BIM技术在涂装车间装配式钢结构正向设计中的应用*
2024-01-02周凯纵岗李营
周凯 纵岗 李营
1.盐城工业职业技术学院/建筑工程学院 江苏 盐城 224005
2.江苏千和装配式建筑科技股份公司 江苏 盐城 224001
1 国内装配式钢结构项目设计现状
经行业调研和文献查阅，目前我国装配式钢结构项目中BIM技术应用案例已颇多，各个阶段都有应用，尤其在钢构件详图深化方面BIM应用较为突出，但结合具体项目设计，仍存在着诸多不足。例如，绝大多数国内结构设计院的设计水平还停留在二维设计层面，他们的传统设计思想还未转变，可视化3D校审项目研究不足，BIM正向设计研究几乎没有涉及。也有一些国内设计院虽然名义上提出了装配式钢结构正向设计说法，但实际操作过程还是结构设计出二维图纸，BIM设计以所给的二维图纸进行翻模创建三维模型，相当于反复进行了从二维到三维的模拟，不是真正意义的BIM正向设计[1]。
2 涂装车间装配式钢结构BIM正向设计应用思路
涂装生产车间由于生产线工艺设备复杂多样，建设工期紧张，装配式钢结构是常采用的一种结构形式。为了有效避免设备与结构之间的碰撞，提高设计效率和便于施工管理，在设计阶段就进行三维布局和BIM模型创建，利用SAP2000有限元结构分析软件进行计算分析，选定规范进行设计，将计算结果满足设计规范要求的计算模型导出BIM接口数据，创建BIM模型。利用Navisworks软件进行碰撞检查和漫游，设计团队进行3D模型校审，将复杂多样的工艺设备管线BIM模型进行全专业整合，发现结构模型碰撞设备管线和不合理的部分，按照碰撞检查报告、漫游核查视点和内部设计原则进行修改，优化设计模型，避免后期引起设计变更，造成进度滞后。
利用TEKLA钢结构深化软件进行构件深化模型的创建，添加节点和螺栓，添加附属构件，BIM模型精度达到LOD400等级，满足深化出图和加工厂加工的深度要求[2]。
3 涂装车间装配式钢结构BIM正向设计应用实践
3.1 工程概况
本工程基于江苏常州某地新能源汽车生产涂装车间的喷房工艺（图1）工程，采用装配式钢结构体系进行设计。将铺板和支撑梁进行模块化设计，整体构件都在加工厂加工好后运输至现场进行吊装，充分利用工业化特点，有效提高建设效率，低碳节能，符合绿色标准的装配式建筑理念。
图1 喷房工艺项目
本次工程实践基于喷房工艺线，根据工艺片区划分和土建提资，确立结构立柱或反吊布局；根据平台开洞提资和功能区域要求，进行平台主钢梁的布局；根据工艺设备荷载提资和设备交界面划分要求，进行平台次梁和铺板的布局。总体结构方案的确定思路为：①加强基础资料收集、调查，充分进行技术攻关，找出要因、制定和实施对策；②加强方案的前期协调及专题报审工作，少走弯路；③重视降低工程投资、降低设计施工难度的重要性[3]。
3.2 三维布局和BIM模型创建
采用通用有限元软件SAP2000 V22 进行BIM设计准确模型（图2）的建立，定义结构材料、赋予截面、定义支座和杆单元释放、定义荷载工况和创建工况组合，进行结构有限元分析计算，选定规范进行设计。
图2 结构计算模型
通过计算分析，调整优化不满足规范要求的钢柱、钢梁，重复加载计算直至变形、应力比等计算结果满足设计要求，输出三维结构模型和柱脚节点设计反力。
柱脚节点需要单独进行设计，考虑到上部多类设备的震动和机器人工作的极限要求，需要将柱脚设计成刚接柱脚，确定基础混凝土强度等级为C35，柱脚钢底板强度f为190.00N/mm2，H钢柱截面尺寸为HW250×250×14×9.0，根据结构整体计算输出的节点内力导入PKPM节点工具箱进行设计计算，满足规范要求[4]。
3.3 设备管线BIM协同碰撞检查及设计调整
将满足SAP2000结构有限元分析软件设计计算要求的钢结构BIM模型直接导出，接口Navisworks软件将结构模型按照工艺部门协同设计的坐标原点导入，与喷房设备模型整合，进行碰撞检查，得出碰撞视点进行分析，调整优化结构设计计算模型，充分保证结构模型的一致性，并解决所产生的所有设备碰撞点和交界面干涉点，以便保障下一步钢结构深化模型的准确性。
3.4 装配式钢结构BIM深化模型创建
利用Tekla三维深化软件进行平台钢结构BIM深化模型的创建，利用自主研发接口程序从调整优化修改好的SAP2000结构计算模型中导出杆件单元整体，然后导入Tekla三维深化软件快速化建立钢结构整体模型，通过参数化节点配置螺栓和附属栏杆设施等，完成结构整体深化模型的创建，深化模型（图3）的精度达到LOD400等级，并制定详细的钢结构深化细部参数，钢平台满焊安装完成后，保证无异响、变形、开裂、凹陷等现象。所有钢板间拼缝下方都必须有支撑型材，钢板之间的拼接满焊处理，拼接缝均匀一致，焊接后打磨处理，保证平整无明显突起与凹坑。钢平台及支撑梁做3层防锈漆处理，焊接部位需先打磨平整后，再做防锈同规格处理。风管、水管、压缩空气管等穿过平台的开孔处设置50mm高满焊档边。立柱位置需考虑预埋板排气孔位置，立柱地板螺栓孔不允许现场切割[5]。
图3 BIM深化模型
4 结束语
社会发展日新月异，信息化技术更新频繁，BIM技术虽然在我国建筑业进行了大量的推广和应用，在国内装配式钢结构项目的正向设计阶段应用，还远没有达到国外同类项目的成熟阶段，数据信息的传递和共享仍存在不足。但是通过大量的装配式钢结构项目案例的运用和探索，借鉴国外成熟的正向设计理念，相信随着BIM技术在装配式建筑中的不断深入研究，最终会形成一套我国完整的BIM正向设计流程和标准的数据处理方式，真正促进我国建筑业工业化和信息化改革。
