采用BIM技术对北方寒区温室建模与CAD 绘图的对比分析＊

魏存兴，解恒燕，郑鑫(黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆 163319)

目前中国对温室结构设计没有统一标准，除2017 年住建部颁布的GB/T51183-2016 《农业温室结构荷载规范》外[1]，几乎没有设计依据可循。在设计软件方面更是没有像房屋设计通用的PKPM 设计软件可用，绘图一般常用Auto CAD绘图软件。国内外学者在温室受力、结构形式及空间利用等方面研究较多[2-5]，针对温室结构设计软件方面尚未见相关研究。

BIM 是Building Information Model 即“建筑信息模型”的简称，BIM 技术是建筑行业与信息融合的“革命性”技术，BIM 技术的应用改变了传统的手工绘图和常见的Auto CAD 绘图，可以对现有的进度和施工方案进行模拟演示，并且可以通过BIM 的碰撞冲突发现施工过程中遇到的问题，这对于传统施工方法有着十分重要的影响，有效提升了施工质量与效率。

Revit 作为BIM 中一款功能强大的结构建模软件，构建的模型中包含了建筑物的物理和功能特性信息[6]。本文采用Revit 软件对已建成的北方寒区塑料大棚、传统日光温室、纯钢结构日光温室及新建弧边方钢管骨架日光温室进行了三维建模，探索BIM 技术在设施农业上的应用[7]。

采用BIM 技术对已建成北方寒区温室建模

塑料大棚

本文拟建模的塑料大棚位于黑龙江省大庆市高新区黑龙江八一农垦大学校园内（125.17°E，46.59° N）。该塑料大棚主要用于春季校内绿化育秧。塑料大棚俗称“冷棚”，内部无保温设施，冬季不可用。塑料大棚外部、内部分别如图1～2。

图1 塑料大棚外部

图2 塑料大棚内部

采用Revit 建模得到的塑料大棚骨架立面图如图3，骨架采用焊接桁架式，俗称“花梁”。塑料大棚5 榀骨架三维视图如图4。大棚总长度为100 m，骨架间距1 m。由于骨架完全相同，为简化起见，本文建模采用5 榀骨架的塑料大棚模型。大棚纵向由9 根系杆连接，棚内每3.0 m 设1 根立柱，用以提高大棚竖向承载力及抵抗变形能力。骨架基础采用C30 混凝土墩埋入地下0.5 m 左右。大棚入口在山墙一侧，如图中交叉钢管所示。采用Revit 建模后，无需再用人工计算材料用量，在Revit 界面中可自动生成门窗表、材料用量表和材质表，按照需要的格式和内容可转换生成符合需要的Excel 表格，非常方便。采用Revit 建模得到的单榀塑料大棚骨架钢材用量明细表如表1。经计算，5 榀塑料大棚骨架总用钢量为220.282 kg。

图3 塑料大棚骨架立面图/mm

图4 塑料大棚5 榀骨架三维视图

表1 5 榀塑料大棚骨架钢材用量明细表

传统日光温室

本文拟建模的传统日光温室位于黑龙江省大庆市龙凤湿地附近的育禄农业科技有限公司所属的上苍采摘园内（位置经纬度分别为125.17°E，46.51°N）。日光温室俗称“暖棚”，该温室内种植黄瓜、草莓、葡萄及叶菜，由于温室保温性能好，因此可实现一年四季不间断生产。该传统日光温室外部、内部分别如图5～6。

图5 传统日光温室外部

图6 传统日光温室内部

采用Revit 建模的传统日光温室骨架立面图如图7，骨架同样采用焊接桁架式，温室北侧采用高度为3 m 带有保温层的混凝土砌块墙体。温室总长度为100 m，骨架间距1 m，其5 榀骨架三维视图如图8。温室纵向由5 根系杆连接，棚内每12 m 设1 根圆形钢管立柱和1 根斜向矩形钢管焊接而成的T 形骨架，用于悬吊植物叶蔓。传统日光温室的基础为埋入在地下的混凝土墩，温室入口在山墙一侧，如图中交叉钢管所示。5榀传统日光温室骨架及立柱、斜杆钢材用量明细表如表2。经计算，5 榀传统日光温室骨架总用钢量为271.561 kg。

图7 传统日光温室骨架立面图/mm

图8 传统日光温室5 榀骨架三维视图

表2 5 榀传统日光温室骨架及立柱、斜杆材料用量明细表

纯钢结构日光温室

图10 纯钢结构日光温室内部

本文拟建模的纯钢结构日光温室位于黑龙江省大庆市林甸县（124°87' E，47°18'N）黑龙江八一农垦大学设施示范基地内。该温室在当地被称为“三月温室”[11]，温室内主要种植番茄和白菜。可以实现一年两茬种植。本纯钢结构日光温室外形与传统日光温室相同，但其骨架为整体纯钢结构，无北侧墙体。为达到保温效果，在温室北侧钢结构上覆盖草帘和黑色塑料布。纯钢结构日光温室外部、内部分别如图9～10 所示。采用Revit 建模得到的纯钢结构日光温室骨架立面图如图11，骨架仍为焊接桁架式。温室总长度为100 m，骨架间距1 m，纯钢结构日光温室5 榀骨架三维视图如图12。温室纵向由6 根系杆连接，棚内右上角布有相互垂直的两根斜杆，以提高大棚的稳定性。温室基础为埋入地下0.2 m 的混凝土墩。本温室入口未设置在山墙一侧，而是设在南侧第一跨，如图中交叉钢管所示。5 榀纯钢结构日光温室骨架钢材用量明细表如表3。经计算，5 榀纯钢结构日光温室骨架总用钢量为273.178 kg。

图9 纯钢结构日光温室外部

表3 5 榀纯钢结构日光温室骨架材料用量明细表

图11 纯钢结构日光温室骨架立面图/mm

图12 纯钢结构日光温室5 榀骨架三维视图

温室材料用量对比

由采用Revit 对三种温室建模得到的用钢量可以得到，5 榀塑料大棚骨架总用钢量为220.282 kg，5 榀传统日光温室骨架总用钢量为271.561 kg，5 榀纯钢结构日光温室骨架总用钢量为273.178 kg。传统日光温室与纯钢结构日光温室用钢量相当，都大于塑料大棚的用钢量。由于传统日光温室北侧墙体材料没有计算在内，因此如计算整体材料造价，传统日光温室造价最高，其次是纯钢结构日光温室，塑料大棚材料造价最低。经手算核对，Revit 建模得到的材料用量非常准确。采用Revit 建模后，材料用量能同时生成，方便快捷，大大节省了工作量。

采用BIM 技术对新建温室建模与采用CAD 绘图的比较

BIM 技术优点

传统的CAD 绘图和手绘图一样，得到的平、立、剖面图互不关联，若需要某些特殊位置的图，只能重新绘制。而如果在某个局部做了修改，需要重新检视所有图，逐一更改。这一过程不仅耗时耗力，还容易出错。一些复杂结构的CAD 图需要绘制人员和识图人员具有足够的空间想象力，否则容易导致设计与施工不协调，产生错误。与CAD 相比，BIM 在这些方面功能较强。BIM采用三维建模，模型建好后，需要哪个位置的图都能快捷生成。如果有修改，则只需要在一处改动后，软件自动地动一处而动全体，自动完成全部修改。BIM 的可视化是其最大的优点，三维可视化模型把现实中的结构构件生动地展示出来，任何参与项目的人员都可对所设计的对象有更加直观、整体的认识[12-13]。

采用BIM 技术对新建日光温室建模

2021 年春，黑龙江八一农垦大学拟在校内建造植物园工程，其中包含1 栋日光温室。结合本项工程，对日光温室进行了BIM 建模，并与CAD 绘图进行了对比。该日光温室骨架采用将常规方钢管直角边钝化形成的弧边方钢管，其截面如图13。弧边方钢管骨架没有尖角，不会破坏塑料膜，且由于截面更加舒展，其抗弯刚度大于常规方钢管。与桁架式骨架相比，弧边方钢管骨架更易于制造安装，结构简单，刚度和稳定性更优，因此这种材料目前在中国北方寒区新建温室中应用较广泛。温室内北侧有集热蓄能装置，用作冬季保温。该日光温室骨架南侧采用双层钢管，内层钢管上可用于铺设棉被保温。温室总长度为50 m，骨架间距1 m。采用CAD 绘制得到的弧边方钢管骨架日光温室平面图及立面图如图14～15。采用Revit 建模得到的弧边方钢管骨架日光温室平面图、立面图如图16～17。

图13 弧边方钢管截面图

从图14～15 与图16～17 的比较可见，采用CAD 绘图和采用Revit 建模得到的日光温室平面图和立面图区别不大，Revit 建模可实现现有CAD 绘图的功能。但CAD 无法快速得到三维视图，且用CAD 进行三维视图需要绘图者丰富的想象力，容易出错，还要耗费大量时间和精力。而采用Revit 软件可以在瞬间得到任意视角的三维视图，弧边方钢管骨架日光温室三维视图如图18。Revit 建模还可以得到设计对象的场地配景，如图19。场地配景给设计者广阔的想象空间，也可与场地实际相结合进行现场模拟，可得到逼真的效果图。

图14 采用CAD 绘图得到的弧边方钢管骨架日光温室平面图/mm

图15 采用CAD 绘图得到弧边方钢管骨架日光温室立面图/mm

图16 采用Revit 建模得到的弧边方钢管骨架日光温室平面图/mm

图17 采用Revit 建模得到的弧边方钢管骨架日光温室立面图/mm

图18 采用Revit 建模得到的弧边方钢管骨架日光温室三维视图

图19 采用Revit 建模得到的弧边方钢管骨架日光温室三维场地配景图

BIM 技术可视化效果

采用Revit 软件中的照相功能可得到设计对象任一位置的模拟实景图片。图20 为采用Revit照相功能得到的日光温室内景图片，图21 为建成后拍摄得到的日光温室内部照片。由图20～21 可知，两张图片相似度还是比较高的。在设计阶段，可根据模拟实景图片对某些部位进行修改和完善。此外，Revit 软件还可得到按照设计路径的漫游视频，Revit 软件的可视化功能非常强大。

图20 采用Revit 照相功能得到的弧边方钢管骨架日光温室内部图片

图21 建成后的弧边方钢管骨架日光温室内部照片

结论

通过采用Revit 软件对已建成北方寒区塑料大棚、传统日光温室、纯钢结构日光温室及新建弧边方钢管日光温室三维建模及分析表明：①采用BIM 技术对北方寒区温室建模能够完成目前采用CAD 绘图的所有功能；②采用BIM 技术对北方寒区温室建模具有三维视图、自动生成材料用量等CAD 绘图无法完成的功能；③采用BIM 技术对北方寒区温室建模具有较强的可视化效果，非常适合应用于设施农业的设计与建造。