高位塔中央豎井設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。可為其他工程提供借鑒參考，同時(shí)，該方法同樣適用于高位塔中冷水槽、配水槽、壓力進(jìn)水溝等復(fù)雜構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)。