钢结构深化设计制图多种技术在机场工程中的应用

钱晓村

上海机施建筑设计咨询有限公司 上海 200072

1 工程概况

卫星厅工程是上海浦东国际机场三期扩建工程的主体工程，由2座相连的卫星厅组成（图1），形成工字形的整体构型，年处理旅客设计能力3 800万人次。卫星厅总建筑面积6 220 000 m2，分为6层布局，地上5层，地下1层。自下而上为捷运站台层、中转层、国际到达层、国内出发到达混流层、国际出发层，为目前世界上最大单体卫星厅。登机桥数量、种类多是卫星厅另一大特点，设有83座各类登机桥，能够提供86～125个各型机位，大面积的登机桥采用了国际、国内可转换及组合机位，足有4层楼高，方便机场、航空公司根据航班情况和机型大小灵活调整安排。

2 工程难点

图1 上海浦东国际机场卫星厅效果图

1）卫星厅屋顶造型复杂，工期紧张，建模仅凭建筑三维线性模型难度大，除屋面桁架系统图纸外，天沟、檩条、马道、托架的设计均由我公司承担，构件数量多。挑檐、天沟、屋脊排水、天窗等各类专业分包均要协调。

2）卫星厅埋件种类繁多，达到上万件，由4家土建单位共同承建，需全天候不停航施工，提前预判做好深化设计工作，市政重点项目刻不容缓。

3）83座登机桥中的转换桥，从4 m步道到17 m屋顶，有土建、屋面、幕墙、机电安装、电梯、自动扶梯、TMD减振设备，拉索钢棒等十几家外单位配合，1座登机桥的深化不亚于十几层楼的深化时间，深化进度控制超乎想象。登机桥建筑美观要求高也是其他工程中罕见的。

3 钢结构深化设计多种技术取长补短提高效率

随着科技日新月异地发展，深化设计已经从传统的CAD二维、CAD三维转变成现在最常应用的Xsteel软件三维建模技术。通过3D实体建模，参数化节点应用，自动生成图纸（包含材料，螺栓数据表）后再进行人工标注尺寸，剖面零件标注，最后转换为AutoCAD格式图纸。Xsteel相比之前CAD制图，优点就是可以随时三维渲染视图，并从任意角度查看模型的整体和细部情况，模型完成后的出图就相对简单很多。模型还能转换成网页，CAD的三维格式给设计院审图和现场施工带来便捷，提高了工作效率。在BIM模型中导入Xsteel模型，输出CAD三维模型，通过仿真模拟建筑物所具有的真实信息达到可视化模拟施工状态，即“所见即所得”的形式，便于检查出结构间的软碰撞、硬碰撞及各工种配合的合理性。

3.1 Xsteel与CAD技术在卫星厅登机桥中的结合应用

卫星厅83座登机桥中包括37座单桥，25座转换桥，4座剪刀桥，17座合并桥。应用Xsteel软件能保证连接的准确性，出图的统一性，特别登机桥大部分是细小构件，90%的方管都是焊接拼制，需要为工厂预留比传统加工多一倍的时间，这样又压缩了深化时间。就最复杂的转换桥而言，一个转换桥从搭模、出图、校对到图纸送审需要3个人共15个工作日。在专机坪（含9座转换桥， 5座合并桥，3座单桥）现场提出要在2个月内完成深化设计的条件下，对照前面的时间安排，显然是不可能完成的任务。有困难就要找出路，通过图纸比对发现，转换桥虽然体积庞大构件数量多，但桥身宽度，4层平面标高及斜率，外单位配合数据及类型均相同，先通过表格把9座转换桥进行差异比对，发现相似程度很高。因此决定利用CAD翻图＋不相同构件Xsteel出图结合的方式来提高出图效率，从原来的1座桥3个人共15个工作日压缩到2人共5个工作日。

1）以22#桥为例，通过表格汇总出与可参考的桥相比，科技图纸中科技修改的内容，在CAD图上对修改内容用不同图层表示，以方便校对、工厂加工和现场施工。

2）深化设计时，为更准确地表达CAD翻图和Xsteel出图构件的区别， 对Xsteel新出图构件进行命名时，均以“－100”开头，而CAD翻图构件仅修改前缀桥号，构件编号不改，从整体上掌控每个桥的修改情况，通过修改总量准确计划深化进度，确保满足加工及现场施工进度要求。

3.2 Xsteel与Rhino3D犀牛技术在卫星厅三角屋面中的结合应用

Xsteel软件最大的优点是保证正交结构精确的同时最大限度发挥建模出图的速度，简化操作，缺点是网架弧形结构建模困难，尤其需要三维曲线坐标定位时更是难上加难。卫星厅中的三角屋面恰巧是双曲屋面（图2），Xsteel软件只能完成主体部分详图，上部檩条及檩条托架要在三维曲线空间中找点建模，这时就要寻找其他软件。Rhino3D NURBS（犀牛）是一个功能强大的高级建模软件，可以创建、编辑、分析和转换NURBS曲线、曲面和实体，并且在复杂度、角度和尺寸方面没有任何限制，建模完成后可导出高精度模型给其他三维软件使用，这些优点可以弥补Tekla等软件在空间曲面建模上的弱势。Grasshopper则又是基于Rhino的一款可视化节点编程建模软件，功能全面的运算器能提供节点式可视化编程操作[1]。卫星厅双曲屋面就由Rhino＋Grasshopper、Xsteel、AutoCAD等软件协同进行深化设计。

图2 卫星厅三角双曲屋盖形成示意

1）首先在建筑提供的屋面完成面表皮Rhino三维模型基础上，我们预先留出屋面节点构造空间即可推算出檩条完成面。考虑到现场安装误差及沉降，在安装檩条前需要现场复测支托的实际标高数值，根据理论数值再调节檩托板长度，以保证檩条安装的准确性。支托顶部中心基准点的标高数值运用Grasshopper运算器输入操作及其中各种几何类型的分析和变动等，最终输出我们所要的数据。根据自动生成的标高点号及标高数据汇总到CAD图纸中。在同一个模型中每个点都有可追溯性，大大提高了各个工种工作效率。

2）在屋面双曲檩条出图的基础上，根据加工要求，每隔500 mm确定弯曲矢高，获取所要数据，从而实现参数化建模。

4 钢结构三维建模和BIM技术在深化设计阶段的结合应用

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），近几年在建筑领域的应用带来的成效有目共睹。可视化施工文档存储、基础数据共享与调用、项目精细化管理及造价控制等优点在大工程中尤为突出。卫星厅建筑面积庞大，钢结构与各专业交界面多，如果仅依靠在Xsteel软件中建立的钢结构模型，而其他专业不配合，就会顾此失彼，造成现场返工，形成不必要的经济损失。在卫星厅工程中，BIM小组承担了土建和屋面三维建模，还要把幕墙、设备、二结构精装等各专业的模型进行整合，通过BIM技术来进行检查，并及时发现问题、反映问题、解决问题。

卫星厅空侧幕墙柱顶在伸缩缝处的埋件很容易按惯性思维设置为常规埋件，但宽280 mm的埋件板与混凝土的碰撞在BIM三维模型里显而易见（图3）。整个S1，S2有20多处此类问题，在现场屋顶混凝土梁还没有施工的前提下，设计提出了部分钢梁移位，部分钢梁截面缩小，深化埋件不做调整的修改方案。用最小的调整达到了各专业的要求，BIM技术功不可没。

图3 空侧幕墙柱在混凝土伸缩缝处的碰撞

卫星厅后续有不少在已完成的施工现场状态下增加或修改布局的工作量。在B8区域新增办公室钢结构框架柱的过程中，BIM核模时发现与已有二结构外墙定位重叠（图4），现场外墙防水已全部完成，敲掉重新施工的可能性很小。二结构图纸一般涵盖在精装系列中，不会与钢结构产生交集，但在BIM模型中很容易直观地发现问题，在深化初期即和设计讨论解决方案，设计提出内移新增钢柱避开已有混凝土外墙的解决方案。看似只是简单的移位，但如果专业间相互不配合，等构件到现场再解决，既被动又会造成经济损失。

图4 钢结构与二结构碰撞示意

5 结语

如今的钢结构深化已经脱离了草图翻样的传统观念，复合型的制图技术不断融入深化设计领域。不管是仅仅拿到上层建筑提供的一张表皮模型，还是草草几个节点，大样所有定位布局参照建筑图的设计图纸，深化设计总能利用CAD、Xsteel、Rhino软件及BIM等各操作技术，深入到非钢结构专业和建筑或机电沟通，积极开拓思路，起到承上启下的作用。在卫星厅项目中利用一个模型，做到了深化设计、加工制作、施工三者一体化，很好地体现了深化设计的价值，为工程的顺利完成立下了汗马功劳。