基于BIM技術(shù)的大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工模擬

收稿日期：2023-11-01

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.03.027

摘" 要：針對(duì)目前大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜而引起的施工難度越來越大的問題，文章以具體施工項(xiàng)目為背景，運(yùn)用BIM技術(shù)，通過Revit軟件建立大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型，并在Navisworks軟件中利用TimeLiner工具鏈接時(shí)間屬性，對(duì)該網(wǎng)架項(xiàng)目工程進(jìn)行了施工仿真模擬研究，輸出了施工仿真過程動(dòng)畫，有利于正確設(shè)計(jì)施工工序、合理安排施工單位、設(shè)置合理可行的施工部署工作，防止在施工過程中出現(xiàn)突發(fā)情況而導(dǎo)致工程不能按期交付等問題，以及為評(píng)估不同施工方案可行性提供參考。

關(guān)鍵詞：大跨度網(wǎng)架；BIM技術(shù)；Revit；Navisworks

中圖分類號(hào)：TP391.9" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：2096-4706（2024）03-0125-04

Construction Simulation of Large-span Grid Structure Based on BIM Technology

YAO Xinshun1， ZHANG Pengpeng2， CAO Wangpeng2， LI Jiantao2

（1.Power China Road Bridge Group Co.， Ltd.， Beijing" 100160， China;

2.Sino-hydro Corporation Engineering Bureau 15 Co.， Ltd.， Xi'an" 710086， China）

Abstract： Aiming at the problem that the current large-span grid structure is more and more difficult to construct due to the design is more and more complex， this paper takes the specific construction project as the background， uses the BIM technology， establishes the large-span grid structure model through Revit software， and uses TimeLiner tool to link the time attributes in Navisworks software. It carries out the construction simulation research on this grid project， and outputs the animation of the construction simulation process. It is conducive to the correct design of construction processes， reasonable arrangement of construction units， and the establishment of reasonable and feasible construction deployment work， to prevent unexpected situations during the construction process that may lead to the inability to deliver the project on schedule， and to provide reference for evaluating the feasibility of different construction schemes.

Keywords： large-span grid structure; BIM technology; Revit; Navisworks

0" 引" 言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于該結(jié)構(gòu)具有受力合理、材料輕、易于安裝制造等特點(diǎn)，因此，在工業(yè)或者民用建筑中的應(yīng)用得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。然而，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也變得越來越復(fù)雜，施工難度也逐步增加。大跨度鋼網(wǎng)架因?yàn)槠錁?gòu)件質(zhì)量大的原因，所以易發(fā)生倒塌和墜落，從而產(chǎn)生安全隱患。而且在整個(gè)工程項(xiàng)目施工中，經(jīng)常以大跨度鋼結(jié)構(gòu)的安裝為重點(diǎn)和難點(diǎn)。

為了提高施工的效率，盡可能保證施工的安全性，降低施工的成本，以及解決施工難度越來越大的問題，必須在施工中采用新技術(shù)、新方法、新成果。隨著工程類計(jì)算機(jī)軟件的不斷更新和被開發(fā)，BIM技術(shù)得到了迅速的應(yīng)用和發(fā)展，這使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工難度大幅降低，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的追捧，進(jìn)而得到了大力的推廣。BIM作為近些年來興起的一種新型的技術(shù)，它通過建立數(shù)字化的工程實(shí)際建筑參數(shù)化模型，賦予建筑結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中多種參數(shù)信息，為建筑模型設(shè)計(jì)、建筑運(yùn)營(yíng)制造、建筑施工安裝、建筑信息評(píng)估（特別是建筑生命周期）等工程方面服務(wù)。近年來BIM技術(shù)被大量的運(yùn)用于現(xiàn)代工程中，建筑、土木行業(yè)同時(shí)也在大力推廣BIM技術(shù)，這也促使我國(guó)越來越多的工程項(xiàng)目開始應(yīng)用BIM技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)，珠海歌劇院，北京大興機(jī)場(chǎng)，邢臺(tái)國(guó)際會(huì)展中心項(xiàng)目，咸豐高鐵站等工程實(shí)例都成功的應(yīng)用了BIM技術(shù)。

本文利用BIM軟件進(jìn)行可編輯、參數(shù)化族建立實(shí)際工程模型，實(shí)現(xiàn)了建筑三維虛擬模型可視化，使整個(gè)建筑以直觀的外部形象展現(xiàn)在用戶面前。使用BIM技術(shù)將模型中的結(jié)構(gòu)與時(shí)間屬性建立連接關(guān)系，設(shè)置項(xiàng)目工程計(jì)劃開始時(shí)間、計(jì)劃結(jié)束時(shí)間、實(shí)際開始時(shí)間、實(shí)際結(jié)束時(shí)間，使模型在三維的基礎(chǔ)上集合了時(shí)間動(dòng)態(tài)因素，將時(shí)間和空間數(shù)據(jù)相互整合，使模型從三維模型轉(zhuǎn)變成為4D模型，從而生成該模型的施工動(dòng)畫，通過觀看施工動(dòng)畫可以清晰的發(fā)現(xiàn)施工細(xì)節(jié)處的施工過程以及可能會(huì)遇到的施工問題，提前準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)方案。基于BIM技術(shù)的施工模擬不止如此，它還可以為模型鏈接工程詳細(xì)費(fèi)用，評(píng)估該項(xiàng)工程實(shí)際需要使用的工程費(fèi)用，在工程開始階段對(duì)完成整個(gè)工程的預(yù)算進(jìn)行評(píng)估；同時(shí)還可以為工程項(xiàng)目編輯施工單位，在施工開始前可以為不同的部分分別布置相應(yīng)的施工作業(yè)為工程實(shí)際施工提供指導(dǎo)意義。

1" 工程概況

本工程以洛南牧羊溝料堆棚網(wǎng)架項(xiàng)目為背景，項(xiàng)目建立建筑為半圓柱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和半球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使用搭建材料主要為Q235B鋼為材料的鋼管，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)；設(shè)計(jì)正常使用年限為50年；建筑抗震設(shè)防類型為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）；地面粗糙度要求為B級(jí)；基本風(fēng)壓（100年）為0.35 kN/m2，基本雪壓（100年）為0.35 kN/m2；基本地震加速度為0.15 g；建筑物場(chǎng)地類別為二類；建筑要求抗震等級(jí)為7級(jí)。

半圓柱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、半球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均采用直縫電焊鋼管進(jìn)行連接，焊接方式為手工焊、自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊。連接采用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、高強(qiáng)度螺栓球、C級(jí)六角頭螺栓結(jié)構(gòu)。半圓柱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、半球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

（a）半圓柱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)" " " " " （b）半球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

圖1" 半圓柱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和半球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2" BIM技術(shù)介紹

2.1" BIM技術(shù)概念

BIM即建筑信息模型，它的發(fā)展基于數(shù)字技術(shù)的發(fā)展。是將工程設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等全生命周期的過程進(jìn)行信息化的技術(shù)。通過信息化、參數(shù)化的方式構(gòu)建建筑模型，從而實(shí)現(xiàn)管理項(xiàng)目全生命周期歷程、優(yōu)化工程項(xiàng)目資源、縮減工程開支、提升工程施工效率等目的。

BIM首先通過數(shù)字化的形式表達(dá)建筑工程。在工業(yè)網(wǎng)架中，在每個(gè)不同的階段，其信息數(shù)據(jù)可以相互傳輸，相互分享，并在決策階段能提供相應(yīng)的理論支撐。其次它的便捷性使其易于被修改，以及匯總和管理等，總的來說，體現(xiàn)了模型的應(yīng)用性。在以上兩方面的概念當(dāng)中，第二方面以第一方面為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)比這兩方面的內(nèi)容，第二部分相比第一方面更加重要，因?yàn)榈诙糠挚梢圆粩嗤晟颇Ｐ汀⒉粩鄳?yīng)用信息在設(shè)施全生命周期中，因此說，第二部分集中體現(xiàn)了BIM技術(shù)核心價(jià)值。

2.2" BIM技術(shù)的功能、特點(diǎn)

經(jīng)過許多年的發(fā)展，BIM技術(shù)也正逐漸走向完善的階段。BIM技術(shù)也已經(jīng)有很多工程案例應(yīng)用到了我國(guó)，如國(guó)家會(huì)展中心，珠海歌劇院，北京大興機(jī)場(chǎng)，邢臺(tái)國(guó)際會(huì)展中心項(xiàng)目，咸豐高鐵站等。而對(duì)于一般項(xiàng)目而言，在項(xiàng)目的不同階段，BIM技術(shù)體現(xiàn)出不同的功能。決策階段體現(xiàn)出可視化性、也能對(duì)場(chǎng)地和環(huán)境進(jìn)行分析，并支持決策所需的數(shù)據(jù)；工程量統(tǒng)計(jì)、管線綜合和協(xié)同性能化設(shè)計(jì)的功能體現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段；進(jìn)度模擬、虛擬施工和物料跟蹤的功能在施工階段完成。運(yùn)營(yíng)階段要完成資產(chǎn)和空間管理，以及建立災(zāi)害應(yīng)急模擬的功能；最佳拆除方案和計(jì)算拆除殘值的功能需在清理階段進(jìn)行。

BIM技術(shù)具有四大特點(diǎn)，分別為：

1）可視化。可視化是建筑信息模型技術(shù)最顯而易見的特點(diǎn)，尤其表現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、碰撞檢查、施工狀態(tài)模擬等操作中，這些操作都不可避免的要在可視化工作界面中完成。相比于傳統(tǒng)CAD技術(shù)，BIM技術(shù)可視化的特點(diǎn)顯得格外直觀。

2）參數(shù)化。工程模型由大量的元素、構(gòu)件、模塊等構(gòu)成，而參數(shù)的作用是賦予其屬性和性能，比如賦予工程模型中一段梁的長(zhǎng)度、強(qiáng)度等屬性信息，參與主體可對(duì)其進(jìn)行核查、修改或者更新，因此BIM參數(shù)化的特點(diǎn)為設(shè)計(jì)提供了較大的便利；

3）全生命周期性。BIM可應(yīng)用于建筑工程的整個(gè)生命周期內(nèi)，包括初期的工程設(shè)計(jì)、中期的建筑施工和后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)等環(huán)節(jié)，能夠以數(shù)據(jù)信息的方式呈現(xiàn)包括項(xiàng)目周期、預(yù)算、進(jìn)度、范圍、人員使用情況、開支等多方面的項(xiàng)目指標(biāo)，提升項(xiàng)目透明度。

4）互用性。信息的互用性很好的解決了數(shù)據(jù)類型不一致的問題，進(jìn)而使BIM模型自動(dòng)演化。這一特點(diǎn)，不僅完美得避免了數(shù)據(jù)的多次輸入，而且還大大降低了成本，節(jié)約了時(shí)間，提高了工作效率。信息的互用性解決了項(xiàng)目參與方因使用不同專業(yè)軟件而使信息交流成為阻礙的問題。

3" 應(yīng)用BIM建立模型

3.1" 建立半圓柱網(wǎng)架模型

由于半圓柱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有主桿和腹桿交替搭建而成，所以利用Revit軟件中自適應(yīng)族功能創(chuàng)建主桿與腹桿族。

在模型建立界面按照?qǐng)D紙中的間距交替放置主桿與腹桿，并在一根主桿與一根腹桿上安裝螺栓球，使用陣列命令為所有主桿與腹桿安裝螺栓球，這樣可以方便在安裝連接桿件時(shí)進(jìn)行定位。由于半圓柱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)兩端主桿與腹桿間距不和其他部分的主桿與腹桿間距相同，在設(shè)置陣列間距的時(shí)候需要注意，可以采用分次陣列的方式，即先完成兩端螺栓球的陣列，再完成中間部分螺栓球的陣列。接著設(shè)置梁為鋼管族，設(shè)置直徑為88.5 mm，厚度為4 mm。

選擇該類型的鋼管對(duì)一根主桿與一根腹桿之間利用布置的螺栓球進(jìn)行定位連接，連接完畢后將視圖調(diào)整為網(wǎng)架側(cè)面，使用陣列命令對(duì)其余的主桿和腹桿以螺栓球?yàn)槎ㄎ贿M(jìn)行連接，得到網(wǎng)架框架，這樣便完成了所有主桿與腹桿之間的連接工作。

使用建立腹部同樣的方法，先根據(jù)圖紙中的尺寸要求布置側(cè)面螺栓球，再次使用鋼管利用螺栓球進(jìn)行定位連接，連接完成半圓柱棚網(wǎng)架模型，此時(shí)便完成了對(duì)半圓柱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的BIM模型建立。

3.2" 建立半球網(wǎng)架模型

觀察半球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)可以利用不同層高，將這些層高分別進(jìn)行模型建立，再使用鋼管對(duì)不同層高之間進(jìn)行連接。這樣建立模型不僅方便而且易于被分類，還可以將工步區(qū)分開來，倘若模型建立出錯(cuò)或者需要對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，可以直接選擇對(duì)應(yīng)的層高進(jìn)行單獨(dú)修改而不影響整體模型的結(jié)構(gòu)。為后續(xù)設(shè)置施工模擬，生成施工動(dòng)畫做準(zhǔn)備。

通過CAD圖紙中測(cè)量出每層半球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的高度，在Revit中建立相應(yīng)的標(biāo)高，并在每一層標(biāo)高中均布連接桿件定位用的螺栓球，利用鋼管對(duì)每一個(gè)層高的螺栓球進(jìn)行連接，然后再使用鋼管結(jié)構(gòu)對(duì)層高之間利用三角單元結(jié)構(gòu)創(chuàng)建連接。

使用同樣的方法建立所有層高的半球網(wǎng)架模型，并使用鋼管利用螺栓球進(jìn)行定位，對(duì)不同層高進(jìn)行連接，可以得到半球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的半成品模型。

同樣使用鋼管結(jié)構(gòu)對(duì)不同層高之間的主桿與主桿之間、腹桿與腹桿之間進(jìn)行連接，同樣也是使用不同層高之間的螺栓球進(jìn)行定位連接。連接主桿與主桿之間、腹桿與腹桿之間后，使用柱命令，在屬性中選擇混凝土矩形柱，編輯類型修改b為40 0mm，h為400 mm。使用該混凝土矩形柱作為橋墩，在網(wǎng)架底端建立橋墩結(jié)構(gòu)，此時(shí)便完成了半球網(wǎng)架模型的建立。

4" BIM技術(shù)施工模擬

將在Revit環(huán)境下建立的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入進(jìn)Navisworks軟件中，使用該軟件中的Timeliner工具對(duì)兩個(gè)工程進(jìn)行編輯。

首先選擇模型中需要賦予時(shí)間屬性的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建集合。選擇網(wǎng)架模型中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行依次創(chuàng)建，例如在半圓柱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中將每一根主桿結(jié)構(gòu)選中后創(chuàng)建為一個(gè)集合，將每一根腹桿結(jié)構(gòu)選中創(chuàng)建一個(gè)集合，再將用來連接主桿與腹桿的腹部的桿件創(chuàng)建為一個(gè)集合等；在半球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中可以利用不同的層高創(chuàng)建合計(jì)，例如將不同標(biāo)高中的主桿或腹桿結(jié)構(gòu)創(chuàng)建為若干個(gè)集合；再將連接每層之間的桿件分別創(chuàng)建集合。

使用Timeliner工具中的任務(wù)模塊將創(chuàng)建的集合鏈接時(shí)間屬性，并設(shè)置任務(wù)類型為構(gòu)造。設(shè)置完成半圓柱網(wǎng)架任務(wù)、半球網(wǎng)架任務(wù)后，使用附著功能，將之前創(chuàng)建的集合部分分別與設(shè)置的時(shí)間、任務(wù)名建立連接關(guān)系。使用Timeliner工具中的模擬模塊，更具鏈接的時(shí)間屬性生成施工模擬動(dòng)畫，如圖2、圖3所示。

圖2" 半圓柱網(wǎng)架施工模擬動(dòng)畫

圖3" 半球網(wǎng)架施工模擬動(dòng)畫

通過拉動(dòng)模擬截面的動(dòng)畫進(jìn)度條，可以多次觀看半圓柱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、半球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工過程中的施工動(dòng)畫。同時(shí)也可以拖動(dòng)進(jìn)度條到特定的位置觀看局部結(jié)構(gòu)施工模擬的動(dòng)畫，幫助用戶初步了解施工情況，為實(shí)際施工提供指導(dǎo)意義。

5" 結(jié)" 論

基于軟件采用建立自適應(yīng)族的方式建立半圓柱網(wǎng)架、半球網(wǎng)架BIM模型，獲得了兩個(gè)網(wǎng)架詳細(xì)結(jié)構(gòu)情況。

運(yùn)用Navisworks軟件建立了網(wǎng)架模型以時(shí)間為參數(shù)的施工模擬，可以通過讓施工人員通過觀看施工動(dòng)畫，對(duì)整個(gè)施工過程有大致的了解，可以對(duì)施工工期有初步的估算。同時(shí)對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體安裝方法在施工前有一定了解，根據(jù)施工動(dòng)畫進(jìn)行重點(diǎn)把控，對(duì)實(shí)際工程安裝過程中可能遇到的問題有一定準(zhǔn)備。防止在施工過程中由于突發(fā)情況而導(dǎo)致工程不能按期交付等問題的產(chǎn)生，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)可以為工程師設(shè)計(jì)正確的施工工序，安排合適的施工單位進(jìn)行施工作業(yè)，設(shè)置合理可行的施工部署工作提供參考。通過BIM建模技術(shù)對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究為得到了滿足各方需要的網(wǎng)架屋蓋施工方案奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：姚新順（1975.01—），男，漢族，陜西澄

城人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：機(jī)械工程、建筑施工技術(shù)。