采用BIM技術對北方寒區(qū)溫室建模與CAD 繪圖的對比分析＊

魏存興，解恒燕，鄭鑫(黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，黑龍江大慶 163319)

目前中國對溫室結構設計沒有統(tǒng)一標準，除2017 年住建部頒布的GB/T51183-2016 《農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》外[1]，幾乎沒有設計依據(jù)可循。在設計軟件方面更是沒有像房屋設計通用的PKPM 設計軟件可用，繪圖一般常用Auto CAD繪圖軟件。國內(nèi)外學者在溫室受力、結構形式及空間利用等方面研究較多[2-5]，針對溫室結構設計軟件方面尚未見相關研究。

BIM 是Building Information Model 即“建筑信息模型”的簡稱，BIM 技術是建筑行業(yè)與信息融合的“革命性”技術，BIM 技術的應用改變了傳統(tǒng)的手工繪圖和常見的Auto CAD 繪圖，可以對現(xiàn)有的進度和施工方案進行模擬演示，并且可以通過BIM 的碰撞沖突發(fā)現(xiàn)施工過程中遇到的問題，這對于傳統(tǒng)施工方法有著十分重要的影響，有效提升了施工質量與效率。

Revit 作為BIM 中一款功能強大的結構建模軟件，構建的模型中包含了建筑物的物理和功能特性信息[6]。本文采用Revit 軟件對已建成的北方寒區(qū)塑料大棚、傳統(tǒng)日光溫室、純鋼結構日光溫室及新建弧邊方鋼管骨架日光溫室進行了三維建模，探索BIM 技術在設施農(nóng)業(yè)上的應用[7]。

采用BIM 技術對已建成北方寒區(qū)溫室建模

塑料大棚

本文擬建模的塑料大棚位于黑龍江省大慶市高新區(qū)黑龍江八一農(nóng)墾大學校園內(nèi)（125.17°E，46.59° N）。該塑料大棚主要用于春季校內(nèi)綠化育秧。塑料大棚俗稱“冷棚”，內(nèi)部無保溫設施，冬季不可用。塑料大棚外部、內(nèi)部分別如圖1～2。

圖1 塑料大棚外部

圖2 塑料大棚內(nèi)部

采用Revit 建模得到的塑料大棚骨架立面圖如圖3，骨架采用焊接桁架式，俗稱“花梁”。塑料大棚5 榀骨架三維視圖如圖4。大棚總長度為100 m，骨架間距1 m。由于骨架完全相同，為簡化起見，本文建模采用5 榀骨架的塑料大棚模型。大棚縱向由9 根系桿連接，棚內(nèi)每3.0 m 設1 根立柱，用以提高大棚豎向承載力及抵抗變形能力。骨架基礎采用C30 混凝土墩埋入地下0.5 m 左右。大棚入口在山墻一側，如圖中交叉鋼管所示。采用Revit 建模后，無需再用人工計算材料用量，在Revit 界面中可自動生成門窗表、材料用量表和材質表，按照需要的格式和內(nèi)容可轉換生成符合需要的Excel 表格，非常方便。采用Revit 建模得到的單榀塑料大棚骨架鋼材用量明細表如表1。經(jīng)計算，5 榀塑料大棚骨架總用鋼量為220.282 kg。

圖3 塑料大棚骨架立面圖/mm

圖4 塑料大棚5 榀骨架三維視圖

表1 5 榀塑料大棚骨架鋼材用量明細表

傳統(tǒng)日光溫室

本文擬建模的傳統(tǒng)日光溫室位于黑龍江省大慶市龍鳳濕地附近的育祿農(nóng)業(yè)科技有限公司所屬的上蒼采摘園內(nèi)（位置經(jīng)緯度分別為125.17°E，46.51°N）。日光溫室俗稱“暖棚”，該溫室內(nèi)種植黃瓜、草莓、葡萄及葉菜，由于溫室保溫性能好，因此可實現(xiàn)一年四季不間斷生產(chǎn)。該傳統(tǒng)日光溫室外部、內(nèi)部分別如圖5～6。

圖5 傳統(tǒng)日光溫室外部

圖6 傳統(tǒng)日光溫室內(nèi)部

采用Revit 建模的傳統(tǒng)日光溫室骨架立面圖如圖7，骨架同樣采用焊接桁架式，溫室北側采用高度為3 m 帶有保溫層的混凝土砌塊墻體。溫室總長度為100 m，骨架間距1 m，其5 榀骨架三維視圖如圖8。溫室縱向由5 根系桿連接，棚內(nèi)每12 m 設1 根圓形鋼管立柱和1 根斜向矩形鋼管焊接而成的T 形骨架，用于懸吊植物葉蔓。傳統(tǒng)日光溫室的基礎為埋入在地下的混凝土墩，溫室入口在山墻一側，如圖中交叉鋼管所示。5榀傳統(tǒng)日光溫室骨架及立柱、斜桿鋼材用量明細表如表2。經(jīng)計算，5 榀傳統(tǒng)日光溫室骨架總用鋼量為271.561 kg。

圖7 傳統(tǒng)日光溫室骨架立面圖/mm

圖8 傳統(tǒng)日光溫室5 榀骨架三維視圖

表2 5 榀傳統(tǒng)日光溫室骨架及立柱、斜桿材料用量明細表

純鋼結構日光溫室

圖10 純鋼結構日光溫室內(nèi)部

本文擬建模的純鋼結構日光溫室位于黑龍江省大慶市林甸縣（124°87' E，47°18'N）黑龍江八一農(nóng)墾大學設施示范基地內(nèi)。該溫室在當?shù)乇环Q為“三月溫室”[11]，溫室內(nèi)主要種植番茄和白菜?？梢詫崿F(xiàn)一年兩茬種植。本純鋼結構日光溫室外形與傳統(tǒng)日光溫室相同，但其骨架為整體純鋼結構，無北側墻體。為達到保溫效果，在溫室北側鋼結構上覆蓋草簾和黑色塑料布。純鋼結構日光溫室外部、內(nèi)部分別如圖9～10 所示。采用Revit 建模得到的純鋼結構日光溫室骨架立面圖如圖11，骨架仍為焊接桁架式。溫室總長度為100 m，骨架間距1 m，純鋼結構日光溫室5 榀骨架三維視圖如圖12。溫室縱向由6 根系桿連接，棚內(nèi)右上角布有相互垂直的兩根斜桿，以提高大棚的穩(wěn)定性。溫室基礎為埋入地下0.2 m 的混凝土墩。本溫室入口未設置在山墻一側，而是設在南側第一跨，如圖中交叉鋼管所示。5 榀純鋼結構日光溫室骨架鋼材用量明細表如表3。經(jīng)計算，5 榀純鋼結構日光溫室骨架總用鋼量為273.178 kg。

圖9 純鋼結構日光溫室外部

表3 5 榀純鋼結構日光溫室骨架材料用量明細表

圖11 純鋼結構日光溫室骨架立面圖/mm

圖12 純鋼結構日光溫室5 榀骨架三維視圖

溫室材料用量對比

由采用Revit 對三種溫室建模得到的用鋼量可以得到，5 榀塑料大棚骨架總用鋼量為220.282 kg，5 榀傳統(tǒng)日光溫室骨架總用鋼量為271.561 kg，5 榀純鋼結構日光溫室骨架總用鋼量為273.178 kg。傳統(tǒng)日光溫室與純鋼結構日光溫室用鋼量相當，都大于塑料大棚的用鋼量。由于傳統(tǒng)日光溫室北側墻體材料沒有計算在內(nèi)，因此如計算整體材料造價，傳統(tǒng)日光溫室造價最高，其次是純鋼結構日光溫室，塑料大棚材料造價最低。經(jīng)手算核對，Revit 建模得到的材料用量非常準確。采用Revit 建模后，材料用量能同時生成，方便快捷，大大節(jié)省了工作量。

采用BIM 技術對新建溫室建模與采用CAD 繪圖的比較

BIM 技術優(yōu)點

傳統(tǒng)的CAD 繪圖和手繪圖一樣，得到的平、立、剖面圖互不關聯(lián)，若需要某些特殊位置的圖，只能重新繪制。而如果在某個局部做了修改，需要重新檢視所有圖，逐一更改。這一過程不僅耗時耗力，還容易出錯。一些復雜結構的CAD 圖需要繪制人員和識圖人員具有足夠的空間想象力，否則容易導致設計與施工不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生錯誤。與CAD 相比，BIM 在這些方面功能較強。BIM采用三維建模，模型建好后，需要哪個位置的圖都能快捷生成。如果有修改，則只需要在一處改動后，軟件自動地動一處而動全體，自動完成全部修改。BIM 的可視化是其最大的優(yōu)點，三維可視化模型把現(xiàn)實中的結構構件生動地展示出來，任何參與項目的人員都可對所設計的對象有更加直觀、整體的認識[12-13]。

采用BIM 技術對新建日光溫室建模

2021 年春，黑龍江八一農(nóng)墾大學擬在校內(nèi)建造植物園工程，其中包含1 棟日光溫室。結合本項工程，對日光溫室進行了BIM 建模，并與CAD 繪圖進行了對比。該日光溫室骨架采用將常規(guī)方鋼管直角邊鈍化形成的弧邊方鋼管，其截面如圖13?；∵叿戒摴芄羌軟]有尖角，不會破壞塑料膜，且由于截面更加舒展，其抗彎剛度大于常規(guī)方鋼管。與桁架式骨架相比，弧邊方鋼管骨架更易于制造安裝，結構簡單，剛度和穩(wěn)定性更優(yōu)，因此這種材料目前在中國北方寒區(qū)新建溫室中應用較廣泛。溫室內(nèi)北側有集熱蓄能裝置，用作冬季保溫。該日光溫室骨架南側采用雙層鋼管，內(nèi)層鋼管上可用于鋪設棉被保溫。溫室總長度為50 m，骨架間距1 m。采用CAD 繪制得到的弧邊方鋼管骨架日光溫室平面圖及立面圖如圖14～15。采用Revit 建模得到的弧邊方鋼管骨架日光溫室平面圖、立面圖如圖16～17。

圖13 弧邊方鋼管截面圖

從圖14～15 與圖16～17 的比較可見，采用CAD 繪圖和采用Revit 建模得到的日光溫室平面圖和立面圖區(qū)別不大，Revit 建?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)有CAD 繪圖的功能。但CAD 無法快速得到三維視圖，且用CAD 進行三維視圖需要繪圖者豐富的想象力，容易出錯，還要耗費大量時間和精力。而采用Revit 軟件可以在瞬間得到任意視角的三維視圖，弧邊方鋼管骨架日光溫室三維視圖如圖18。Revit 建模還可以得到設計對象的場地配景，如圖19。場地配景給設計者廣闊的想象空間，也可與場地實際相結合進行現(xiàn)場模擬，可得到逼真的效果圖。

圖14 采用CAD 繪圖得到的弧邊方鋼管骨架日光溫室平面圖/mm

圖15 采用CAD 繪圖得到弧邊方鋼管骨架日光溫室立面圖/mm

圖16 采用Revit 建模得到的弧邊方鋼管骨架日光溫室平面圖/mm

圖17 采用Revit 建模得到的弧邊方鋼管骨架日光溫室立面圖/mm

圖18 采用Revit 建模得到的弧邊方鋼管骨架日光溫室三維視圖

圖19 采用Revit 建模得到的弧邊方鋼管骨架日光溫室三維場地配景圖

BIM 技術可視化效果

采用Revit 軟件中的照相功能可得到設計對象任一位置的模擬實景圖片。圖20 為采用Revit照相功能得到的日光溫室內(nèi)景圖片，圖21 為建成后拍攝得到的日光溫室內(nèi)部照片。由圖20～21 可知，兩張圖片相似度還是比較高的。在設計階段，可根據(jù)模擬實景圖片對某些部位進行修改和完善。此外，Revit 軟件還可得到按照設計路徑的漫游視頻，Revit 軟件的可視化功能非常強大。

圖20 采用Revit 照相功能得到的弧邊方鋼管骨架日光溫室內(nèi)部圖片

圖21 建成后的弧邊方鋼管骨架日光溫室內(nèi)部照片

結論

通過采用Revit 軟件對已建成北方寒區(qū)塑料大棚、傳統(tǒng)日光溫室、純鋼結構日光溫室及新建弧邊方鋼管日光溫室三維建模及分析表明：①采用BIM 技術對北方寒區(qū)溫室建模能夠完成目前采用CAD 繪圖的所有功能；②采用BIM 技術對北方寒區(qū)溫室建模具有三維視圖、自動生成材料用量等CAD 繪圖無法完成的功能；③采用BIM 技術對北方寒區(qū)溫室建模具有較強的可視化效果，非常適合應用于設施農(nóng)業(yè)的設計與建造。