基于BIM鋼結(jié)構(gòu)景觀塔設(shè)計

張亮權(quán)

(中鋼石家莊工程設(shè)計研究院有限公司,河北 石家莊 050021)

目前，鋼結(jié)構(gòu)景觀塔工程由于工程體量較小，因而在新技術(shù)、新方法等方面研究較少，仍處于粗放式增長階段。具體體現(xiàn)在以下方面：在設(shè)計階段，新建景觀塔需要通過人工多次現(xiàn)場查勘才能確定設(shè)計方案，嚴(yán)重浪費人員配置，增加工程成本等；在加工制作及施工階段，由于主觀原因或客觀原因，導(dǎo)致各種工程質(zhì)量問題，致使鋼結(jié)構(gòu)景觀塔出現(xiàn)安全隱患或推遲交付時間等。

采用數(shù)字信息化的鋼結(jié)構(gòu)景觀塔建筑信息模型、施工信息模型，可針對問題進行高效解決，不僅提高各參建單位的工作效率，更能為工程節(jié)約投資。

本景觀塔塔高54 m，內(nèi)部為一獨立圓柱管塔，外部設(shè)置按照三塊圍護飄板考慮，頂部設(shè)一直徑7 m的裝飾球體，代表“三龍戲珠”，塔體設(shè)置內(nèi)爬梯，塔頂設(shè)置避雷針。用BIM直接出具的效果圖及結(jié)構(gòu)立面總圖如圖1，圖2所示。

1 BIM軟件

建筑行業(yè)較為常用的BIM軟件平臺主要有Autodesk,Bentley,Dassault Systems和Graphisoft，其占據(jù)了建筑行業(yè)BIM軟件的多數(shù)份額。國內(nèi)多家公司基于各BIM軟件平臺開發(fā)的二次軟件也在不斷發(fā)展與完善。

Autodesk公司提供的Revit軟件包含了建筑、結(jié)構(gòu)和機電三個專業(yè)，適合于民用建筑使用[1]。Bentley公司提供的建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備系列產(chǎn)品在工業(yè)設(shè)施和市政基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢，國內(nèi)廣泛用于工業(yè)設(shè)施。Graphisoft公司提供的ArchiCAD定位于建筑學(xué)專業(yè)軟件，缺乏其他專業(yè)的相關(guān)軟件，較為單一，使用者較少。Dassault公司提供的CATIA是全球最高端的機械設(shè)計制造軟件，在航空、汽車等領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。

本文采用Autodesk發(fā)布的revit軟件對某鋼結(jié)構(gòu)景觀塔信息模型進行設(shè)計。

2 應(yīng)用思路

鋼結(jié)構(gòu)景觀由塔體、裝飾球體、外圍護飄板及基礎(chǔ)組成，以塔體和外裝飾作為主要載體。

2.1 塔體

鋼結(jié)構(gòu)塔體是景觀塔工程中最主要的構(gòu)成部分，主要包含結(jié)構(gòu)、設(shè)備兩部分，塔體屬于高聳鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點繪制復(fù)雜。實際應(yīng)用中采用Revit Structure及基于平臺開發(fā)的插件進行創(chuàng)建，對于復(fù)雜的鐵塔節(jié)點采用鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)深化設(shè)計軟件Tekla進行創(chuàng)建，塔體空間模型如圖3，圖4所示。

2.2 外裝飾

外裝飾球體及外圍護飄板與常見工業(yè)及民用建筑相比，體量非常小，設(shè)計的功能也較為單一，采用Autodesk Revit即滿足模型創(chuàng)建要求，外裝飾球體模型見圖5，圖6。

2.3 基礎(chǔ)

景觀塔為上部結(jié)構(gòu)，需要設(shè)置在基礎(chǔ)之上。基礎(chǔ)采用Autodesk Revit實現(xiàn)建筑信息模型建立，復(fù)雜基礎(chǔ)通過創(chuàng)建族文件，景觀塔基礎(chǔ)模型如圖7，圖8所示。

3 BIM在鋼結(jié)構(gòu)景觀塔設(shè)計中的運用

3.1 模型參數(shù)化

鋼結(jié)構(gòu)景觀塔主要由塔基、塔體、裝飾球體、外圍飄帶板及復(fù)雜構(gòu)件組成，每個構(gòu)件都有各自的特定作用，采用Revit建立模型并進行參數(shù)化設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)塔體為格構(gòu)式，各構(gòu)件采用標(biāo)準(zhǔn)型鋼組成，采用軟件提供的各種型鋼文件建立相應(yīng)的族類型。主塔鋼管之間的連接采用法蘭連接，可采用Revit軟件創(chuàng)建的法蘭單元實現(xiàn)連接。裝飾球體桿件的連接采用焊接節(jié)點板，建立相應(yīng)的節(jié)點板單元。

鋼結(jié)構(gòu)景觀塔采用鋼管作為塔體主要材料，圓形截面風(fēng)荷載系數(shù)小，不易破壞，可降低維護成本。塔型隨風(fēng)荷載曲線變化設(shè)計，線條流暢，每個塔段頂部與底部寬度不同，使得Revit建模要考慮斜柱的形成，鋼結(jié)構(gòu)景觀塔空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)方式比較困難。景觀塔結(jié)構(gòu)采用的構(gòu)件截面主要是圓鋼管截面，主要桿件截面分布如表1所示。

表1 主要桿件截面表

本文采用基于Revit平臺開發(fā)的插件功能進行建模。采用Excel表格編制公式可計算出各個桁架節(jié)點坐標(biāo)，整理并設(shè)置構(gòu)件類型等數(shù)據(jù)，最后通過插件的“基于Excel生產(chǎn)模型”功能，生成建筑信息模型。塔柱傾斜段可通過調(diào)整圓管柱成斜柱的方式實現(xiàn)，同時保證上下法蘭的對接性，最終完成塔身模型參數(shù)化。

3.2 建立族文件

組成鋼結(jié)構(gòu)景觀塔的族多種多樣，主要包含了：塔身、球體骨架、外飄帶支架、避雷針、爬梯、地腳螺栓、法蘭、附屬構(gòu)件等。

組合構(gòu)件零件數(shù)量較多，不適合在一個族文件中全部新建繪制，將各零件分別新建族，然后嵌套至主體族中形成組合構(gòu)件。

3.3 數(shù)據(jù)互導(dǎo)

SAP2000軟件完成景觀塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，并同Revit采用接口進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)互導(dǎo)及更新，結(jié)構(gòu)計算模型采用空間模型(見圖9，圖10)。

鐵塔上的荷載和作用力可分為兩類：永久荷載、可變荷載。

永久荷載主要包括鐵塔自重、裝飾球及裝飾飄帶自重、平臺及設(shè)備自重。

可變荷載有風(fēng)荷載、安裝檢修荷載、塔上平臺活荷載、地震作用、裹冰荷載和溫度作用等。具體分類如表2所示。

表2 荷載分類

各荷載組合分別表示為：標(biāo)準(zhǔn)組合、基本組合，荷載取值及組合按GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范和GB 50135—2019高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[2]。

鐵塔在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下，按非線性方法分析，塔上任意點的水平位移不應(yīng)大于該點離地高度的1/50。塔頂位移見圖11。

以風(fēng)荷載為主的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的計算結(jié)果為：

鐵塔結(jié)構(gòu)桿件截面驗算及桿件材料利用率如圖12，圖13所示，整個結(jié)構(gòu)桿件的材料利用率在0.92以下，構(gòu)件具有一定的安全儲備。

通過對塔身段橫向連接焊縫強度計算、塔身段內(nèi)法蘭螺栓的計算、桿件拼接外法蘭螺栓的計算以及塔底法蘭盤與錨栓的計算，對連接節(jié)點進行設(shè)計，部分節(jié)點通過Revit設(shè)計如圖14～圖17所示。

4 主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

基于BIM景觀塔模型，可以在Revit中列出工程量清單，鐵塔重量及基礎(chǔ)混凝土方量等經(jīng)濟指標(biāo)如表3所示。

表3 主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

5 設(shè)計的難點及處理

5.1 難點

飄帶板采用鋁單板，由于造型的影響，兩千多塊鋁單板沒有兩塊是相同的，為了完美體現(xiàn)景觀塔的效果，需在飄帶板上預(yù)留LED燈帶孔，飄帶板的分格既要滿足加工制作的要求又要滿足燈帶孔的布置是設(shè)計的難點[3-4]。直徑7 m的頂部裝飾球是套設(shè)在直徑1.6 m的主塔管上的，考慮了防腐及耐候的因素，裝飾球體骨架需熱鍍鋅處理，且球體直徑較大，遠超過鍍鋅槽的尺寸，加上主塔管也需熱鍍鋅處理，施工現(xiàn)場無法進行裝飾球體與主塔管焊接，只能采用螺栓拼接，裝飾球體骨架如何拆分成可熱鍍鋅部件，又能通過現(xiàn)場組裝滿足承載力及正常使用要求也是一個難點。

5.2 處理方案

三圍護飄帶板的設(shè)計用Revit對飄帶板進行分格及預(yù)留LED燈孔設(shè)計，在保證三維模型正確的基礎(chǔ)上，生成每一塊飄帶鋁板的報表數(shù)控切割文件，服務(wù)于構(gòu)件的加工制作。

關(guān)于裝飾球體的設(shè)計，用Revit對球體進行分區(qū)，球體1、球體2扇形角度為40°，球體3、球體4扇形角度為20°，球體共分為12扇，部件的外輪廓尺寸能順利的進行熱鍍鋅。支撐管套件為1/2的φ299 mm鋼管，上下焊接連接板，用M20螺栓擰緊。每扇球體件采用M20螺栓連接，球扇上下焊接扇形法蘭與主柱法蘭用M20連接，扇區(qū)分布如圖18所示。

通過Revit三維建模，消除構(gòu)件碰撞隱患；實現(xiàn)數(shù)據(jù)互導(dǎo)并開展施工過程仿真分析，消除吊裝過程中的安全隱患。通過Revit創(chuàng)建球體骨架及連接的模型，并自動生成鋼結(jié)構(gòu)詳圖和各種報表，保證三維模型正確的基礎(chǔ)上，自動生成各種報表和數(shù)控切割文件，為物資采購提供準(zhǔn)確的材料清單，并為竣工驗收提供詳細技術(shù)資料。生成構(gòu)件安裝布置圖，安裝布置圖為指導(dǎo)現(xiàn)場構(gòu)件吊裝與連接的圖紙,生成的安裝圖紙，包括構(gòu)件的平面布置圖，立面圖、剖面圖、節(jié)點大樣圖、構(gòu)件編號、節(jié)點編號等內(nèi)容，同時還包括了詳細的構(gòu)件信息表，清晰的表達構(gòu)件編號、材質(zhì)、外形尺寸、重量等重要信息，滿足鋼結(jié)構(gòu)景觀塔工程按圖精確施工的要求[5-8]。

6 BIM實施的亮點

6.1 設(shè)計加工制造一體化融合

鋼結(jié)構(gòu)景觀塔項目的實施過程中，結(jié)構(gòu)建模煩瑣，每類構(gòu)件各不相同，搭建模型需花費大量的人力和時間[9-10]。通過Revit，輸入各族的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，軟件直接生產(chǎn)所需模型，能做到結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)化、表格化、自動化，使設(shè)計師的設(shè)計效率提供90%，有更多的時間專注于設(shè)計理念和設(shè)計優(yōu)化。生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)三維模型不僅滿足三維設(shè)計的需求，同時可以實現(xiàn)“加工制造級”的建模精度，直接自動生成加工圖、BOM表等數(shù)據(jù)。將BIM信息數(shù)據(jù)延伸至下游的制造業(yè)，指導(dǎo)制造工廠進行加工制作，打通設(shè)計加工制造一體化流程。

6.2 模數(shù)分離，提高效率

在設(shè)計過程中，大量建筑模型數(shù)據(jù)需要與模型匹配錄入，人工手動錄入不僅費時費力，效率低下，而且極易造成數(shù)據(jù)遺漏或錄入錯誤。通過Revit及其插件，實現(xiàn)批量數(shù)據(jù)錄入程序，可以與Excel數(shù)據(jù)互導(dǎo)互通，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的錄入、提取、修改、查詢等功能。模型搭建過程中不同步錄入模型的數(shù)據(jù)信息，模型搭建完畢，通過程序統(tǒng)一進行信息錄入。優(yōu)化了設(shè)計流程，提高了建模效率，以往采用人工錄入需要四個小時，而且容易遺漏和錯錄，使用程序，僅半小時就可以完成數(shù)據(jù)錄入工作。

6.3 360°全景式漫游系統(tǒng)

通過Revit實現(xiàn)了360°全景式漫游系統(tǒng)，用戶通過掃描二維碼，即可進入項目的虛擬漫游系統(tǒng)。極大地方便了與業(yè)主進行設(shè)計方案交流及展示設(shè)計成果。用戶可以通過PC端、移動端等多終端進行項目的漫游瀏覽。系統(tǒng)無需安裝客戶端，數(shù)據(jù)吞吐量小，硬件配置要求低。

7 結(jié)語

采用與Revit及與Revit實現(xiàn)雙向關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000，實現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)景觀塔的結(jié)構(gòu)建模、內(nèi)力計算、構(gòu)件設(shè)計、節(jié)點設(shè)計、詳圖設(shè)計的流程，做到了技術(shù)先進、安全美觀、經(jīng)濟合理，為類似鋼結(jié)構(gòu)景觀的設(shè)計進行了積極探索。