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BIM建筑施工港口博物馆图纸深度运用

摘要:根据某复杂仿生建筑结构工程的特点,通过在图纸深化阶段对坐标的偏移、结构整体建模、结构整体模型与建筑外形的比对、幕墙工程模型与钢结构工程模型拟合等应用,提出BIM技术的重要性和必要性以及对各专业的作用与影响。

0引言   

宁波·中国港口博物馆及国家水下文化遗产保护宁波基地项目,建筑整体造型像海滩上两只海螺旁边趴着一只小贝壳,属于典型的仿生建筑。在项目设计上,建筑设计、结构设计、钢结构专业设计、幕墙设计等又分属于不同团队,如果各专业各自为战,没有一个共同的平台进行交流,必定会矛盾百出,甚至会出现难以想象的后果。而采用BIM技术,将各专业信息集成到一个模型里,各专业间的衔接与协调以及相互间的矛盾、各专业自身的矛盾都会在模型中清楚直观地体现出来,这无论对各专业自身问题还是各专业间的矛盾问题的解决都会带来很大方便,同时对各专业间相互配合协调提供更加直观的依据。由于本项目自身的结构特点,也只有采用BIM技术,才能将建筑、土建结构、钢结构、幕墙和机电等几个专业的设计和施工工作顺利完成。 


1工程概况 

宁波·中国港口博物馆及国家水下文化遗产保护宁波基地项目按功能分有A,B,C,D4个区,总建筑面积40987m2,建筑最大高度58m。A,B区造型就像一大一小两只海螺,C区造型俨然一只小贝壳,A,B,C3个区通过D区连接成一个整体,它们在功能上既相互独立又相互衔接,造型上既各具特征又浑然一体。其整体建筑外形就像沙滩上两只海螺旁边趴着一只小小的贝壳(见图1)。 

 

建筑效果及功能分布

该建筑物D区为钢筋混凝土框架结构;C区为钢结构穹顶式构筑物;A,B区下部结构即海螺主体部分,其内部为型钢混凝土结构,而外面壳体下部分为弧形型钢混凝土柱,壳体上部分在与上部风帆连接的过渡段转换为弧形箱形钢柱,柱间设有弧形钢管剪刀撑。建筑物上部风帆结构即螺尾部分,由异形竖向钢管桁架和水平钢管桁架组成。穹顶部分由竖向弧形钢管柱、环向水平钢管支撑和顶部箱形圆盘部件组成。

该建筑物D区为钢筋混凝土框架结构;C区为钢结构穹顶式构筑物;A,B区下部结构即海螺主体部分,其内部为型钢混凝土结构,而外面壳体下部分为弧形型钢混凝土柱,壳体上部分在与上部风帆连接的过渡段转换为弧形箱形钢柱,柱间设有弧形钢管剪刀撑。建筑物上部风帆结构即螺尾部分,由异形竖向钢管桁架和水平钢管桁架组成。穹顶部分由竖向弧形钢管柱、环向水平钢管支撑和顶部箱形圆盘部件组成。

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2结构特点 

2.1建筑物外形轮廓定位

该建筑物外形轮廓由2296个特征控制点的三维坐标来表达。其中,海螺壳体部分是由外轮廓骨架外表面上的特征控制点的三维坐标来表示,螺尾部分则通过上部钢管杆件中心线上的特征控制点的三维坐标来表示。也就是说,将设计给出的相邻坐标点相互连接起来就能形成该建筑造型的整体轮廓。如果让相邻三点共弧,则会使设计要表达的造型更加圆润,更能贴近设计意图。 

2.2建筑物外轮廓构件特点

建筑物外框架的竖向受力构件分为3段,底部1道弧线采用的是内置工字形钢骨的型钢混凝土柱,之上转换为箱形钢构件,最上部也就是螺尾部分为钢管。竖向受力构件间设有网状弧形钢管支撑构件,这些构件既起到减小竖向受力构件的计算长度,提高竖向受力构件平面外的稳定性和承载能力的作用,同时又为幕墙龙骨提供了受力支撑点。  

工程项目管理软件

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3BIM技术在深化阶段的应用 

如何让建筑物的外形更加平滑圆润,更加符合设计要求,这是施工必须保证的目标。对于如此复杂的造型和结构形式,仅仅依靠常规的技术手段,不仅外形难以达到设计效果,内部结构也会出现很多矛盾和错误,为此采用BIM整体建模技术,将结构、建筑、幕墙分别建成整体模型,在自身模型中、模型比对中、模型拟合中发现和解决设计中出现的矛盾和施工中可能出现的问题。 

3.1整体建模

3.1.1建模采用软件 

钢结构和混凝土采用TeklaStructures16.1版本软件;建筑和幕墙采用Rhinoceros4.0软件;机电采用Revit2014版本软件。 

3.1.2钢结构建模技术 

将设计院给出的2296个三维坐标点的数据导入Excel表格,将其转换为(x,y,z)的空间坐标点形式。在AutoCAD中运用“绘图-点-多点”命令,复制Excel所有坐标数据并粘贴于CAD命令行中,将这些控制点输入CAD相应坐标处,形成由控制点所组成的外轮廓。将这些点用三点共弧的方式描出来,连成建筑物的外轮廓线,并将这些CAD文件另存为“kj.dxf”。在TeklaStructures详图软件中,设置梁的截面属性为D12并应用,使用“文件-输入-DXF”将CAD文件导入,输入选项创建“零件”,且梁的截面D12点“输入”,这样建筑物的外轮廓线便快速创建到Tekla中。 

3.2钢结构整体建模发现和要解决的问题 

3.2.1坐标偏移 

一般情况下,在上面轮廓线生成的基础上,将各部位的杆件截面特性进行修改或分段进行绘制,再将节点进行细化,整个钢结构模型便能建立起来。而本工程中,壳体下半部分的坐标给在了混凝土表面,这样使得型钢混凝土结构的钢结构骨架没有控制点,也就是说,型钢混凝土结构部分的钢结构模型并未完成。为解决这一问题,首先需要进行坐标偏移,将混凝土表面的轮廓线转换成内置钢骨的轮廓线。在这个项目上,弧形外框架柱下部型钢混凝土部分的混凝土表面距离钢骨表面为225mm,那么内置钢骨的定位就是弧形柱的混凝土外表面沿法线方向内移225mm。经过这样的偏移后,型钢柱之间的钢管构件与内置钢骨出现分离,为使钢管中心线与钢骨中心线相交,需要将这些管件两端再次进行偏移。偏移分6个步骤来实现,如图4所示。

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1)将型钢混凝土弧形柱的内外表面各向柱内偏移225mm,作为钢骨的外表面。

2)将最底部的环向钢管向内(水平)偏移一定距离,以使钢管上表面与钢骨混凝土柱上表面的最小距离为50mm,以方便与埋件焊接。

3)将外壳其他水平和斜向支撑管件与竖向弧形钢骨柱的交点位置沿法线向内偏移一定距离,使钢管上表面与弧形柱上表面最小距离为50mm。

4)将径向弧形管外表皮放置在结构所给坐标上。

5)直接将径向钢管端点拉至可以与最底部钢管相贯的点位上,形成封闭结构。

6)将水平和斜向支撑杆拉至与径向弧形钢管的相贯位置,确保钢管之间的相贯焊。经过以上步骤的偏移,钢结构模型符合设计要求。 

3.2.2钢结构体系的完善 

作为仿生建筑,本项目有它独特的复杂性,设计上存在的问题在CAD平面绘图软件中很难发现,目前只有通过整体建模技术才能将整个结构完整地展现出来,再利用漫游功能将整个建筑物浏览1遍,结构上存在的缺陷就会完全暴露出来。 

在模型建立后,通过漫游整个模型发现以下几个问题:些作为支撑的杆件则偏离了竖向受力杆件,如图5b所示;②个别位置出现了多余构件,如图5c所示;③有的竖向受力构件没有下落到支座上,如图5d所示;④钢结构体系局部缺失,使得整个结构体系不完善,如图5e所示。 

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模型的建立使得与设计的沟通更加方便,通过漫游功能,将整个结构体系非常直观地展示给设计人员,尤其是对于问题所在部位,设计人员很容易发现问题的原因和修改方向。如上述问题,通过坐标的再次偏移、删除多余构件、延伸受力构件到下面支座,增补缺失杆件,很容易将整个钢结构体系完善起来。 

3.3在钢结构模型中加入混凝土模型后发现和解决的问题 

在本工程中,钢结构专业和混凝土结构专业的设计分属于不同团队,采用不同的计算软件,设计中各自建立自己独立的计算模型,这两个专业之间出现矛盾在所难免,只有在图纸深化阶段,利用BIM技术将两个模型合并后才会更直观地发现其中的问题。 

3.3.1钢结构柱脚的调整 

因建筑要求,地梁顶面高出承台一定高度,而钢结构的柱脚坐落在承台顶面,如此一来,环向地梁和径向地梁的上部钢筋正好在柱脚部位交叉搭接,环向地梁的钢筋要穿过柱子腹板、柱脚肋板,这将大大削弱钢柱强度,需要对钢柱腹板柱脚部位等进行补强,而径向地梁的钢筋要通过钢筋连接板与钢柱翼缘板连接,这些连接板的存在使得土建的柱子纵向主筋无法通过。后经相关各方协商,确定将柱脚抬高到地梁上面,使地梁钢筋在柱脚下部通过,因为是弧形柱,抬高后柱脚板前移,使得部分柱脚移到承台外部,锚筋无法预埋(见图6)。后经再次讨论,将柱脚地下部分改为直段(见图7),以保持型钢柱的混凝土部分在地上仍为原设计形状。  

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3.3.2钢结构水平构件与混凝土水平构件相碰 

该情况在型钢混凝土结构向纯钢结构转换的位置大量出现。第1种是在结构外壳上的环向圆钢管构件与混凝土楼面边缘环梁或者混凝土环梁出现叠合现象,如图8a所示;第2种是在楼面上钢结构和混凝土结构这2种不同结构形式之间交界处,钢结构环梁与混凝土环梁相碰,如图8b所示;第3种情况是钢结构水平构件与混凝土水平构件同时存在。  

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对于第1种情况,这些环向钢管件用来支撑竖向弧形管件,这2种管件又是斜向支撑管件的支撑点,而所有这些管件都是为幕墙龙骨而设置,所以即使出现这样的叠合情况,也不可以取消这些管件,只能采取将环向钢管构件适当抬高或者降低的办法,以避开混凝土环梁。考虑到混凝土环梁先行施工,钢管抬高或降低后与混凝土梁的距离要保证钢管与柱焊接的操作空间,本工程中钢管与混凝土梁之间设置200mm的净距。 

对于后2种情况的出现,是因为设计上2种结构都需要,经与2个专业设计人员研究确定,将混凝土环梁和钢结构环梁合并成型钢混凝土环梁(见图9)。这样既保证了2种结构体系的完整,又使得钢结构施工更加方便。  

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3.3.3钢结构构件影响混凝土构件 

图8a显示了多根钢结构管件穿越混凝土环梁的情况,该情况在多处位置出现,这些构件的交叉使得混凝土构件的钢筋无法通过,破坏了混凝土结构体系从而影响结构受力,并给模板加工安装带来困难。为此,设计上采用改变钢构件标高,以避开混凝土构件的方法。图10为钢结构箱形梁顶面标高超出混凝土楼面板标高,使得楼面混凝土连续板不再连续。设计上同样以降低钢构件标高进行处理。  

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3.3.4设置过渡埋件 

通过结构整体模型的建立发现位于下部壳体上的支撑管件与型钢混凝土弧形柱的钢骨腹板相贯后,因节点距离混凝土柱外表面一定距离,而在每个节点处形成一个明显的“V”字折(见图3b),这样的节点有200多个,不仅影响整体圆润的观感,还使幕墙龙骨的安装变得困难,更重要的是后续混凝土工程的施工面临的困难更大。 

1)工序影响问题下部壳体部分为型钢混凝土结构,型钢骨架安装完成后,大量的柱间支撑构件安装将占据大量的空间和较长的时间,使得混凝土工程的钢筋、模板、支模架以至于混凝土浇捣无法进行。 

2)节点处理问题在支撑构件与钢骨相连的节点部位,因为支撑构件的规格比较大(直径在219~402mm),型钢混凝土柱的纵向钢筋、箍筋无法通过;节点部位支撑管件内部如何灌注混凝土以保证型钢柱的整体强度也是一个难题;支撑管件的规格和角度的多变性给每个节点部位的模板加工和安装带来难度。 

3)美观问题与型钢混凝土弧形柱相连的钢管支撑支撑在每个跨间形成一个明显的“V”字折。而上半部分支撑是连接在钢结构弧形箱形柱上的,其与箱形柱相连的这一端可以比较接近壳体表面,这就使得壳体上半部和下半部的水平和斜向支撑起伏幅度不一致,影响观感。最后是作为幕墙基座附着点,“V”字折的幅度超出了幕墙连接件对基准面偏差的调节范围,使得幕墙龙骨安装困难大大增加。 

综上所述,大量的柱间支撑构件的安装是一个关键线路上的工序,将直接影响整个项目的工期。而节点处理方式更是一个复杂的技术问题。经过深入的探讨和比较,最终选择了设置过渡预埋件(见图11)。该预埋件在型钢混凝土柱的上面和两个侧面设有预埋板,预埋板通过肋板与钢骨柱相连,肋板上开设钢筋通过孔和混凝土流灌孔,为保证箍筋的绑扎,上面的预埋板在箍筋完成后再进行封闭焊接,并且该板作为幕墙的预埋件使用,柱侧的2块预埋板则作为支撑管件的连接板。通过这样的埋件设置不仅解决了幕墙埋件问题,同时将柱间支撑的安装和型钢柱的混凝土工程施工彻底分开,不再有交叉作业相互影响的问题,节约成本、节省工期、降低安全风险。

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3.4钢结构模型与建筑模型的比对 

在本项目中,建筑师根据自己的构思和设想描绘出整个建筑群的布局、功能分区和外观造型,结构师根据建筑要求进行结构配置,因为这个建筑物内部要满足大跨度大空间等特殊使用功能的需求,外部要满足仿生物体的造型,仅靠普通的钢筋混凝土结构难以实现建筑师的要求和意图,于是在结构配置上选用钢筋混凝土、型钢混凝土和钢结构3种结构形式相结合。 

因为不同专业设计分属不同团队,在成果汇总和衔接上难免会有偏差存在,而这个偏差仅靠结构图和建筑图的比对难以发现,因为这种比对仅限于楼层平面图和典型位置的剖面图来完成。为避免结构和建筑之间存在矛盾,影响使用功能或导致造型的偏离,采用BIM整体建模技术把整个建筑物的结构和建筑分别建成2个整体模型,合模后,利用犀牛软件进行水平切片,仔细观察切片中结构剖面和建筑轮廓之间的关系,在这个过程中,建筑和结构专业的矛盾得以展现,比如,钢结构桁架个别杆件出现在门洞口位置;在某个区域内,钢结构的外轮廓比建筑设计凸出200mm。 

为不影响使用功能,钢结构设计人员对桁架结构进行修改,避开门洞位置。为达到原设计效果,在钢结构凸出区域,通过减小钢结构杆件的曲率,使结构符合建筑要求。 

3.5钢结构模型与幕墙模型的拟合 

该项目的外壳——钛金板幕墙的外形精度才是最能表达建筑师对整体效果的追求。而幕墙的整体骨架即结构部分的定位,是在建筑师描绘的幕墙表面内移600mm而导出的一系列要素点位的三维坐标来确定的。在坐标的推导和结构轮廓杆件曲线的拟合过程中,难免会出现与建筑设想背离的现象,如此复杂的造型,其龙骨所需要的基准面不可能现场实测实量,只能依赖钢结构模型和钢结构安装精度来保证,因此,整体结构模型尤其是结构外轮廓上的杆件与幕墙模型的“合模”就显得尤为重要。在项目前期准备阶段,当幕墙完成其专业模型后,为保证幕墙龙骨、保温层、防水层等功能层所需的最小空间,将幕墙表面内移600mm,再次建立模型,将这个模型跟结构模型进行拟合以检测结构能否满足幕墙要求,结果发现,很多杆件超出幕墙对最小空间的要求。 

为保证幕墙顺利安装,根据模型拟合后的结果导出相关杆件的偏差数据,对结构上的这些杆件再次做出相应调整。最后从设计模型上,使结构和建筑完美统一。 

本项目幕墙工程只算钛金板这一项就有1.9万m2,由15000多块钛金板拼装而成。如此复杂的外轮廓形式,如果没有BIM系统提前发现并解决问题,那么最后形成的海螺将是一个“怪胎”,而另一方面,现场为保证板件合缝严密需要对每个支座的坐标进行测量,这样的工作量至少需要花费几十万人工成本,甚至有些部位的坐标难以测量,而工期相对要拖延3个月以上。由此而增加的塔式起重机租赁费用将超过40万,材料周转、管理成本增加甚至工期延误罚款等费用更是难以估计。如果因测量误差导致某些板块报废的话,每块板件的费用就接近5000元,并且这些板材来自国外,如果要想追加采购,其工期和成本更难估算。 

4结语 

宁波·中国港口博物馆及国家水下文化遗产保护宁波基地工程是一个典型的仿生建筑,其结构复杂,造型独特,对构件加工制作和安装精度要求高。针对该工程的特点和难点,采用BIM技术从钢结构整体建模入手,通过与土建、建筑、幕墙等相关专业协调配合,从节点设计上多次与相关专业交流论证,在模型上多次进行整体拟合比对,有效地消除了设计上的原始误差,保证了结构的准确性,使整个工程误差均在控制范围内,达到了预想效果。 

参考文献

[1]钢结构工程施工规范:GB50755—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2]冶金工业部建筑研究总院.钢结构工程施工质量验收规范:GB50205—2001[S].北京:中国计划出版社,2002.

[3]张建平,刘强,张弥,等.建设方主导的上海国际金融中心项目BIM应用研究[J].施工技术,2015,44(6):29-34.

[4]刘占省,马锦姝,卫启星,等.BIM技术在徐州奥体中心体育场施工项目管理中的应用研究[J].施工技术,2015,44(6):35-39.

[5]赵雪锋,姚爱军,刘东明,等.BIM技术在中国尊基础工程中的应用[J].施工技术,2015,44(6):49-53.

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