某重件碼頭固定式桅桿吊墩臺的三維協(xié)同設(shè)計

蔡 波，陳 新，劉 普

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040)

固定式桅桿起重機結(jié)構(gòu)起升質(zhì)量大，受場地限制小，成本相對較低，在港口碼頭場地的超大、超重件裝卸作業(yè)方面得到廣泛應(yīng)用。

丁大志等[1]采用Revit二次開發(fā)實現(xiàn)了防波堤工程的快速建模，提升了三維設(shè)計效率及質(zhì)量；王飛等[2]建立了堤壩工程編碼標準、命名體系及三維實體構(gòu)建的信息化框架，為BIM全流程應(yīng)用提供了重要參考；李家華等[3]基于一定的合理假設(shè)條件，采用Civil 3D建立了海堤工程的三維地質(zhì)模型，進而精確統(tǒng)計各土層的開挖量；陽柯[4]基于BIM正向設(shè)計的實施流程，在客貨滾裝碼頭工程中開展試點應(yīng)用，并在三維協(xié)同、異形結(jié)構(gòu)設(shè)計等重難點設(shè)計方面取得良好效果；牛作鵬等[5]采用BIM技術(shù)提出構(gòu)建航道地形曲面模型的改進方法，為測繪工程提供了有益借鑒。BIM技術(shù)的應(yīng)用為三維標準化設(shè)計提供了新的解決途徑[6-7]，參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)了模型的聯(lián)動設(shè)計與批量修改。

本文依托的重件碼頭工程項目采用1 100 t-51 m固定式桅桿吊起重機械設(shè)備。1 000噸級以上桅桿吊的荷載標準值等主要技術(shù)指標暫未收錄整理于JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》局部修訂(重件起重運輸機械荷載部分)，因而本文的設(shè)計成果是對上述規(guī)范的補充與完善，將進一步豐富我國在固定式桅桿起重機設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計建造經(jīng)驗。筆者闡述BIM技術(shù)在設(shè)計階段的應(yīng)用點，旨在從多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計的角度提升墩臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量與效率，為類似項目的三維設(shè)計提供新的思路和方法。

1 工程概況

工程建設(shè)1個2萬噸級重件泊位，碼頭長206 m，寬40 m，共分為5個結(jié)構(gòu)段，三維實體BIM模型見圖1。碼頭中間結(jié)構(gòu)段作為固定式桅桿吊裝卸設(shè)備的墩臺基礎(chǔ)，并兼顧碼頭功能。

圖1 碼頭平臺BIM模型

桅桿吊墩臺包括前臂承臺和后拉錨承臺，前臂承臺由于兼作碼頭平臺，采用與碼頭平臺同寬的高樁墩臺結(jié)構(gòu)。平面尺寸為40 m×32 m(長×寬)，墩臺前20 m范圍設(shè)置5排樁，樁基排架間距為7.2 m，每個排架設(shè)置5根φ1 200 mm樁基。上部為厚2.50～3.75 m現(xiàn)澆鋼筋混凝土墩臺。桅桿吊后拉錨承臺尺寸為30 m×23 m(長×寬)，承臺下共設(shè)置5排樁，上部為厚3.50～5.50 m現(xiàn)澆鋼筋混凝土墩臺。

2 設(shè)計要點

2.1 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計

墩臺基礎(chǔ)的設(shè)計涉及水工結(jié)構(gòu)、裝卸工藝、給排水、電氣及附屬設(shè)施等多個專業(yè)，尤其是預埋件的布置應(yīng)與多專業(yè)協(xié)同設(shè)計。須建立多專業(yè)的協(xié)同機制，做到實時共享階段設(shè)計成果，以保證墩臺預埋件與多個專業(yè)的協(xié)調(diào)。

2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

本工程表層土體物理力學性能較差，且極端高低水位差達到6.85 m，故桅桿吊基礎(chǔ)擬采用樁基承臺式基礎(chǔ)?？紤]到基礎(chǔ)墩臺承受較大的水平及豎向荷載，須結(jié)合地勘數(shù)據(jù)建立精準地形地質(zhì)三維模型，優(yōu)化比選并確定最佳樁基布置方案。

2.3 結(jié)構(gòu)外形尺寸的確定

桅桿吊基礎(chǔ)的平面尺寸不僅要滿足重件水平運輸車的行駛要求，還應(yīng)滿足裝卸船所需要的桅桿吊變幅水平凈外伸距離?；A(chǔ)的外形尺寸也受固定式桅桿吊裝卸工藝設(shè)備、設(shè)計船舶的停靠及系纜、預埋件位置及大小的影響。綜合上述約束條件，如何有效地控制主要尺寸參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)化聯(lián)動修改，是合理確定并優(yōu)化外形尺寸的關(guān)鍵。

3 墩臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 協(xié)同設(shè)計

結(jié)合固定式桅桿吊墩臺設(shè)計流程，總圖、水工及裝卸工藝專業(yè)間的相互提資、工作集、權(quán)限管理等，說明BIM多專業(yè)協(xié)同在墩臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。首先，基于Revit Server建立多專業(yè)的協(xié)同服務(wù)器，生成多專業(yè)的基于權(quán)限管理的工作集(按照專業(yè)劃分)，保證實時數(shù)據(jù)的集中存儲與共享，以及權(quán)限管理(圖2)。

圖2 多專業(yè)工作集設(shè)定

總圖專業(yè)由水文和地勘資料確定測量點及基點坐標、特征水位、場地布置，碼頭及墩臺區(qū)域范圍、軸網(wǎng)、特征高程等。根據(jù)總圖的初步設(shè)計模型，直接提取其附帶的控制參數(shù)信息，水工結(jié)構(gòu)專業(yè)在其對應(yīng)的工作集創(chuàng)建包括桅桿吊前臂承臺、后拉錨承臺、鋼撐連接體系、樁基等模型。裝卸工藝專業(yè)則根據(jù)工藝方案布置并創(chuàng)建桅桿吊、防風錨固件、系纜錨固件等模型。各專業(yè)模型的創(chuàng)建均基于協(xié)同服務(wù)器平臺，并實時地將階段設(shè)計模型數(shù)據(jù)反饋給其他專業(yè)，從而實現(xiàn)并行協(xié)同設(shè)計，保證多專業(yè)的階段設(shè)計成果同步更新、實時共享(圖3)。

圖3 各專業(yè)實時協(xié)同

3.2 樁基基礎(chǔ)

1 100 t固定式桅桿吊的作用工況下，臂架下鉸、人字架前撐點及后座拉錨點將產(chǎn)生較大的豎向壓力及水平力，以及自重及移動荷載作用，形成多種荷載組合。借助BIM參數(shù)化技術(shù)創(chuàng)建地質(zhì)模型，并確定樁基布置及樁長，實現(xiàn)參數(shù)化多方案比選。

地形及地質(zhì)層模型的創(chuàng)建，采用可視化計算式編程工具Dynamo，通過對地勘數(shù)據(jù)提取、插值擬合，創(chuàng)建精準的多層地質(zhì)模型(圖4)。樁基的基本輸入?yún)?shù)包括：樁基頂高程、樁徑、樁長、平面轉(zhuǎn)角、傾斜率、橫縱間距等。地質(zhì)層的基本輸入?yún)?shù)包括：地質(zhì)層編號、持力層編號、端阻力標準值qR、側(cè)摩阻力標準值qfi等(圖5)。根據(jù)有限元分析計算得到的樁基支反力，基于Dynamo實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動，以滿足標準規(guī)范、設(shè)計承載力、規(guī)格類型等的邊界條件，綜合比選確定最優(yōu)的樁基布置方案。

圖4 三維地質(zhì)模型

圖5 樁基參數(shù)化設(shè)計界面

3.3 結(jié)構(gòu)計算

采用Midas Civil進行墩臺整體結(jié)構(gòu)模型的有限元分析?；诮⒌腂IM模型，采用模型接口插件Midas link for Revit Structure實現(xiàn)Revit模型到Madis Civil的幾何模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以提高模型的復用性，減少重復建模。通過Element Size和Material Mapping功能進行有限元網(wǎng)格自動劃分、材料屬性映射，圖6為導入Midas Civil的Revit墩臺結(jié)構(gòu)整體模型。

圖6 Revit導入Midas整體模型

3.4 預埋件設(shè)計

墩臺基礎(chǔ)的預埋件設(shè)計(含預留孔及預留槽)包括裝卸工藝、水工結(jié)構(gòu)、電氣及給排水4個大類，具體包括前臂前撐、主/副鉤拉索、系船柱、橡膠護舷、鋼支撐、電纜鋼管、水管穿孔、電纜槽及鋼軌槽等16項子類的預埋件，數(shù)量合計386處。

為了更好地統(tǒng)籌多專業(yè)并行協(xié)同設(shè)計，設(shè)定全專業(yè)預埋件工作集(圖7)。預埋件控制參數(shù)設(shè)定見圖8，進行可視化、參數(shù)化的合理布置，避免了二維設(shè)計存在的埋件定位不準確，以及平面、立面、剖面不一致等不足，保證了方案優(yōu)化時快速準確的位置調(diào)整，從而提升墩臺基礎(chǔ)的設(shè)計質(zhì)量。

圖7 全專業(yè)預埋件布置

圖8 預埋件控制參數(shù)設(shè)定

3.5 正向設(shè)計

采用BIM技術(shù)進行后拉錨承臺部分的正向設(shè)計，整體思路是企業(yè)級構(gòu)件標準族創(chuàng)建、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計、全專業(yè)BIM合模、設(shè)計成果標準輸出，并取得了良好的效果?；趧?chuàng)建的BIM精細化模型，完成企業(yè)級的標準出圖、實物工程量的明細統(tǒng)計是BIM正向設(shè)計工作的重要組成部分。

相比于傳統(tǒng)的基于過程的二維CAD設(shè)計，面向?qū)ο蠊ぷ髂Ｊ较碌腂IM正向設(shè)計的改進工作主要體現(xiàn)在：1)參數(shù)化族的應(yīng)用實現(xiàn)圖元信息的同步修改，減少了繁瑣的人工修改，避免低級錯誤；2)模型圖元、基準圖元及視圖專用圖元的企業(yè)級族庫建設(shè)實現(xiàn)標準化輸出，提高了設(shè)計輸出的效率；3)工程量明細統(tǒng)計功能全面、準確且高效，減少造價人員的繁瑣統(tǒng)計工作。

以后拉錨承臺的施工圖配筋模型創(chuàng)建為例，鋼筋種類為14個，數(shù)量多達2 627根。通過創(chuàng)建包括桅桿吊墩臺BIM模型的3類圖元標準化族，合計103個，完成后拉錨承臺實體結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化結(jié)構(gòu)配筋(圖9)。正向設(shè)計工作模式下，二維出圖將作為三維建模的附屬工作，通過三維模型直接剖切獲取，并保證了BIM正向設(shè)計成果的準確且高效的輸出(圖10)。

圖9 后拉錨承臺的三維實體結(jié)構(gòu)配筋

圖10 正向設(shè)計出圖

4 結(jié)語

1)并行協(xié)同設(shè)計的應(yīng)用彌補了傳統(tǒng)設(shè)計過程信息共享不及時的不足，實現(xiàn)多專業(yè)間的配合從串行到并行設(shè)計的轉(zhuǎn)變，縮短了設(shè)計鏈條長度，節(jié)省設(shè)計專業(yè)間的配合等待時間。

2)參數(shù)化三維協(xié)同設(shè)計，提高了墩臺設(shè)計成果的表達精度，BIM技術(shù)的參數(shù)化聯(lián)動特性系統(tǒng)地避免了諸如尺寸、高程平立剖視圖不對應(yīng)等低級錯誤，使有限的設(shè)計資源更多地投入到結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化及技術(shù)創(chuàng)新的高質(zhì)量設(shè)計中。

3)標準族庫資源的積累及應(yīng)用，是實現(xiàn)BIM技術(shù)正向設(shè)計、企業(yè)級標準化的基礎(chǔ)工作。對于類似的勘察設(shè)計類工程項目，資源族庫的模塊化和參數(shù)化功能是其三維協(xié)同設(shè)計標準化建設(shè)的有益補充。