基于BIM钢结构景观塔设计

2022-04-13张亮权

山西建筑 2022年8期

张亮权

(中钢石家庄工程设计研究院有限公司,河北石家庄 050021)

目前，钢结构景观塔工程由于工程体量较小，因而在新技术、新方法等方面研究较少，仍处于粗放式增长阶段。具体体现在以下方面：在设计阶段，新建景观塔需要通过人工多次现场查勘才能确定设计方案，严重浪费人员配置，增加工程成本等；在加工制作及施工阶段，由于主观原因或客观原因，导致各种工程质量问题，致使钢结构景观塔出现安全隐患或推迟交付时间等。

采用数字信息化的钢结构景观塔建筑信息模型、施工信息模型，可针对问题进行高效解决，不仅提高各参建单位的工作效率，更能为工程节约投资。

本景观塔塔高54 m，内部为一独立圆柱管塔，外部设置按照三块围护飘板考虑，顶部设一直径7 m的装饰球体，代表“三龙戏珠”，塔体设置内爬梯，塔顶设置避雷针。用BIM直接出具的效果图及结构立面总图如图1，图2所示。

1 BIM软件

建筑行业较为常用的BIM软件平台主要有Autodesk,Bentley,Dassault Systems和Graphisoft，其占据了建筑行业BIM软件的多数份额。国内多家公司基于各BIM软件平台开发的二次软件也在不断发展与完善。

Autodesk公司提供的Revit软件包含了建筑、结构和机电三个专业，适合于民用建筑使用[1]。Bentley公司提供的建筑、结构和设备系列产品在工业设施和市政基础设施领域具有巨大优势，国内广泛用于工业设施。Graphisoft公司提供的ArchiCAD定位于建筑学专业软件，缺乏其他专业的相关软件，较为单一，使用者较少。Dassault公司提供的CATIA是全球最高端的机械设计制造软件，在航空、汽车等领域占主导地位。

本文采用Autodesk发布的revit软件对某钢结构景观塔信息模型进行设计。

2 应用思路

钢结构景观由塔体、装饰球体、外围护飘板及基础组成，以塔体和外装饰作为主要载体。

2.1 塔体

钢结构塔体是景观塔工程中最主要的构成部分，主要包含结构、设备两部分，塔体属于高耸钢结构，钢结构节点绘制复杂。实际应用中采用Revit Structure及基于平台开发的插件进行创建，对于复杂的铁塔节点采用钢结构专业深化设计软件Tekla进行创建，塔体空间模型如图3，图4所示。

2.2 外装饰

外装饰球体及外围护飘板与常见工业及民用建筑相比，体量非常小，设计的功能也较为单一，采用Autodesk Revit即满足模型创建要求，外装饰球体模型见图5，图6。

2.3 基础

景观塔为上部结构，需要设置在基础之上。基础采用Autodesk Revit实现建筑信息模型建立，复杂基础通过创建族文件，景观塔基础模型如图7，图8所示。

3 BIM在钢结构景观塔设计中的运用

3.1 模型参数化

钢结构景观塔主要由塔基、塔体、装饰球体、外围飘带板及复杂构件组成，每个构件都有各自的特定作用，采用Revit建立模型并进行参数化设计。钢结构塔体为格构式，各构件采用标准型钢组成，采用软件提供的各种型钢文件建立相应的族类型。主塔钢管之间的连接采用法兰连接，可采用Revit软件创建的法兰单元实现连接。装饰球体杆件的连接采用焊接节点板，建立相应的节点板单元。

钢结构景观塔采用钢管作为塔体主要材料，圆形截面风荷载系数小，不易破坏，可降低维护成本。塔型随风荷载曲线变化设计，线条流畅，每个塔段顶部与底部宽度不同，使得Revit建模要考虑斜柱的形成，钢结构景观塔空间结构比较复杂，采用传统方式比较困难。景观塔结构采用的构件截面主要是圆钢管截面，主要杆件截面分布如表1所示。

表1 主要杆件截面表

本文采用基于Revit平台开发的插件功能进行建模。采用Excel表格编制公式可计算出各个桁架节点坐标，整理并设置构件类型等数据，最后通过插件的“基于Excel生产模型”功能，生成建筑信息模型。塔柱倾斜段可通过调整圆管柱成斜柱的方式实现，同时保证上下法兰的对接性，最终完成塔身模型参数化。

3.2 建立族文件

组成钢结构景观塔的族多种多样，主要包含了：塔身、球体骨架、外飘带支架、避雷针、爬梯、地脚螺栓、法兰、附属构件等。

组合构件零件数量较多，不适合在一个族文件中全部新建绘制，将各零件分别新建族，然后嵌套至主体族中形成组合构件。

3.3 数据互导

SAP2000软件完成景观塔结构的设计计算，并同Revit采用接口进行数据传输，实现信息数据互导及更新，结构计算模型采用空间模型(见图9，图10)。

铁塔上的荷载和作用力可分为两类：永久荷载、可变荷载。

永久荷载主要包括铁塔自重、装饰球及装饰飘带自重、平台及设备自重。

可变荷载有风荷载、安装检修荷载、塔上平台活荷载、地震作用、裹冰荷载和温度作用等。具体分类如表2所示。

表2 荷载分类

各荷载组合分别表示为：标准组合、基本组合，荷载取值及组合按GB 50009—2012建筑结构荷载规范和GB 50135—2019高耸结构设计规范[2]。

铁塔在风荷载标准作用下，按非线性方法分析，塔上任意点的水平位移不应大于该点离地高度的1/50。塔顶位移见图11。

以风荷载为主的荷载标准组合作用下的计算结果为：

铁塔结构杆件截面验算及杆件材料利用率如图12，图13所示，整个结构杆件的材料利用率在0.92以下，构件具有一定的安全储备。

通过对塔身段横向连接焊缝强度计算、塔身段内法兰螺栓的计算、杆件拼接外法兰螺栓的计算以及塔底法兰盘与锚栓的计算，对连接节点进行设计，部分节点通过Revit设计如图14～图17所示。

4 主要技术经济指标

基于BIM景观塔模型，可以在Revit中列出工程量清单，铁塔重量及基础混凝土方量等经济指标如表3所示。

表3 主要技术经济指标

5 设计的难点及处理

5.1 难点

飘带板采用铝单板，由于造型的影响，两千多块铝单板没有两块是相同的，为了完美体现景观塔的效果，需在飘带板上预留LED灯带孔，飘带板的分格既要满足加工制作的要求又要满足灯带孔的布置是设计的难点[3-4]。直径7 m的顶部装饰球是套设在直径1.6 m的主塔管上的，考虑了防腐及耐候的因素，装饰球体骨架需热镀锌处理，且球体直径较大，远超过镀锌槽的尺寸，加上主塔管也需热镀锌处理，施工现场无法进行装饰球体与主塔管焊接，只能采用螺栓拼接，装饰球体骨架如何拆分成可热镀锌部件，又能通过现场组装满足承载力及正常使用要求也是一个难点。

5.2 处理方案

三围护飘带板的设计用Revit对飘带板进行分格及预留LED灯孔设计，在保证三维模型正确的基础上，生成每一块飘带铝板的报表数控切割文件，服务于构件的加工制作。

关于装饰球体的设计，用Revit对球体进行分区，球体1、球体2扇形角度为40°，球体3、球体4扇形角度为20°，球体共分为12扇，部件的外轮廓尺寸能顺利的进行热镀锌。支撑管套件为1/2的φ299 mm钢管，上下焊接连接板，用M20螺栓拧紧。每扇球体件采用M20螺栓连接，球扇上下焊接扇形法兰与主柱法兰用M20连接，扇区分布如图18所示。

通过Revit三维建模，消除构件碰撞隐患；实现数据互导并开展施工过程仿真分析，消除吊装过程中的安全隐患。通过Revit创建球体骨架及连接的模型，并自动生成钢结构详图和各种报表，保证三维模型正确的基础上，自动生成各种报表和数控切割文件，为物资采购提供准确的材料清单，并为竣工验收提供详细技术资料。生成构件安装布置图，安装布置图为指导现场构件吊装与连接的图纸,生成的安装图纸，包括构件的平面布置图，立面图、剖面图、节点大样图、构件编号、节点编号等内容，同时还包括了详细的构件信息表，清晰的表达构件编号、材质、外形尺寸、重量等重要信息，满足钢结构景观塔工程按图精确施工的要求[5-8]。

6 BIM实施的亮点

6.1 设计加工制造一体化融合

钢结构景观塔项目的实施过程中，结构建模烦琐，每类构件各不相同，搭建模型需花费大量的人力和时间[9-10]。通过Revit，输入各族的关键设计参数，软件直接生产所需模型，能做到结构设计参数化、表格化、自动化，使设计师的设计效率提供90%，有更多的时间专注于设计理念和设计优化。生产的结构三维模型不仅满足三维设计的需求，同时可以实现“加工制造级”的建模精度，直接自动生成加工图、BOM表等数据。将BIM信息数据延伸至下游的制造业，指导制造工厂进行加工制作，打通设计加工制造一体化流程。

6.2 模数分离，提高效率

在设计过程中，大量建筑模型数据需要与模型匹配录入，人工手动录入不仅费时费力，效率低下，而且极易造成数据遗漏或录入错误。通过Revit及其插件，实现批量数据录入程序，可以与Excel数据互导互通，实现模型数据的录入、提取、修改、查询等功能。模型搭建过程中不同步录入模型的数据信息，模型搭建完毕，通过程序统一进行信息录入。优化了设计流程，提高了建模效率，以往采用人工录入需要四个小时，而且容易遗漏和错录，使用程序，仅半小时就可以完成数据录入工作。