基于BIM技术的复杂矿山地面建筑设计方法

罗德刚 （中煤科工集团南京设计研究院有限公司，江苏 南京 225500）

1 二三维一体化设计方法

1.1 二三维一体化设计的含义

现行BIM正向设计应用模式主要有两种，其一为以模型为主的BIM设计模式，其二为以图纸为主的BIM设计模式。在模型占主导的设计方式下，大多数图形由模型二维视图自动生成，只有对于不符合传统制图习惯的部分才借助二维绘图工具加以补充，因此在此模式下建模工作量大，建模要求高，整体工作效率低；在图形占主导的设计方式下，设计人员根据图纸建立模型，模型主要用于可视化和专业协调，因为所有图纸的绘制均在传统二维CAD环境中完成，所以图纸的规范性能得以保障，但是BIM模型对整个设计流程的提升效益不大。

二三维一体化设计是一种新型的BIM设计应用模式，其不同于上述两类，而是根据任务需要，以三维设计模式完成便于利用模型直接出图的工作，以二维设计模式完成不便直接利用模型出图的工作。

1.2 二三维一体化设计的流程

在具体工作中，采用二三维一体化设计的主要步骤为建模和出图。在建模阶段选择合适的BIM样板并完成整体三维建模，因为建模的目的是绘制整体平、立、剖面图，所以可以不建某些细部构件。完成整体三维模型后即可利用模型视图快速生成整体平立剖面施工图，而对于局部平立剖面图（详图图纸），则可在模型中利用剖切、索引等功能自动生成初步轮廓图，然后利用CAD为媒介，在绘图视图中完善布局平立剖的初步轮廓图，以生成完整的局部平、立、剖面施工图（详图施工图）。

1.3 二三维一体化设计的创新点

在基于三维模型的设计模式下，虽然绝大多数图纸可以根据模型自动生成，但是细部节点均需建模，建模工作量极大，对设计人员的要求较高，且在不断修改设计方案和图纸时需频繁改动大量构件参数，而在传统CAD绘图模式下，只要对二维图形进行拉伸等简单操作即可达到同样的效果，这将明显降低设计自由度和工作效率。

在二维图形占主导的BIM设计模式下，设计师利用CAD绘制各类施工图，然后根据二维施工图建立BIM模型。虽然简化了成图过程，但一旦图纸修改，BIM模型也要手动修改，因此当业主不断变更设计意图时，模型修改的工作量也会急剧增加，进而造成整体设计效率的下降。

在二三维一体化模式下的BIM正向设计兼具三维设计中可视化、关联化的优势和二维设计中简单化、高效化的优点。我们既可以借助三维设计中“一处修改、处处联动”的优势快速生成精准的整体平、立、剖面图，也可以利用二维设计中“简单快速、任意表达”的特点高效准确地绘制各类详图。“互通互用、适度整合、整体高效”是二三维一体化设计相对于传统二维和三维设计的最大不同，也是其最具优势的创新点。

2 基于规范的结构有限元分析方法

2.1 基于规范的有限元分析方法的含义及特点

基于规范的有限元分析方法是一种能适用于任意结构形式，可进行后处理的工程数值计算方法。有限元分析的核心在于将复杂的结构几何体系分割成有限个简单的几何单元（如杆单元、三角形面单元、矩形面单元、体单元），并同时将复杂的空间荷载等效成连接节点上的点荷载，最终通过求解大量的位移平衡方程组得到结构体系的内力和位移结果。基于规范的有限元分析方法相对传统有限元方法增加了后处理方面的考量，其分析结果可以读入诸如梁、板、柱、基础施工图等模块，快速生成初步布置图、节点图及配筋图等施工图信息。

2.2 基于规范的有限元分析方法的优势

传统有限元分析可以准确地得到复杂结构体系的位移和内力信息，但仅止步于此，其无法有效整合内力信息并以此为基础进行荷载组合，得到结构体系的设计结果，所以当采用传统有限元分析时设计师需要在诸如内力组合、变形分析、裂缝控制、配筋面积等工作上耗费大量时间。当采用基于规范的有限元分析方法后，程序可以自动接力内力分析结果给出各类施工图，这将极大地减轻工程师的劳动强度，并提高设计效率。

3 实例分析

3.1 项目概况

本项目为安徽省蒙城县许疃矿井改建工程中的新建大块矸石仓工程。本筒仓为钢筋混凝土单仓，储煤量5000t，仓体直径15m，仓高29.3m，仓上钢结构建筑高5.9m，基础形式为桩筏基础，主体结构形式为钢筋混凝土筒体结构，抗震等级为三级，抗震类别为丙类。筒仓所受荷载类型有风荷载、雪荷载、活荷载、恒荷载、矸石荷载。仓下设洞口以便汽车通行，通行通道之间设钢筋混凝土观察室，仓顶设牛腿以支撑从其他部位搭接过来的钢结构栈桥，具体情况详见图2。

图1 二三维一体化设计流程

图2 大块矸石仓三维模型

3.2 BIM建模流程

应用Revit软件，选择经过定制的项目样板后开始建模。本筒仓需在标高-1.500、±0.000、2.300、8.500、29.300、31.000、36.900处设置建筑平面和结构平面。以建筑结构平面为基准，分别创建门、窗、墙、梁、板、柱、楼梯、基础、预埋件等构件，即可生成总体建筑模型。无需在结构构件内部创建三维钢筋，同样地，在钢梁和钢柱连接处也没有做节点建模的必要，因为在二维环境中即可绘制局部配筋图和钢结构节点施工图，无需利用三维形体自动生成。

3.3 BIM模型导入有限元软件

将Revit中的筒仓结构分析模型导出至CAD，然后打开基于规范的有限元计算软件PMSAP后导入DXF文件，即可生成结构分析模型的空间定位线，具体详见图5。

图3 标高8.500和31.000平面建模

图4 标高8.500和31.000三维模型

图5 将Revit结构模型导入PMSAP生成三维参照线

3.4 结构分析模型建模

在PMSAP软件中以三维参照线为定位，快速建立结构梁、结构柱、结构板、基础、结构墙等分析构件，生成用于结构分析的几何模型。可利用PMSAP的内置功能模块在构件上定义和布置荷载，以形成包含分析构件和各类荷载的完整分析模型。

图6 PMSAP结构分析模型

3.5 结构分析结果的生成

可利用结构分析模型得到筒仓的内力分析与设计分析结果，具体包括结构模型概况、工况和组合、质量信息、荷载信息、立面规则性信息、抗震分析及调整信息、结构体系指标及二道防线调整信息、变形验算、舒适度验算、抗倾覆和稳定信息、超筋超限信息、指标汇总信息。本筒仓的层间位移比详见图7。

图7 筒仓的层间位移比简图

3.6 绘制基于BIM模型的整体结构施工图

我们可以利用筒仓整体三维模型和PMSAP有限元分析软件生成的二维结构简图，在Revit的二维视口中完成整体结构施工图的绘制。在这里，整体结构施工图包括梁平面配筋图、柱平面配筋图、基础平面布置图、板平面配筋图、钢结构平面布置图等。本项目中标高8.500板配筋图、标高30.980梁配筋图、仓上钢结构梁柱连接节点平面布置图分别如图8、图9、图10所示。

图8 标高8.500板配筋图

图9 标高30.980梁配筋图

图10 仓上钢结构建筑梁柱连接节点平面布置图

3.7 绘制基于BIM模型的整体建筑施工图

基于同样的原理，利用整体三维模型中的二维视口，可快速得到整体建筑平面图、剖面图、立面图。

3.8 局部详图的绘制

对于局部平立剖面图（局部详图）的绘制，可在模型中利用剖切、索引等功能自动生成初步轮廓图，然后将其导出成CAD文件，随后在绘图视图中再次导入刚刚导出的CAD文件，逐步完善导入内容，以生成完整的局部详图。

图11 标高±0.000平面布置图

图12 1-2轴立面图

图13 A-A剖面图

3.9 布图成册

当所有平立剖及详图视图绘制完成后，可在Revit图纸空间布局这些视图，以形成最终版图纸。

图14 筒仓漏斗的局部详图

图15 Revit施工图纸

4 结论

本文以选煤厂矸石仓为例，将二三维一体化设计技术和基于规范的有限元方法应用到了工业建筑建模、结构计算以及施工图出图的过程中。

①针对选煤厂矸石仓外形复杂情况，提出了二维与三维相结合建模的思路，即在二维环境中绘制复杂局部剖面，减少了纯三维建模带来的繁琐操作，大大节省了出图时间。

②利用拥有强大后处理能力的有限元计算软件PMSAP进行结构分析，完美地解决了传统有限元软件分析无法绘制施工图的问题，极大地减轻了结构设计师的负担。

③将Revit中的结构分析模型以DXF的形式导入PMSAP，而不是简单地将结构BIM模型导入分析软件。结构物理模型（即结构BIM模型）和结构分析模型差距较大，如果直接将物理模型转换成分析模型，后期仍需进行大量的调整，且在调整过程中会产生新的错误，因此直接将物理模型作为三维参照导入分析软件，并以此参照为基础重新建模，可以免去调整环节，提高结构设计的整体质量和效率。

通过二三维一体化设计技术和基于规范的有限元方法完成工业建筑BIM正向设计，实现了复杂形体的自由化设计，扩展了BIM设计方法的适用范围，更充分地体现了BIM技术在可视化、可计算性、精确性、可出图性方面的优势。