高位塔中央竖井BIM 设计方法

何姜江，袁多亮

( 中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

自然通风冷却塔是火力发电厂、核电发电厂湿冷机组及化工行业冷却系统用的大型冷却建(构)筑物。随着国家经济政策的转型，对节能减排、循环经济的、低碳经济提出了更高的要求[1]。高位收水自然通风冷却塔(以下简称“高位塔”)具有明显节能、降噪优势，未来的应用前景更加有广阔，尤其是对电价高及电源紧缺的地区，高位塔的优势更加明显。

高位塔中央竖井区域是高位塔内部结构最复杂的结构，由梁、板、柱等构件组成。压力进水沟底部与中央竖井连通，竖井中部四周布置冷水槽，竖井上部与十字型配水槽连通，并设计控制配水系统的6 个闸门。竖井井筒四周设置4 个溢流井，可将竖井内的水引入竖井外围的冷水槽。中央竖井外围设置冷水槽，其上方搁置单层配水槽。中央竖井零米以下设井座，与压力进水沟相连。竖井井筒下部与压力进水沟相连，上部沿四个方向分别设单孔和双孔配水槽，四周设环形配水槽，井筒外围设4 个溢流井，井筒顶部设检修平台[1]。

作为一种新兴的建筑模型设计方法，建筑信息模型 ((building information model，BIM)其具有可视化、可协调、可模拟和可出图性等特点。近些年很多工程师均采用BIM 技术逐渐取代传统CAD 设计技术，特别是复杂单体建筑中，BIM 技术的优势更加明显。但在工业领域如能源、化工等行业，BIM 技术的应用还相对比较滞后[2-3]。

采用传统CAD 设计技术不及三维设计直观。由于传统设计无法直观表达构建各构件之间空间关系，对工程师的空间想象能力能出了更高的要求。CAD 的设计成果一般通过投影、剖切方式以二维图形式来表达，极易出错，甚至导致碰撞[3]。同时传统二维技术中平面图和立面图属于相对独立，不能联动修改，在设计过程中，若设计局部调整时，常常一处修改，多处调整，工作量巨大，且极易出错。

基于上述方法存在的不足，本文提出一种高位塔中央竖井三维设计方法，该方法结合BIM 技术特点，在BIM 平台完成模型创建后，可自动提取数据生成通用有限元模型用于内力计算，同时将内力计算结果返回至BIM 平台，根据计算结果自动进行结构设计、图纸制作和材料统计等工作，全部设计过程数据传递自动传递，设计全过程可视化，可提高中央竖井设计成果的质量和效率。

1 技术路线

经调研，目前已有多个软件平台可实现BIM技术，如Autodesk 公司的Revit 软件、Bentley 公司的MicroStation 平台、Dassualt Systems 公司的CATIA 软件、Graphisoft 公司的Archicad 软件等，这些软件平台都有自身的优势和特点[2]。综合考虑通用性、操作友好性和价格等因素，国内多采用Autodesk 公司的Revit 软件来进行BIM 三维建模。

1.1 设计流程

采用Revit 作为BIM 设计软件，C#作为二次开发的工具，ANSYS 作为通用有限元软件，提出一种高位塔中央竖井三维设计方法。设计流程图，如图1 所示，主要步骤如下：1)在Revit 软件创建中央竖井模型；2)提取模型数据，形成有限元模型；3)进行内力计算；4)进行结构设计计算；5)进行结构设计校验，判断是否满足混凝土结构设计规范要求，若为是，则至下一步，若为否，则修改中央竖井模型中配筋信息或构件截面信息后，返回至步骤2；6)生成三维钢筋模型；7)生成图纸和材料统计报表[4]。

图1 设计流程图

1.2 参数输入

创建中央竖井模型的具体过程包括，先在Revit 软件中创建中央竖井模型。创建中央竖井模型常用的方法有包括：1)在Revit 软件中创建中央竖井族文件，通过修改族参数完成中央竖井模型的创建；2)在Revit 软件中以搭积木方式完成中央竖井模型的创建。模型创建完成后布置埋件、埋管、孔洞等附件；其中，埋件、埋管、孔洞均以族文件形式加载；在上述模型输入中央竖井各构件的力学参数；其中，力学参数包括各构件的容重、弹性模量、泊松比等；在模型中添加荷载信息，荷载包括风荷载、检修荷载、设备荷载、水压力、土压力、重力作用、地震作用；输入荷载组合工况信息。也可编制程序自动设定各参数，各参数均设置初始值，可结合具体工程对上述参数进行增加、修改和删除操作。

1.3 模型创建

生成有限元模型的具体过程包括：先提取已创建的中央竖井模型的几何信息、各构件的力学参数、荷载信息和荷载组合工况信息、边界条件，生成数据文件，并基于该数据文件在ANSYS 软件中生成有限元模型。几何信息包括构件的长、宽、高、半径等尺寸信息及位置信息；其中，数据文件指参数化设计语言(APDL)命令流文件， APDL 是ANSYS 命令程序语言，遵循FORTRAN 语言语法规则，命令流文件以宏(MAC)方式融于一个文本文件中；命令流文件内容包括以下几步：a)创建单元类型，定义参数；b)定义材料参数并赋值；c)创建模型；d)划分单元；e)施加荷载；f)设置荷载组合工况；g)设置边界条件。生成有限元模型有两种方法：1)在通用有限元软件中以命令流方式加载生成；2)生成符合通用有限元软件格式要求的数据文件。有限元模型的创建是通过Revit 软件平台二次开发后程序自动实现的，该模型已完成有限元网格的划分，同时包括边界条件、荷载以及荷载组合工况信息；有限元模型单元可以采用实体单元(Solid 65)组成，亦可采用梁单元(Beam188)和壳单元(Shell 181)组成。

1.4 结构设计

内力计算的具体过程包括：采用有限元软件进行内力分析，计算出中央竖井各构件不同荷载工况组合下的内力，内力包括轴力、剪力和弯矩；提取上述内力信息，写入Revit 软件，添加至各构件属性信息中。可生成APDL 命令流文件后自动调用ANSYS 程序，通过/input 命令读入上述文件并执行来实现。

结构设计计算指在Revit 软件中提取有限元软件的内力计算结果并根据混凝土结构设计规范承载力极限状态计算，得出中央竖井各构件的钢筋布置信息。

结构设计校验的具体过程包括：在Revit软件中提取钢筋布置信息并按混凝土结构设计规范要求进行正常使用极限状态验算，包括中央竖井各构件的裂缝和挠度。

生成三维实体钢筋模型包括指根据钢筋布置信息，调用Revit 钢筋系统族生成三维实体钢筋模型。钢筋布置信息包括钢筋的等级、直径、形状、间距、长度、数量。三维实体钢筋包括受力筋、分布筋、腰筋、箍筋和拉结筋；对钢筋进行归并、统计，生成钢筋表。

生成图纸和报表包括：在指定位置自动添加剖面，形成剖面图；在剖面图中自动添加标注、文字说明信息；自动生成钢筋图，添加钢筋表；统计混凝土、钢筋、埋管、埋件数量，形成材料报表；对图中数字、文字等信息进行校核、确认，完成设计。

2 测试案例

2.1 工程背景

以重庆地区某工程高位收水冷却塔中央竖井施工图设计为例，验证三维设计方法的技术可行性。该工程中央竖井主要结构尺寸如下：压力进水沟断面尺寸4 200 mm×4 200 mm，中心标高4.15 m，冷水槽高14.00 m，井筒内孔尺寸4 200 mm×4 200 mm，顶标高24.00 m。

2.2 BIM设计

根据高位塔中央竖井工艺流程及主要尺寸，在Revit 软件中以搭积木方式创建三维几何模型，该模型在Revit 软件中以族文件形式创建，并能实现参数控制，以满足设计调整需要。

在上述几何模型各构件中添加力学参数和荷载信息，力学参数包括各构件的容重、弹性模量、泊松比等；荷载包括风荷载、检修荷载、设备荷载、水压力、土压力、重力作用、地震作用；在Revit 软件中对荷载组合工况信息进行设置，该信息内嵌于族文件中[5]。

创建后的族文件的几何模型，如图2 所示。

图2 高位收水冷却塔中央竖井结构三维视图

2.3 有限元分析

基于Revit 软件，采用C#进行二次开发，调用Revit 软件API 工具，提取中央竖井模型的几何信息、荷载信息及荷载组合信息，生成ANSYS 软件可识别的APDL 命令流文件。其中几何信息包括构件的长、宽、高、半径等尺寸信息及位置信息。

APDL 命令流文件包括建模、计算、后处理共3 个模块，其中建模模块主要包括：a)创建单元类型，定义参数；b)定义材料参数并赋值；c)创建模型；d)划分单元；e)施加荷载；f)设置荷载组合工况；g)设置边界条件。计算模块以命令流方式启动ANSYS 求解器，完成计算。后处理模块包括提取中央竖井各构件不同荷载工况组合下的内力信息，保存至数据库中。内力信息包括轴力、剪力和弯矩，同时将上述内力信息写入Revit 模型，添加至各构件属性信息中，用于结构设计计算[4]。

在Revit 软件启动ANSYS 程序，读取已生成的APDL 命令流文件，完成有限元分析的建模、计算和后处理各步骤。生成的计算模型，如图3 所示。

图3 中央竖井三维有限元模型

2.4 结构设计

在Revit 软件中提取和构件的内力，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》承载力极限状态计算，得出中央竖井各构件的钢筋布置信息，并按混凝土结构设计规范要求进行正常使用极限状态验算，包括中央竖井各构件的裂缝和挠度；生成中央竖井各构件的配筋布置信息，包括钢筋的等级、直径、形状、间距、长度、数量等。

利用Revit 软件功能，提取平面图、剖面图，添加标注信息、文字信息等。生成图纸，如图4所示。

图4 高位收水冷却塔中央竖井结构剖面图

3 结语

本文将BIM 设计技术和有限元分析方法相结合，进行中央竖井的设计，并以具体工程设计为例对该方法的可行性进行了技术验证。在BIM 平台完成模型创建后，可自动提取数据生成通用有限元模型用于内力计算，也可将内力计算结果返回至BIM 平台，根据计算结果自动进行结构设计、图纸制作和材料统计等工作，全部设计过程数据传递自动传递，设计全过程可视化，可提高中央竖井设计成果的质量和效率。相比于传统的二维设计技术，简化了设计流程，减少了数据的传递，更直观、高效、准确，提高冷高位塔中央竖井设计的效率和质量。可为其他工程提供借鉴参考，同时，该方法同样适用于高位塔中冷水槽、配水槽、压力进水沟等复杂构筑物的设计。