淺談三維建模在鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字設(shè)計與智能建造中的應(yīng)用

【摘要】

以大型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房——成涼園區(qū)食品產(chǎn)業(yè)（農(nóng)產(chǎn)品加工）標(biāo)準(zhǔn)化廠房項目A區(qū)為例，探析Tekla Structures三維建模技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中的數(shù)字設(shè)計和智能建造應(yīng)用。全面總結(jié)了Tekla在鋼結(jié)構(gòu)建筑全周期管理中的數(shù)字化設(shè)計與智能建造體系，從設(shè)計深化，再到施工階段的構(gòu)件生產(chǎn)、吊裝作業(yè)、進(jìn)度監(jiān)控以及最終的工程結(jié)算，Tekla以其強(qiáng)大的技術(shù)支撐與廣泛的應(yīng)用場景，為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的全生命周期管理提供了全面而深入的技術(shù)應(yīng)用，展現(xiàn)了其在推動建筑行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化升級中的重要作用［1］。

【關(guān)鍵詞】Tekla;鋼結(jié)構(gòu)； 數(shù)字設(shè)計； 智能建造.

【中圖分類號】TU391【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2024-10-29

［作者簡介］楊樺（1983—），男，本科，高級工程師，從事房建基礎(chǔ)處理及主體施工管理工作；

力云奎（1987—），男，本科，高級工程師，從事房屋建筑工程施工與技術(shù)管理工作；

石國凱（1999—），男，本科，助理工程師，從事建筑施工技術(shù)管理工作。

1 概述

成涼園區(qū)食品產(chǎn)業(yè)（農(nóng)產(chǎn)品加工）標(biāo)準(zhǔn)化廠房項目A區(qū)位于西昌市成涼園區(qū)CLE-05-01號地塊內(nèi)東側(cè)用地，本項目建設(shè)凈用地面積27 733.82 m2，且用地位于西昌成涼工業(yè)園區(qū)，緊鄰機(jī)場路G248國道，該場地北側(cè)為寶昌路，南側(cè)為規(guī)劃段家河，東側(cè)為機(jī)場路G248國道，西側(cè)為中澤橄欖油廠區(qū)用地，場地內(nèi)北高南低，高差1.5 m，交通便利。因本項目共5棟鋼結(jié)構(gòu)廠房，其鋼結(jié)構(gòu)種類較多，節(jié)點較為復(fù)雜，為了提高施工質(zhì)量和效率，項目部采用Tekla Structures對鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。

2 數(shù)字化設(shè)計與應(yīng)用

2.1 Tekla的數(shù)字化設(shè)計特點

（1）三維建模：Tekla允許用戶在一個虛擬的空間中搭建完整的鋼結(jié)構(gòu)模型，模型中包含了零部件的幾何尺寸、材料規(guī)格、橫截面、節(jié)點類型、材質(zhì)、用戶批注等所有信息。這種三維建模方式使得設(shè)計更加直觀，便于發(fā)現(xiàn)構(gòu)件之間的連接錯誤（圖1）。

（2）智能性：Tekla是一個基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的智能軟件包，模型中所有元素（如梁、柱、板、節(jié)點螺栓等）都是智能目標(biāo)。當(dāng)模型中某個元素的屬性發(fā)生改變時，與之相關(guān)的其他元素也會自動更新，從而減少了人為錯誤［2］。

（3）參數(shù)化設(shè)計：Tekla支持參數(shù)化設(shè)計，用戶可以通過調(diào)整參數(shù)來快速修改模型，提高了設(shè)計效率。

（4）豐富的節(jié)點庫：Tekla包含了600多個常用節(jié)點，用戶可以在創(chuàng)建節(jié)點時方便地選擇并使用這些節(jié)點，降低了設(shè)計難度。

（5）強(qiáng)大的報表功能：Tekla可以自動生成多種報表，如螺栓報表、構(gòu)件表面積報表、構(gòu)件報表、材料報表等，這些報表為工程預(yù)算和工程管理提供了重要依據(jù)。

2.2 Tekla的數(shù)字化應(yīng)用

（1）設(shè)計階段：在設(shè)計階段，Tekla通過三維建模幫助設(shè)計師更好地理解和表達(dá)設(shè)計意圖。同時，通過碰撞檢查功能可以發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計中的問題，提高了設(shè)計質(zhì)量。

（2）生產(chǎn)階段：Tekla生成的詳圖和各種報表可以直接用于生產(chǎn)階段，為數(shù)控切割、加工和組裝提供了精確的數(shù)據(jù)支持。此外，Tekla還支持與CNC機(jī)床等設(shè)備的直接連接，實現(xiàn)了設(shè)計與生產(chǎn)的無縫對接。

（3）安裝階段：Tekla提供的構(gòu)件安裝圖和總體布置圖可以幫助安裝人員更好地理解和執(zhí)行安裝任務(wù)。同時，Tekla還支持現(xiàn)場定位監(jiān)測功能，通過與Trimble激光定位設(shè)備等設(shè)備的結(jié)合使用，可以實現(xiàn)精確的施工定位。

（4）信息化施工：Tekla在信息化施工中扮演了重要角色?？梢酝ㄟ^BIM（建筑信息模型）技術(shù)將各種信息關(guān)聯(lián)到模型中，使得施工中的各方都能獲取到所需的信息。此外，Tekla還支持?jǐn)?shù)據(jù)共享和協(xié)同工作功能，提高了項目管理的效率和準(zhǔn)確性［3］。

2.3 Tekla的二次開發(fā)及與其他軟件的協(xié)同應(yīng)用

2.3.1 Tekla的二次開發(fā)

Tekla的二次開發(fā)功能強(qiáng)大，主要體現(xiàn)在：

（1）插件開發(fā)：利用API創(chuàng)建自定義插件，提升工作效率和體驗。

（2）自動化流程：實現(xiàn)設(shè)計、出圖、生產(chǎn)等流程的自動化，提高效率。

（3）定制化工具：開發(fā)針對特定需求的工具，提高設(shè)計準(zhǔn)確性。

（4）集成第三方軟件：與BIM平臺、項目管理軟件、數(shù)控設(shè)備等深度集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和流程協(xié)同。

2.3.2 Tekla與其他軟件的協(xié)同應(yīng)用

Tekla在鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字設(shè)計與智能建造中與其他軟件協(xié)同應(yīng)用，形成高效工作流程，包括：

（1）BIM平臺：與Autodesk Revit、Bentley等集成，實現(xiàn)模型同步更新和碰撞檢查，減少設(shè)計變更。

（2）項目管理軟件：與Primavera P6、Microsoft Project等協(xié)同，監(jiān)控進(jìn)度和調(diào)配資源。

（3）數(shù)控設(shè)備：直接生成數(shù)控切割文件，與CNC機(jī)床等協(xié)同，提高加工精度和效率。

（4）文檔管理軟件：與SharePoint、Documentum等集成，集中管理設(shè)計文檔，確保版本最新。

（5）云平臺：支持云端部署，實現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作、實時溝通和數(shù)據(jù)分析優(yōu)化。

3 智能化施工建造應(yīng)用

3.1 制作及安裝進(jìn)度協(xié)調(diào)管控

在鋼構(gòu)件的制作加工流程中，Tekla軟件的卓越3D建模與可視化功能被充分利用，使得項目管理團(tuán)隊能夠依據(jù)精確的軸線與標(biāo)高信息，精心規(guī)劃構(gòu)件的生產(chǎn)進(jìn)度計劃。通過按軸線和樓層標(biāo)高的細(xì)分，實現(xiàn)了制作與安裝環(huán)節(jié)的無縫對接與高效協(xié)同，確保了整個建造過程的流暢與一致性。

對于鋼構(gòu)件的安裝階段，Tekla的3D建模深化設(shè)計不僅僅是設(shè)計的延伸，更是一次施工前的精確模擬。這一過程中，所有構(gòu)件的安裝位置、梁柱之間的精確連接方式均通過生動直觀的三維模型得以展現(xiàn)。在嚴(yán)格把控構(gòu)件加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，借助三維模型提供的詳盡指導(dǎo)，安裝工作得以迅速且準(zhǔn)確地執(zhí)行，極大地提升了安裝精度與效率。

此外，Tekla生成的布置圖成為了現(xiàn)場安裝作業(yè)的得力助手。以成涼園區(qū)食品產(chǎn)業(yè)（農(nóng)產(chǎn)品加工）標(biāo)準(zhǔn)化廠房項目A區(qū)屋面布置圖為例（圖2），這些布置圖以清晰明了的方式呈現(xiàn)了構(gòu)件間的空間位置關(guān)系，并為每根構(gòu)件分配了唯一編號。這一做法極大地簡化了現(xiàn)場安裝流程，安裝人員只需依據(jù)布置圖上的指引，迅速定位并安裝對應(yīng)編號的構(gòu)件，從而顯著降低了安裝作業(yè)的復(fù)雜度與難度。更為重要的是，Tekla軟件還具備高度定制化能力，能夠根據(jù)現(xiàn)場安裝的特定需求，靈活生成包含標(biāo)高、軸線、立面等關(guān)鍵信息的各類輔助安裝布置圖。這些定制化圖紙為安裝團(tuán)隊提供了更為全面、細(xì)致的安裝指導(dǎo)，確保了安裝工作的順利進(jìn)行與高質(zhì)量完成［4］。

3.2 工程及防火涂料施工結(jié)算

在完成Tekla的3D建模與構(gòu)件編號工作后，利用Tekla導(dǎo)出的詳盡材料清單、構(gòu)件的凈重與毛重清單，以及螺栓等配件的詳細(xì)列表，極大地簡化了過程與進(jìn)度結(jié)算的流程。如今，依托Tekla進(jìn)行工程結(jié)算已成為鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)做法，其高效性與準(zhǔn)確性廣受認(rèn)可。

通過實時跟蹤安裝進(jìn)度，Tekla模型能夠迅速提煉出所需構(gòu)件的編號與總重量信息，這些數(shù)據(jù)直接支持著工程施工階段的精準(zhǔn)結(jié)算。此外，建模完成后自動生成的材料計劃表，也成為了材料費用結(jié)算不可或缺的參考依據(jù)，確保了成本控制的精準(zhǔn)度。

值得注意的是，Tekla導(dǎo)出的構(gòu)件清單中詳盡記錄了構(gòu)件的面積信息，其計算精度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)人工方法。這一特性在車間生產(chǎn)及現(xiàn)場施工中尤為重要，因為無論是車間內(nèi)部的精細(xì)加工，還是室外環(huán)境下不同構(gòu)件所需的不同厚度油漆噴涂，Tekla都能提供精確到位的面積數(shù)據(jù)。這種高度精確的面積計算，不僅讓油漆與防火涂料的用量結(jié)算更為科學(xué)合理，還有效提升了整體建筑施工的效率與質(zhì)量控制水平。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)廠房拆除

在建筑全生命周期管理中，Tekla也可用在鋼結(jié)構(gòu)廠房拆除階段。

3.3.1 前期規(guī)劃與決策支持

在建筑的全生命周期管理中，Tekla模型通常從設(shè)計階段就開始建立，并隨著項目的進(jìn)展不斷更新。在拆除階段，這一模型可以被復(fù)用，并根據(jù)實際情況進(jìn)行必要的更新，以反映當(dāng)前的廠房結(jié)構(gòu)和狀態(tài)?；赥ekla的三維模型，管理者可以更加直觀地了解廠房的結(jié)構(gòu)布局、構(gòu)件連接方式等信息，從而制定出更加科學(xué)合理的拆除方案。Tekla模型的可視化功能有助于識別潛在的拆除難點和風(fēng)險點，為決策提供有力支持。

3.3.2 拆除過程管理

通過Tekla模型，管理者可以模擬不同的拆除順序，評估其對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性的影響，從而選擇最優(yōu)的拆除順序。這有助于減少拆除過程中的不確定性，提高拆除效率。Tekla模型可以與現(xiàn)場實際情況進(jìn)行比對，為拆除團(tuán)隊提供清晰的指導(dǎo)。同時，管理者可以利用Tekla的數(shù)據(jù)庫管理功能，跟蹤拆除進(jìn)度和材料流向，確保拆除過程的有序進(jìn)行。

3.3.3 廢棄物管理與資源回收

Tekla能夠生成詳細(xì)的材料清單，包括構(gòu)件的尺寸、重量、材質(zhì)等信息。在拆除過程中，這些信息有助于準(zhǔn)確統(tǒng)計回收材料，提高資源利用效率。管理者可以根據(jù)清單制定廢棄物分類和處理計劃，減少對環(huán)境的影響。通過Tekla收集的數(shù)據(jù)，管理者可以評估拆除過程中產(chǎn)生的廢棄物類型和數(shù)量，為后續(xù)的廢棄物處理和資源回收工作提供數(shù)據(jù)支持。這有助于制定更加合理的廢棄物管理策略，實現(xiàn)建筑廢棄物的減量化、資源化和無害化處理。

3.3.4 后期評估與反饋

拆除完成后，管理者可以利用Tekla模型對拆除效果進(jìn)行評估。通過對比拆除前后的模型變化，可以直觀地了解拆除工作的完成情況和對周圍環(huán)境的影響。基于Tekla在拆除過程中的應(yīng)用實踐，管理者可以總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，提煉出可復(fù)用的最佳實踐。這些經(jīng)驗可以為后續(xù)類似項目的拆除工作提供指導(dǎo)，推動建筑全生命周期管理的持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化。

4 結(jié)束語

Tekla在鋼結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域展現(xiàn)了強(qiáng)大的數(shù)字化設(shè)計與智能施工能力。其可視化特性和圖紙輸出功能，極大提升了施工流程的效率和精準(zhǔn)度，從制作到安裝，乃至未來拆除都提供了有力支持。隨著Tekla在節(jié)點設(shè)計等關(guān)鍵領(lǐng)域的二次開發(fā)功能不斷完善，正緊密適應(yīng)我國鋼結(jié)構(gòu)市場的發(fā)展需求，有望成為行業(yè)首選軟件，推動鋼結(jié)構(gòu)建筑施工向智能化、精細(xì)化發(fā)展［5］。

參考文獻(xiàn)

［1］ 劉俊杰.基于Tekla Structures的三維仿真技術(shù)應(yīng)用研究［J］.河南科技，2024，51（14）：72-75.

［2］ 張成，李君，劉小磊，等.基于Tekla的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字設(shè)計與智能建造應(yīng)用技術(shù)研究［J］.建設(shè)科技，2024，23（3）：82-85.

［3］ 王維，岳立章.鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化建造技術(shù)在建筑工程中的設(shè)計與運用［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2023， 53（14）：184-185.

［4］ 鄧凱.Tekla Structure欄桿建模插件參數(shù)化設(shè)計［J］.船舶與海洋工程，2023，39（1）：62-66.

［5］ 高勇，吳吉瑞，孫會貴.Tekla技術(shù)建模在生產(chǎn)安裝過程中的應(yīng)用優(yōu)化探析［J］.福建建筑，2021，28（9）：69-72.