淺談三維建模在鋼結構數字設計與智能建造中的應用

【摘要】

以大型鋼結構工業廠房——成涼園區食品產業（農產品加工）標準化廠房項目A區為例，探析Tekla Structures三維建模技術在鋼結構建筑施工中的數字設計和智能建造應用。全面總結了Tekla在鋼結構建筑全周期管理中的數字化設計與智能建造體系，從設計深化，再到施工階段的構件生產、吊裝作業、進度監控以及最終的工程結算，Tekla以其強大的技術支撐與廣泛的應用場景，為裝配式鋼結構建筑的全生命周期管理提供了全面而深入的技術應用，展現了其在推動建筑行業數字化轉型與智能化升級中的重要作用［1］。

【關鍵詞】Tekla;鋼結構； 數字設計； 智能建造.

【中圖分類號】TU391【文獻標志碼】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管理工作；

石國凱（1999—），男，本科，助理工程師，從事建筑施工技術管理工作。

1 概述

成涼園區食品產業（農產品加工）標準化廠房項目A區位于西昌市成涼園區CLE-05-01號地塊內東側用地，本項目建設凈用地面積27 733.82 m2，且用地位于西昌成涼工業園區，緊鄰機場路G248國道，該場地北側為寶昌路，南側為規劃段家河，東側為機場路G248國道，西側為中澤橄欖油廠區用地，場地內北高南低，高差1.5 m，交通便利。因本項目共5棟鋼結構廠房，其鋼結構種類較多，節點較為復雜，為了提高施工質量和效率，項目部采用Tekla Structures對鋼結構廠房進行三維結構設計與優化。

2 數字化設計與應用

2.1 Tekla的數字化設計特點

（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構模型，模型中包含了零部件的幾何尺寸、材料規格、橫截面、節點類型、材質、用戶批注等所有信息。這種三維建模方式使得設計更加直觀，便于發現構件之間的連接錯誤（圖1）。

（2）智能性：Tekla是一個基于面向對象技術的智能軟件包，模型中所有元素（如梁、柱、板、節點螺栓等）都是智能目標。當模型中某個元素的屬性發生改變時，與之相關的其他元素也會自動更新，從而減少了人為錯誤［2］。

（3）參數化設計：Tekla支持參數化設計，用戶可以通過調整參數來快速修改模型，提高了設計效率。

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

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

2.2 Tekla的數字化應用

（1）設計階段：在設計階段，Tekla通過三維建模幫助設計師更好地理解和表達設計意圖。同時，通過碰撞檢查功能可以發現并解決設計中的問題，提高了設計質量。

（2）生產階段：Tekla生成的詳圖和各種報表可以直接用于生產階段，為數控切割、加工和組裝提供了精確的數據支持。此外，Tekla還支持與CNC機床等設備的直接連接，實現了設計與生產的無縫對接。

（3）安裝階段：Tekla提供的構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行安裝任務。同時，Tekla還支持現場定位監測功能，通過與Trimble激光定位設備等設備的結合使用，可以實現精確的施工定位。

（4）信息化施工：Tekla在信息化施工中扮演了重要角色。可以通過BIM（建筑信息模型）技術將各種信息關聯到模型中，使得施工中的各方都能獲取到所需的信息。此外，Tekla還支持數據共享和協同工作功能，提高了項目管理的效率和準確性［3］。

2.3 Tekla的二次開發及與其他軟件的協同應用

2.3.1 Tekla的二次開發

Tekla的二次開發功能強大，主要體現在：

（1）插件開發：利用API創建自定義插件，提升工作效率和體驗。

（2）自動化流程：實現設計、出圖、生產等流程的自動化，提高效率。

（3）定制化工具：開發針對特定需求的工具，提高設計準確性。

（4）集成第三方軟件：與BIM平臺、項目管理軟件、數控設備等深度集成，實現數據交換和流程協同。

2.3.2 Tekla與其他軟件的協同應用

Tekla在鋼結構數字設計與智能建造中與其他軟件協同應用，形成高效工作流程，包括：

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

（2）項目管理軟件：與Primavera P6、Microsoft Project等協同，監控進度和調配資源。

（3）數控設備：直接生成數控切割文件，與CNC機床等協同，提高加工精度和效率。

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

（5）云平臺：支持云端部署，實現遠程協作、實時溝通和數據分析優化。

3 智能化施工建造應用

3.1 制作及安裝進度協調管控

在鋼構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，使得項目管理團隊能夠依據精確的軸線與標高信息，精心規劃構件的生產進度計劃。通過按軸線和樓層標高的細分，實現了制作與安裝環節的無縫對接與高效協同，確保了整個建造過程的流暢與一致性。

對于鋼構件的安裝階段，Tekla的3D建模深化設計不僅僅是設計的延伸，更是一次施工前的精確模擬。這一過程中，所有構件的安裝位置、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。在嚴格把控構件加工質量的基礎上，借助三維模型提供的詳盡指導，安裝工作得以迅速且準確地執行，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場安裝作業的得力助手。以成涼園區食品產業（農產品加工）標準化廠房項目A區屋面布置圖為例（圖2），這些布置圖以清晰明了的方式呈現了構件間的空間位置關系，并為每根構件分配了唯一編號。這一做法極大地簡化了現場安裝流程，安裝人員只需依據布置圖上的指引，迅速定位并安裝對應編號的構件，從而顯著降低了安裝作業的復雜度與難度。更為重要的是，Tekla軟件還具備高度定制化能力，能夠根據現場安裝的特定需求，靈活生成包含標高、軸線、立面等關鍵信息的各類輔助安裝布置圖。這些定制化圖紙為安裝團隊提供了更為全面、細致的安裝指導，確保了安裝工作的順利進行與高質量完成［4］。

3.2 工程及防火涂料施工結算

在完成Tekla的3D建模與構件編號工作后，利用Tekla導出的詳盡材料清單、構件的凈重與毛重清單，以及螺栓等配件的詳細列表，極大地簡化了過程與進度結算的流程。如今，依托Tekla進行工程結算已成為鋼結構裝配式建筑領域的標準做法，其高效性與準確性廣受認可。

通過實時跟蹤安裝進度，Tekla模型能夠迅速提煉出所需構件的編號與總重量信息，這些數據直接支持著工程施工階段的精準結算。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算不可或缺的參考依據，確保了成本控制的精準度。

值得注意的是，Tekla導出的構件清單中詳盡記錄了構件的面積信息，其計算精度遠超傳統人工方法。這一特性在車間生產及現場施工中尤為重要，因為無論是車間內部的精細加工，還是室外環境下不同構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據。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算更為科學合理，還有效提升了整體建筑施工的效率與質量控制水平。

3.3 鋼結構廠房拆除

在建筑全生命周期管理中，Tekla也可用在鋼結構廠房拆除階段。

3.3.1 前期規劃與決策支持

在建筑的全生命周期管理中，Tekla模型通常從設計階段就開始建立，并隨著項目的進展不斷更新。在拆除階段，這一模型可以被復用，并根據實際情況進行必要的更新，以反映當前的廠房結構和狀態。基于Tekla的三維模型，管理者可以更加直觀地了解廠房的結構布局、構件連接方式等信息，從而制定出更加科學合理的拆除方案。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，評估其對結構穩定性和安全性的影響，從而選擇最優的拆除順序。這有助于減少拆除過程中的不確定性，提高拆除效率。Tekla模型可以與現場實際情況進行比對，為拆除團隊提供清晰的指導。同時，管理者可以利用Tekla的數據庫管理功能，跟蹤拆除進度和材料流向，確保拆除過程的有序進行。

3.3.3 廢棄物管理與資源回收

Tekla能夠生成詳細的材料清單，包括構件的尺寸、重量、材質等信息。在拆除過程中，這些信息有助于準確統計回收材料，提高資源利用效率。管理者可以根據清單制定廢棄物分類和處理計劃，減少對環境的影響。通過Tekla收集的數據，管理者可以評估拆除過程中產生的廢棄物類型和數量，為后續的廢棄物處理和資源回收工作提供數據支持。這有助于制定更加合理的廢棄物管理策略，實現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境的影響。基于Tekla在拆除過程中的應用實踐，管理者可以總結經驗教訓，提煉出可復用的最佳實踐。這些經驗可以為后續類似項目的拆除工作提供指導，推動建筑全生命周期管理的持續改進和優化。

4 結束語

Tekla在鋼結構建筑領域展現了強大的數字化設計與智能施工能力。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在節點設計等關鍵領域的二次開發功能不斷完善，正緊密適應我國鋼結構市場的發展需求，有望成為行業首選軟件，推動鋼結構建筑施工向智能化、精細化發展［5］。

參考文獻

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

［2］ 張成，李君，劉小磊，等.基于Tekla的鋼結構數字設計與智能建造應用技術研究［J］.建設科技，2024，23（3）：82-85.

［3］ 王維，岳立章.鋼結構數字化建造技術在建筑工程中的設計與運用［J］.建筑結構，2023， 53（14）：184-185.

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

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