鋼結構深化設計制圖多種技術在機場工程中的應用

錢曉村

上海機施建筑設計咨詢有限公司 上海 200072

1 工程概況

衛星廳工程是上海浦東國際機場三期擴建工程的主體工程，由2座相連的衛星廳組成（圖1），形成工字形的整體構型，年處理旅客設計能力3 800萬人次。衛星廳總建筑面積6 220 000 m2，分為6層布局，地上5層，地下1層。自下而上為捷運站臺層、中轉層、國際到達層、國內出發到達混流層、國際出發層，為目前世界上最大單體衛星廳。登機橋數量、種類多是衛星廳另一大特點，設有83座各類登機橋，能夠提供86～125個各型機位，大面積的登機橋采用了國際、國內可轉換及組合機位，足有4層樓高，方便機場、航空公司根據航班情況和機型大小靈活調整安排。

2 工程難點

圖1 上海浦東國際機場衛星廳效果圖

1）衛星廳屋頂造型復雜，工期緊張，建模僅憑建筑三維線性模型難度大，除屋面桁架系統圖紙外，天溝、檁條、馬道、托架的設計均由我公司承擔，構件數量多。挑檐、天溝、屋脊排水、天窗等各類專業分包均要協調。

2）衛星廳埋件種類繁多，達到上萬件，由4家土建單位共同承建，需全天候不停航施工，提前預判做好深化設計工作，市政重點項目刻不容緩。

3）83座登機橋中的轉換橋，從4 m步道到17 m屋頂，有土建、屋面、幕墻、機電安裝、電梯、自動扶梯、TMD減振設備，拉索鋼棒等十幾家外單位配合，1座登機橋的深化不亞于十幾層樓的深化時間，深化進度控制超乎想象。登機橋建筑美觀要求高也是其他工程中罕見的。

3 鋼結構深化設計多種技術取長補短提高效率

隨著科技日新月異地發展，深化設計已經從傳統的CAD二維、CAD三維轉變成現在最常應用的Xsteel軟件三維建模技術。通過3D實體建模，參數化節點應用，自動生成圖紙（包含材料，螺栓數據表）后再進行人工標注尺寸，剖面零件標注，最后轉換為AutoCAD格式圖紙。Xsteel相比之前CAD制圖，優點就是可以隨時三維渲染視圖，并從任意角度查看模型的整體和細部情況，模型完成后的出圖就相對簡單很多。模型還能轉換成網頁，CAD的三維格式給設計院審圖和現場施工帶來便捷，提高了工作效率。在BIM模型中導入Xsteel模型，輸出CAD三維模型，通過仿真模擬建筑物所具有的真實信息達到可視化模擬施工狀態，即“所見即所得”的形式，便于檢查出結構間的軟碰撞、硬碰撞及各工種配合的合理性。

3.1 Xsteel與CAD技術在衛星廳登機橋中的結合應用

衛星廳83座登機橋中包括37座單橋，25座轉換橋，4座剪刀橋，17座合并橋。應用Xsteel軟件能保證連接的準確性，出圖的統一性，特別登機橋大部分是細小構件，90%的方管都是焊接拼制，需要為工廠預留比傳統加工多一倍的時間，這樣又壓縮了深化時間。就最復雜的轉換橋而言，一個轉換橋從搭模、出圖、校對到圖紙送審需要3個人共15個工作日。在專機坪（含9座轉換橋， 5座合并橋，3座單橋）現場提出要在2個月內完成深化設計的條件下，對照前面的時間安排，顯然是不可能完成的任務。有困難就要找出路，通過圖紙比對發現，轉換橋雖然體積龐大構件數量多，但橋身寬度，4層平面標高及斜率，外單位配合數據及類型均相同，先通過表格把9座轉換橋進行差異比對，發現相似程度很高。因此決定利用CAD翻圖＋不相同構件Xsteel出圖結合的方式來提高出圖效率，從原來的1座橋3個人共15個工作日壓縮到2人共5個工作日。

1）以22#橋為例，通過表格匯總出與可參考的橋相比，科技圖紙中科技修改的內容，在CAD圖上對修改內容用不同圖層表示，以方便校對、工廠加工和現場施工。

2）深化設計時，為更準確地表達CAD翻圖和Xsteel出圖構件的區別， 對Xsteel新出圖構件進行命名時，均以“－100”開頭，而CAD翻圖構件僅修改前綴橋號，構件編號不改，從整體上掌控每個橋的修改情況，通過修改總量準確計劃深化進度，確保滿足加工及現場施工進度要求。

3.2 Xsteel與Rhino3D犀牛技術在衛星廳三角屋面中的結合應用

Xsteel軟件最大的優點是保證正交結構精確的同時最大限度發揮建模出圖的速度，簡化操作，缺點是網架弧形結構建模困難，尤其需要三維曲線坐標定位時更是難上加難。衛星廳中的三角屋面恰巧是雙曲屋面（圖2），Xsteel軟件只能完成主體部分詳圖，上部檁條及檁條托架要在三維曲線空間中找點建模，這時就要尋找其他軟件。Rhino3D NURBS（犀牛）是一個功能強大的高級建模軟件，可以創建、編輯、分析和轉換NURBS曲線、曲面和實體，并且在復雜度、角度和尺寸方面沒有任何限制，建模完成后可導出高精度模型給其他三維軟件使用，這些優點可以彌補Tekla等軟件在空間曲面建模上的弱勢。Grasshopper則又是基于Rhino的一款可視化節點編程建模軟件，功能全面的運算器能提供節點式可視化編程操作[1]。衛星廳雙曲屋面就由Rhino＋Grasshopper、Xsteel、AutoCAD等軟件協同進行深化設計。

圖2 衛星廳三角雙曲屋蓋形成示意

1）首先在建筑提供的屋面完成面表皮Rhino三維模型基礎上，我們預先留出屋面節點構造空間即可推算出檁條完成面。考慮到現場安裝誤差及沉降，在安裝檁條前需要現場復測支托的實際標高數值，根據理論數值再調節檁托板長度，以保證檁條安裝的準確性。支托頂部中心基準點的標高數值運用Grasshopper運算器輸入操作及其中各種幾何類型的分析和變動等，最終輸出我們所要的數據。根據自動生成的標高點號及標高數據匯總到CAD圖紙中。在同一個模型中每個點都有可追溯性，大大提高了各個工種工作效率。

2）在屋面雙曲檁條出圖的基礎上，根據加工要求，每隔500 mm確定彎曲矢高，獲取所要數據，從而實現參數化建模。

4 鋼結構三維建模和BIM技術在深化設計階段的結合應用

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），近幾年在建筑領域的應用帶來的成效有目共睹。可視化施工文檔存儲、基礎數據共享與調用、項目精細化管理及造價控制等優點在大工程中尤為突出。衛星廳建筑面積龐大，鋼結構與各專業交界面多，如果僅依靠在Xsteel軟件中建立的鋼結構模型，而其他專業不配合，就會顧此失彼，造成現場返工，形成不必要的經濟損失。在衛星廳工程中，BIM小組承擔了土建和屋面三維建模，還要把幕墻、設備、二結構精裝等各專業的模型進行整合，通過BIM技術來進行檢查，并及時發現問題、反映問題、解決問題。

衛星廳空側幕墻柱頂在伸縮縫處的埋件很容易按慣性思維設置為常規埋件，但寬280 mm的埋件板與混凝土的碰撞在BIM三維模型里顯而易見（圖3）。整個S1，S2有20多處此類問題，在現場屋頂混凝土梁還沒有施工的前提下，設計提出了部分鋼梁移位，部分鋼梁截面縮小，深化埋件不做調整的修改方案。用最小的調整達到了各專業的要求，BIM技術功不可沒。

圖3 空側幕墻柱在混凝土伸縮縫處的碰撞

衛星廳后續有不少在已完成的施工現場狀態下增加或修改布局的工作量。在B8區域新增辦公室鋼結構框架柱的過程中，BIM核模時發現與已有二結構外墻定位重疊（圖4），現場外墻防水已全部完成，敲掉重新施工的可能性很小。二結構圖紙一般涵蓋在精裝系列中，不會與鋼結構產生交集，但在BIM模型中很容易直觀地發現問題，在深化初期即和設計討論解決方案，設計提出內移新增鋼柱避開已有混凝土外墻的解決方案。看似只是簡單的移位，但如果專業間相互不配合，等構件到現場再解決，既被動又會造成經濟損失。

圖4 鋼結構與二結構碰撞示意

5 結語

如今的鋼結構深化已經脫離了草圖翻樣的傳統觀念，復合型的制圖技術不斷融入深化設計領域。不管是僅僅拿到上層建筑提供的一張表皮模型，還是草草幾個節點，大樣所有定位布局參照建筑圖的設計圖紙，深化設計總能利用CAD、Xsteel、Rhino軟件及BIM等各操作技術，深入到非鋼結構專業和建筑或機電溝通，積極開拓思路，起到承上啟下的作用。在衛星廳項目中利用一個模型，做到了深化設計、加工制作、施工三者一體化，很好地體現了深化設計的價值，為工程的順利完成立下了汗馬功勞。