BIM技術在某鋼結構廠房全過程設計中的應用

嚴 旭

（中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，成都，610021）

0 引 言

自2000 年左右起，以電力設計院和石油設計院為主的工業(yè)設計院，相繼引進PDMS 或SP3D 等BIM 平臺軟件，采用數(shù)字化設計手段開展工藝設備管道的布置與設計［1］，一鍵形成DWG 格式的支吊架節(jié)點詳圖。

在民用建筑物的BIM 應用中，通常是根據(jù)已出版的圖紙創(chuàng)建結構BIM 模型，凡是有修改均依據(jù)書面的升版圖、設計變更、施工聯(lián)系單等，故能夠實現(xiàn)BIM模型與圖紙完全一致。在工業(yè)建筑物設計中，工藝專業(yè)開展數(shù)字化設計，其中一個最基本的設計輸入就是結構專業(yè)的BIM 模型，根據(jù)初步的梁、柱定位進行管道和設備的布置設計，再根據(jù)施工圖階段準確的梁、板、柱定位確定荷載、孔洞、埋件、支墩并完成支吊架的選型和出圖。以火力發(fā)電廠主廠房為代表的工業(yè)結構，體量大、結構構件多，各工藝專業(yè)設備、管道、線纜繁多，設備訂貨往往滯后于設計進度的要求，設計周期長，出圖進度的要求緊。結構專業(yè)在完成初步的布置后，主要是確定了柱網(wǎng)、柱截面大致尺寸、垂直支撐的位置、次梁的大致布置時，就需要向工藝專業(yè)提資，并向熱機專業(yè)提供BIM 模型。結構專業(yè)通常是以“翻?！钡男问絼?chuàng)建三維模型配合建筑、機電等專業(yè)進行BIM應用。此BIM模型可以在完成二維CAD 圖紙后由人工創(chuàng)建，其問題在于很難實時跟蹤結構設計圖的變化，常常發(fā)現(xiàn)BIM 模型與最終成品圖有不一致；若通過導入結構分析模型而創(chuàng)建，其問題主要在于構件的標高和次梁的定位通常不夠準確，每次導入后都需要人工調(diào)整。而且這樣創(chuàng)建出來的BIM 模型，結構專業(yè)無法進一步予以使用。

許多學者對BIM軟件與結構分析軟件的數(shù)據(jù)交換以及如何實現(xiàn)BIM出圖進行了研究。喬保娟等［2］研究和開發(fā)了PKPM-Revit的雙向接口。吳文勇等［3-4］提出 Revit 轉換接口和 AutoCAD 自動成圖。楊黨輝等［5］研究了IFC 與結構分析軟件的數(shù)據(jù)轉換。劉照球等［6］提出將BIM 模型先轉到PKPM 或 YJK，然后利用 PKPM 或 YJK 提供的接口轉到其他的分析軟件。李坤［7］在地鐵車站的設計中采用Revit 建模并導入Robot Structrue 進行結構分析。趙華英［8］、王勇等［9］在創(chuàng)建 Revit 模型和平法圖紙后，利用CSIXRevit 將模型導入Etabs 中分析。肖新瑜［10］、孫曉翔［11］等采用YJK-Revit進行結構建模與出圖的嘗試。郝國龍［12］在完成結構計算后使用Revit建模并創(chuàng)建結構施工圖，董愛平［13］使用Revit實現(xiàn)了梁、板、柱、基礎的平法施工圖。喬恩懋等［14］基于Revit 進行二次開發(fā)空間網(wǎng)架的建模，并實現(xiàn)了自動檢查干涉和遺漏。張士昌等［15］在上海某漂流樂園的結構設計中采用AutoCAD Architecture進行結構的精確建模。

盡管提出了各種BIM數(shù)據(jù)轉換和BIM成圖方式，各軟件商和設計院開發(fā)了多個輔助設計軟件，但僅僅減少了“翻?！彼馁M的時間，并不能同時提高BIM 設計的效率和質(zhì)量。“翻?！钡姆绞揭泊_確實實能滿足碰撞檢測、管線綜合、凈高分析、施工模擬、漫游及渲染等BIM應用的要求，但對結構專業(yè)本身幾乎沒有實際的益處。在沒有額外收費的情況下，結構專業(yè)不會采用BIM正向設計方式。

在不使用任何插件的情況下，將Revit 替代AutoCAD來完成布置設計，效果到底如何，是一個值得研究的問題。本文以孟加拉某鋼結構主廠房上部結構為例，基于建筑業(yè)使用最普遍的Revit軟件，首次全過程地完成從投標、概念設計（即初步設計）、到施工圖階段除了總說明和節(jié)點詳圖以外的BIM布置設計。

1 工程概況

孟加拉電力發(fā)展局擬建一座聯(lián)合循環(huán)電站，廠址位于孟加拉某地，包括2 臺燃機發(fā)電機組、2臺余熱鍋爐和1 臺蒸汽發(fā)電機組，蒸汽發(fā)電機組設置在主廠房內(nèi)。主廠房結構形式為鋼結構，投標時提供了2個方案，表1為主廠房推薦方案的主要尺寸。

表1 汽機房（推薦方案）主要尺寸一覽表Table 1 Major arrangement dimensions of Turbine House m

2 確定結構BIM設計原則

常規(guī)火力發(fā)電廠的每個汽機房通常約90 m長、50 m 寬、45 m 高，4 000 根余桿件。相比于常規(guī)火力發(fā)電廠，本工程汽機房體量小，僅有38 m長、21 m 寬、檐口22.4 m 高（圖1），約550 根桿件，荷載、孔洞、埋件均少，結構設計工作量降低很多。為配合熱機專業(yè)的PDMS 數(shù)字化設計，驗證BIM正向設計的可行性，研究決定首次結構專業(yè)采用全過程BIM 正向設計方式，以實時向熱機專業(yè)提供結構BIM模型。

圖1 汽機房結構整體三維視圖Fig.1 Turbine house aerial view

本項目的設計中，熱機專業(yè)采用PDMS 進行數(shù)字化設計，其他專業(yè)均采用傳統(tǒng)的AutoCAD 繪圖設計方式，即結構專業(yè)獨自采用Revit軟件進行BIM 正向設計。包括熱機專業(yè)在內(nèi)的所有專業(yè)均用DWG 圖紙向結構專業(yè)提供設計資料。結構專業(yè)在向熱機專業(yè)提資時，采用第三方插件將Revit模型輸出為一個中間格式文件，由熱機在PMDS中采用插件讀取；結構專業(yè)向其他專業(yè)提資時，均將Revit圖紙導出為DWG圖紙。

由于Revit能很方便地創(chuàng)建BIM 模型，并將模型顯示為平、立、剖圖紙［16］，但Revit“畫圖”的功能確實不如AutoCAD 方便。故采用Revit 完成結構的布置設計，結構總說明和鋼結構節(jié)點連接詳圖仍舊采用AutoCAD繪制和修改。與傳統(tǒng)二維設計方式相比，實質(zhì)是采用Revit代替AutoCAD 來創(chuàng)建BIM模型并形成各層平面布置圖、各框架立面圖。

Revit 中的圖紙保存在RVT 文件中，AutoCAD的圖紙保存在DWG文件中，相互之間不傳導。向外方業(yè)主和總包方提供PDF 圖紙、出版成品圖紙時，均分別在Revit 中、在AutoCAD 中打印PDF文件。

本汽機房全部的結構分析和繪圖工作由土建室的指派1 名結構工程師完成，因人力安排的原因，該工程師是第一次采用BIM方式進行設計。數(shù)字化設計中心BIM工程師提供樣板文件，完成本次設計所需的族庫，并提供全部的BIM技術支持。

鋼結構設計圖分為單線圖、雙線圖［17］，兩種方式都被廣泛使用著。考慮到單線圖在AutoCAD下繪制方便、修改便利，能明確構件兩端的約束釋放，便于工程師自身和各級校審對圖紙和分析模型進行校核，我院在鋼結構DWG圖紙中一直采用單線圖的形式。根據(jù)我院曾經(jīng)開展的鋼結構工程建模與出圖的實踐經(jīng)驗［18］，決定本次出圖時，各層平面布置圖采用單線圖的形式，各立面圖采用雙線圖的形式。

為減少連接節(jié)點的計算和畫圖工作量，便于工程師將精力投入到優(yōu)化設計中，在業(yè)主同意的情況下，決定在施工圖設計階段采用節(jié)點通用圖（圖2）的形式，拷貝以前類似結構的DWG連接節(jié)點通用圖紙，修改為本結構所用的圖紙并存放在DWG文件中。所有的剛接節(jié)點都按等強設計，鉸接節(jié)點則在施工圖中提供內(nèi)力統(tǒng)計表（圖3），由鋼結構詳圖深化公司查找構件的連接形式，計算各連接節(jié)點所需的螺栓直徑與個數(shù)、連接板大小與厚度。

圖2 節(jié)點連接大樣圖示意Fig.2 Sample diagram of joint connection

圖3 鉸接鋼構件及節(jié)點內(nèi)力統(tǒng)計表Fig.3 Statistical List of Hinged Steel Member and Internal forces

3 投標階段BIM設計

軸網(wǎng)及標高由建筑和工藝專業(yè)共同確定。結構專業(yè)本階段主要任務是進行結構布置，確定結構方案并進行計算。最終要確定柱截面的大致尺寸、垂直支撐的截面和位置、各層鋼梁的大致布置，然后向其他專業(yè)提供結構的布置資料。由于工藝專業(yè)的管線多，后面的設計階段要求柱截面尺寸只能減小不能加大、垂直支撐的定位不能變、次梁的位置隨時需要調(diào)整。

由于結構布置受到工藝布置的限值，故確定本結構為框架-中心支撐結構，橫向剛接加支撐，縱向鉸接加支撐，中間平臺的框架梁雙向剛接。有孔洞的情況下，次梁布置到孔邊；其余情況下，次梁按均布布置考慮。

樓板下均設51 mm 厚樓承板，樓承板與鋼梁間采用剪力釘連接。運轉層混凝土樓板總厚度151 mm，其余混凝土樓板總厚度100 mm。

結構分析軟件為Bentley 公司的STAAD.PRO V8i。

鋼結構連接節(jié)點均采用10.9 級高強螺栓，在國內(nèi)加工后運往現(xiàn)場，以最大程度減少現(xiàn)場焊接工作量。

在Revit 中建模后，結構工程師同時人工在STAAD.PRO 中建模計算，按均布荷載輸入樓板荷載，輸入假定的吊車荷載，輸入實際的風荷載的地震作用。當在STAAD.Pro中調(diào)整桿件大小和定位時，人工在Revit中進行同樣的調(diào)整。這個過程和傳統(tǒng)的二維設計方式是一樣的，僅僅是使用Revit替代AutoCAD畫各平面圖、立面圖而已。

最終形成了投標推薦方案的各層平面圖（圖4、圖5）、典型框架立面外形圖。

圖4 5.000 m層結構平面布置圖（投標）Fig.4 5.000 m Structural Layout（Bidding）

圖5 5.000 m層三維視圖（投標）Fig.5 5.000 m aerial view（Bidding）

4 概念設計（初步設計）階段BIM設計

本階段工藝專業(yè)將提供大的管道和設備荷載，以及主要的工藝孔洞。結構專業(yè)的主要任務是基本確定柱截面尺寸，驗證垂直支撐，根據(jù)現(xiàn)有孔洞和荷載的位置確定次梁的定位和截面尺寸。

本階段同樣由結構工程師同時人工修改Revit 模 型 和 STAAD.PRO 分 析 模 型 。 當 在STAAD.Pro 中調(diào)整桿件大小和定位時，人工在Revit 中進行同樣的調(diào)整。這個過程的操作和投標階段的操作是一樣的。

最終，根據(jù)投標模型形成了概念設計階段的各層平面圖（圖6、圖7）、典型框架立面外形圖。

圖6 5.000 m層結構平面布置圖（概念設計）Fig.6 5.000 m structural layout（Conceptual Design）

圖7 5.000 m層結構平面三維視圖（概念設計）Fig.7 5.000 m aerial view（Conceptual Design）

5 施工圖階段BIM設計

本階段工藝專業(yè)將提供正式的管道和設備荷載、全部的孔洞和埋件等設計資料。結構專業(yè)的主要任務是根據(jù)孔洞位置確定所有梁的定位，根據(jù)施工圖階段的荷載對結構進行詳細計算，確定梁、板、水平支撐的截面尺寸，對柱截面尺寸和垂直支撐截面尺寸進行優(yōu)化。

本階段同樣由結構工程師同時人工修改Revit 模 型 和 STAAD.PRO 分 析 模 型 。 當 在STAAD.Pro 中調(diào)整桿件大小和定位時，人工在Revit 中進行同樣的調(diào)整。這個過程的操作和投標階段、概念設計階段的操作是一樣的。

在本階段，最終確定汽機房夾層混凝土板面標高5.050 m，板厚100 mm，則鋼梁標高為4.950 m；運轉層混凝土板面標高8.950 m，板厚151 mm，則鋼梁標高8.799 m。

相比前面設計階段，本階段新增的工作有：

（1）因Revit 中已創(chuàng)建了各層梁布置圖，故復制后即可創(chuàng)建各層樓板布置圖，表達埋件和孔洞等除了鋼梁以外的內(nèi)容。本圖中不標注鋼梁的截面型號（圖8）。

圖8 5.050 m層樓板布置圖局部（施工圖）Fig.8 Part of floor arrangement at EL.5.050 m（Construction Drawing）

（2）用AutoCAD 繪制結構設計總說明和節(jié)點連接詳圖，這些圖紙是用以前類似結構的圖紙拷貝和修改而成，保存在DWG文件中。

（3）對于各非等強連接的鉸接構件，需要在結構分析軟件中統(tǒng)計并提供桿件內(nèi)力表，以便鋼結構深化公司進行具體的節(jié)點連接設計。

最終，在Revit中根據(jù)概念設計階段的模型完成了施工圖設計階段的各層梁平面圖（圖9）、各層樓板布置圖（圖10）、各軸線框架外形圖（圖11）。

6 BIM布置設計總結

采用Revit進行結構的布置設計，將模型顯示為平、立、剖圖紙是非常方便的。在設定好樣板文件后，可以形成要素齊全、風格統(tǒng)一的圖紙。目前需要人工操作的內(nèi)容有：所有的尺寸的標注，孔洞和埋件的放置，孔洞和埋件的型號標記。所有梁、柱、支撐、孔洞、埋件的型號標注直接利用Revit內(nèi)置的功能快速標記，僅需要人工調(diào)整避讓標記文字的位置。

在投標階段，因為不能僅創(chuàng)建典型平面和立面圖，還需要創(chuàng)建整體模型，故新建結構BIM模型比AutoCAD“畫圖”的方式需要多耗費了0.5 d 的時間。但因能利用Revit一處修改、處處更新的功能，在后續(xù)的概念設計（初步設計）、施工圖設計階段均可以利用上一階段的BIM模型和圖紙繼續(xù)修改和深化，所以總耗時比傳統(tǒng)“畫圖”方式少。

圖9 汽機房4.950 m層梁布置圖（施工圖）Fig.9 Turbine house EL4.950 m beam arrangement（Construction Drawing）

圖10 汽機房5.050 m層樓板布置圖（施工圖）Fig.10 Turbine house EL.5.050 m floor arrangement（Construction Drawing）

全部的結構分析和繪圖工作由土建室指派1名結構工程師完成，因人力安排的原因，該工程師是第一次采用BIM方式進行設計。數(shù)字化設計中心BIM工程師提供樣板文件，為確保進度，還創(chuàng)建了第一版投標BIM 模型，并隨時創(chuàng)建本結構需要的族庫。通過僅僅約30 min 的現(xiàn)場教學，結構工程師即可自行開展BIM建模與成圖。在各階段的設計過程中，BIM 工程師透過Revit 中心文件，定時打開模型協(xié)助檢查，若有問題則通知結構工程師進行修改。

施工圖設計階段，在有參考圖紙可以套改的情況下，在AutoCAd 中繪制結構總說明和通用節(jié)點圖非常快捷。將以前類似圖紙拷貝并修改為本結構的節(jié)點通用圖，總耗時不到1 小時。在結構分析軟件中分類統(tǒng)計鉸接構件的內(nèi)力后，在AutoCAD中繪制構件內(nèi)力統(tǒng)計表，總耗時約0.5 d。為了修改方便，建議不要將結構總說明和通用節(jié)點圖放在Revit中。

圖11 汽機房1軸線框架外形圖（施工圖）Fig.11 Turbine house elevation of axis 1（Construction Drawing）

7 BIM設計需解決的問題

由于其他專業(yè)向結構的提資均為DWG圖紙，故需由結構工程師自行在Revit 中放置埋件、孔洞。當埋件、孔洞數(shù)量多時，此操作比較繁瑣，而傳統(tǒng)的二維設計方式還將長期存在，故需考慮開發(fā)插件讀取DWG圖紙中的埋件、孔洞。

對埋件和孔洞的標記，人工操作比較麻煩。應考慮開發(fā)插件，一鍵標記所有的埋件、孔洞，由人工調(diào)整避讓即可。

對梁、板、柱的定位尺寸標注，以及本次采用的對埋件和孔洞的原位標注方法，需要人工一一完成。這個工作看似麻煩，其實只需要做一遍，修改也方便。但當埋件和孔洞是批量由插件生成時，這樣去標記埋件和孔洞的型號和標注定位尺寸就繁瑣了，此時可開發(fā)插件計算每個埋件和孔洞的相對位置，結合Revit的明細表，以列表法進行表示［19］。

結構工程師在投標階段創(chuàng)建STAAD 計算模型時，是根據(jù)Revit 的布置而人工創(chuàng)建計算模型。后續(xù)有修改時，均是同時修改Revit 模型和STAAD 模型，一直到施工圖階段。在Revit 中，可以指定結構構件是否在Revit 分析模型中予以顯示（圖12）。為了形成Revit圖紙，已經(jīng)指定了構件的截面尺寸、材質(zhì)、桿端約束釋放，再施加以全部的荷載、指定荷載組合、補充STAAD 計算所需的全部參數(shù)［20］，即可完整地寫入.tsd文件，并在Revit中直接調(diào)用STAAD進行計算［21］。

圖12 汽機房結構三維視圖、分析模型視圖Fig.12 Turbine House aerial view&analysis model view

8 結 論

對于常見的框架結構，不與其他專業(yè)進行BIM 協(xié)同設計的情況下，可以單純地用Revit 替代AutoCAD 完成布置設計，并將Revit模型顯示為風格統(tǒng)一的平、立、剖布置圖紙。在投標和概念設計階段只需要提供典型的平、立、剖布置圖，恰好可以全部用Revit來完成。在施工圖設計階段，可以繼續(xù)細化Revit模型及平、立、剖布置圖，并采用節(jié)點通用圖的形式，用AutoCAD 快速地套改已有的通用圖。

Revit 模型和圖紙、AutoCAD 圖紙都宜分別保存在各自的文件中，除非展示和宣傳的需要，沒有必要全部放在Revit 中，也沒有必要全部放在AutoCAD 中。向業(yè)主提供電子版PDF 文件、出版正式圖紙時，各自分別形成PDF即可。

與傳統(tǒng)的二維設計方式相比，BIM 正向的布置設計能大大減少了“畫圖”工作，讓工程師更能專注地投入于“設計”之中。

BIM 正向設計所形成的BIM 模型是真實模型，不僅有100%正確的幾何形體，滿足其他專業(yè)的需要，還能讓結構專業(yè)自身得到好處：比如讀取構件內(nèi)力實現(xiàn)構件內(nèi)力統(tǒng)計表，讀取柱腳內(nèi)力實現(xiàn)混凝土短柱和鋼柱腳節(jié)點的設計和計算，一鍵標注所有的孔洞、埋件、支墩等等功能。