引言

數(shù)字化設(shè)計利用BIM技術(shù)，將設(shè)計師從繁重的重復(fù)性、低價值的工作中解放出來，將更多的精力用在多專業(yè)協(xié)同，專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新上。數(shù)字化設(shè)計基于現(xiàn)實建造條件和場景，通過專業(yè)協(xié)同、多軟件協(xié)同進(jìn)行計算機模擬及虛擬建造，最后交付“零差錯”的專業(yè)的數(shù)字化設(shè)計產(chǎn)品，及時高效地為項目建設(shè)提供數(shù)字化信息，為項目的數(shù)字化、智能化建造提供支撐。這種優(yōu)勢在具體實踐中已經(jīng)顯現(xiàn)出來。

國際工程多采用EPC或EP模式，在設(shè)計、采購、現(xiàn)場建造以及后期生產(chǎn)運營各環(huán)節(jié)中，國內(nèi)承建方的參與者將不可避免地面臨著時空上的錯位，信息交流和傳遞一直是項目執(zhí)行的痛點，對項目執(zhí)行影響很大。處于建設(shè)高階段的設(shè)計者承擔(dān)著向項目建設(shè)各環(huán)節(jié)提供項目建設(shè)所必須的技術(shù)文件和資料等重要工作，應(yīng)及時高效地傳遞技術(shù)先進(jìn)、準(zhǔn)確、便于解讀和應(yīng)用的數(shù)字化信息，能為整個項目建設(shè)和運營創(chuàng)造更多的價值，帶來更多的效益。

現(xiàn)以某國外項目水泥磨裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，介紹數(shù)字化設(shè)計在水泥工廠建造中的應(yīng)用。

一、數(shù)字化設(shè)計

數(shù)字化設(shè)計是一種新的設(shè)計方式，它不是傳統(tǒng)上畫2D圖完成初步設(shè)計和施工圖，而是利用BIM技術(shù)的全流程數(shù)字設(shè)計。通過多專業(yè)協(xié)同，多軟件協(xié)同，打破設(shè)計各專業(yè)、各軟件間的壁壘，使處于各環(huán)節(jié)上的信息孤島通過BIM技術(shù)連接在一起，實現(xiàn)信息互聯(lián)互通，通過設(shè)計參與者結(jié)合現(xiàn)實建造條件和場景，運用專業(yè)技能拿出初步設(shè)計方案和施工圖方案，然后利用BIM軟件建立的數(shù)字化模型作為載體，在項目實施的高階段完成虛擬建造、虛擬生產(chǎn)，實現(xiàn)全流程仿真。設(shè)計階段生產(chǎn)出的數(shù)字化產(chǎn)品作為項目執(zhí)行中的信息載體無縫對接項目執(zhí)行的所有環(huán)節(jié)，且各環(huán)節(jié)基于設(shè)計數(shù)字化模型進(jìn)行應(yīng)用后，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化建造和生產(chǎn)運營，最終有效解決項目建設(shè)中各環(huán)節(jié)信息傳遞的痛點。

數(shù)字化設(shè)計采用BIM技術(shù)，設(shè)計者利用BIM軟件強大的功能提高效率，同時基于BIM協(xié)同平臺獲取所有參與者的勞動成果來完成自己的設(shè)計工作，最終將設(shè)計者從重復(fù)性、低價值的工作中解放出來，讓設(shè)計工作恢復(fù)到設(shè)計的本質(zhì)，即專業(yè)技術(shù)的應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)揮設(shè)計師的專業(yè)所長，展現(xiàn)專業(yè)價值，創(chuàng)造出更專業(yè)、更全面、更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計作品。

二、裝配式鋼結(jié)構(gòu)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)建造方式，通過各專業(yè)、各建造環(huán)節(jié)之間的協(xié)同和融合，設(shè)計文件中集成各專業(yè)的系統(tǒng)，形成模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的裝配部件，在工廠進(jìn)行工業(yè)化制造，在現(xiàn)場進(jìn)行部件裝配的建造方式。裝配式鋼結(jié)構(gòu)能降低碳排放和環(huán)境污染，通過先進(jìn)的建造方式可以提高建設(shè)效率和施工質(zhì)量。一般情況下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的部件在工廠制作時以焊接作為主要的連接方式，在現(xiàn)場裝配時以螺栓連接為主要方式。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)的建造方式對設(shè)計文件提出了高集成度和高精度的要求。2D設(shè)計的深度和專業(yè)融合度已不能滿足裝配式鋼結(jié)構(gòu)的需求，數(shù)字化設(shè)計采用BIM技術(shù)，通過專業(yè)協(xié)同，數(shù)字化模擬，可以為裝配式鋼結(jié)構(gòu)的建造提供詳盡的、高集成、高精度的數(shù)字化模型和文件，能為裝配式鋼結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用提供強有力的支撐。

三、項目概況

本項目為改造項目，新建建筑物位于廠區(qū)有限的預(yù)留場地內(nèi)，擬建的水泥磨房位于兩個場地臺段的底部，兩臺段間邊坡為自然放坡，臺段頂部為已建道路，附近有已建的建筑物和輸送廊道，靠近磨房為新建道路。擬建水泥磨房旁邊布置了水泥配料和廢氣處理框架，其中水泥配料站高度為40 m，廢氣處理框架高度為24 m，磨房的喂料樓高度36 m。因此，磨房鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場安裝場地只能在靠近場地臺段一側(cè)，安裝場地比較狹窄且不平整，施工難度較高。見圖1所示。

圖1 擬建建筑的總平面圖布置

水泥磨房建筑的尺寸長、寬、高分別為25.1 m、21.9 m、36.0 m，建筑物分為兩個區(qū)，即磨房和喂料樓，其中喂料樓為多層鋼筋混凝土框架，磨房為三榀單跨排架組成的大空間鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)式排架結(jié)構(gòu)。排架柱分成上柱和下柱，下柱為雙肢圓鋼管組成的格構(gòu)式柱，下柱頂部支承鋼吊車梁，上柱為單鋼管，頂部支撐屋面系統(tǒng)。其中，磨房有兩個排架的屋面梁、水平系桿，以及吊車梁與喂料樓框架結(jié)構(gòu)相連。

四、裝配式鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計實施路徑

4.1 設(shè)計方案的確定

結(jié)構(gòu)設(shè)計方案除滿足建筑物功能需要外，還需要與建設(shè)團隊協(xié)同，考慮建設(shè)期間各環(huán)節(jié)的實際條件，綜合各種影響因素后，確定設(shè)計方案。以本項目的水泥磨房為例，首先基于上游專業(yè)提供的資料，初步確定設(shè)計方案，然后根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝的條件，確定鋼結(jié)構(gòu)的施工方案和材料使用（基于場地的限制和磨房排架結(jié)構(gòu)的特點，本文中的排架結(jié)構(gòu)的安裝不宜進(jìn)行整體吊裝，宜采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)分層裝配的方案）。方案確定后，在revit軟件內(nèi)參照上游專業(yè)資料，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置，初步進(jìn)行專業(yè)協(xié)同，然后將專業(yè)協(xié)同后的模型，通過軟件互導(dǎo)功能導(dǎo)入到計算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。

4.2 結(jié)構(gòu)整體計算

水泥磨房整體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證結(jié)構(gòu)安全，宜采用兩種不同類型的計算軟件相互校核，本例采用sap2000和PKPM的PMSAP模塊進(jìn)行設(shè)計計算。結(jié)構(gòu)計算需要考慮鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，因此結(jié)構(gòu)計算模型中應(yīng)包括混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼排架結(jié)構(gòu)，通過revit導(dǎo)入生成的計算模型，必須按照符合建筑物使用階段的實際工作狀態(tài)的假定進(jìn)行檢查和修正。荷載及荷載組合輸入需要充分考慮結(jié)構(gòu)在實用階段可能出現(xiàn)的不利情況，按相應(yīng)規(guī)范的要求進(jìn)行輸入，整體結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果須滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求。

結(jié)構(gòu)計算完成后，進(jìn)行專業(yè)內(nèi)部計算校審，然后，再次利用軟件互導(dǎo)功能，將計算模型導(dǎo)入revit，與上游提資專業(yè)的模型進(jìn)行專業(yè)協(xié)同，專業(yè)協(xié)同后，其他專業(yè)可以在revit內(nèi)進(jìn)行下一步的施工圖設(shè)計工作。

此階段結(jié)束后，可以向建設(shè)執(zhí)行團隊提供材料采購清單，用于材料采購。

4.3 制作數(shù)字化設(shè)計成品

將協(xié)同完成的計算模型，通過軟件間的互導(dǎo)功能將模型導(dǎo)入到深化軟件中進(jìn)行深化設(shè)計。深化設(shè)計前，需要按照建造施工方案對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分，以便于制作、運輸、堆放以及現(xiàn)場裝配，并采取相應(yīng)的連接構(gòu)造將拆分后的裝配件進(jìn)行連接，形成整體結(jié)構(gòu)。水泥磨房裝配式鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接需要在工廠完成的，工廠采用焊接連接，現(xiàn)場裝配的連接節(jié)點采用螺栓連接。

如圖2所示，水泥磨房在考慮制作、運輸、裝配等情況，在垂直方向上將排架分成排架柱、吊車梁、屋面梁以及與混凝土結(jié)構(gòu)相連的平臺結(jié)構(gòu)，其中排架柱在垂直方向分層3段，每段長度控制在14.0 m以內(nèi)，每段長度從下往上分別是13.2 m、12.7 m、11.8 m。深化設(shè)計時，將分段排架柱、排架支撐系統(tǒng)、吊車梁、平臺結(jié)構(gòu)、屋面梁等及其附著在其上的其他系統(tǒng)附件等進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，并預(yù)留現(xiàn)場連接螺栓孔，最終完成深化設(shè)計圖及數(shù)字化模型的設(shè)計工作。

圖2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)分段裝配圖及整體結(jié)構(gòu)圖

深化設(shè)計完成后的數(shù)字化模型，需要經(jīng)過專業(yè)內(nèi)部校審，并再次導(dǎo)入到revit內(nèi)，與其他專業(yè)進(jìn)行協(xié)同，協(xié)同無誤后，才進(jìn)行數(shù)字化交付。在此基礎(chǔ)上完成的設(shè)計成品才是合格、準(zhǔn)確、便于解讀和應(yīng)用的設(shè)計成品。

4.4 數(shù)字化成品的交付及傳遞

數(shù)字化設(shè)計成品的交付有別于2D設(shè)計施工圖，數(shù)字化設(shè)計成品應(yīng)包括數(shù)字模型及設(shè)計施工圖，其中數(shù)字化模型承載的信息可以用于鋼結(jié)構(gòu)的工廠制作以及指導(dǎo)現(xiàn)場裝配，并可用于現(xiàn)場施工管理及項目決算的依據(jù)。

五、裝配式鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場裝配

基于設(shè)計階段確定的水泥磨房施工方案，水泥磨鋼結(jié)構(gòu)的安裝在混凝土框架施工和磨機安裝結(jié)束后進(jìn)行，考慮場地因素，水泥磨房鋼結(jié)構(gòu)的安裝將分段進(jìn)行裝配安裝，現(xiàn)場裝配安裝按以下步驟進(jìn)行：

（1）吊裝第一層排架柱，吊裝第一層支撐系統(tǒng)；

（2）吊裝第二層排架柱，吊裝第二層支撐系統(tǒng)；

（3）裝配與混凝土結(jié)構(gòu)相連的平臺結(jié)構(gòu)；

（4）吊裝第三層排架柱，吊裝第三層支撐系統(tǒng)；

（5）吊裝吊車梁系統(tǒng)；

（6）吊裝屋面梁及屋面系統(tǒng)。

六、結(jié)束語

水泥工廠建設(shè)中會面臨各種困難和挑戰(zhàn)，執(zhí)行過程中遇到的一些痛點，可以利用新的建造技術(shù)，比如裝配式結(jié)構(gòu)、數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化建造等，通過多專業(yè)多部門協(xié)同，選取優(yōu)化的設(shè)計方案，提供數(shù)字化設(shè)計產(chǎn)品，通過新技術(shù)賦能水泥廠建設(shè)，以提高建設(shè)效率、施工質(zhì)量，獲取良好的社會及經(jīng)濟效益。

目前數(shù)字化設(shè)計也遇到一些難點，比如本文實例中提及的數(shù)字化協(xié)同平臺、計算軟件、深化軟件內(nèi)的模型還不能自動聯(lián)動，不能實現(xiàn)設(shè)計過程“一模到底”，還需要在各軟件間互導(dǎo)，模型中的信息在導(dǎo)入導(dǎo)出中會發(fā)生遺失、重疊等現(xiàn)象，造成設(shè)計過程較為繁瑣，數(shù)字化設(shè)計的效率和優(yōu)勢還沒完全發(fā)揮出來，因此，從業(yè)者還需不斷研發(fā)創(chuàng)新，升級軟件來解決這些難點。

作者：代勇，郭小玲，趙俊忠，章晨臨

來源：《成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司》

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