陳桂香，郝柄慧，趙一青

(河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

目前糧食儲(chǔ)備倉(cāng)型中，80%以上為散裝糧平房倉(cāng)，儲(chǔ)糧環(huán)境突出表現(xiàn)為夏季倉(cāng)溫偏高，持續(xù)維持在35～40 ℃，由此帶來(lái)虛熱滯后，導(dǎo)致糧食品質(zhì)劣變和糧食生蟲(chóng).而在現(xiàn)有的儲(chǔ)糧環(huán)境下對(duì)糧食進(jìn)行化學(xué)熏蒸，既對(duì)糧食有所污染，排放的磷化氫氣體又會(huì)污染環(huán)境.如果采用人工制冷對(duì)糧食谷物進(jìn)行冷卻，則需耗費(fèi)大量的能源，不符合節(jié)能、低碳的節(jié)約型社會(huì)要求.因此，研究節(jié)能、節(jié)地、無(wú)污染、低損耗的地下儲(chǔ)糧新倉(cāng)型已經(jīng)迫在眉睫.

大直徑鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)是依托國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的新型地下糧倉(cāng)，它克服了原有地下倉(cāng)具有的倉(cāng)容量小、易受地形限制、糧食進(jìn)出不符合機(jī)械化作業(yè)等不足.大直徑鋼筋混凝土地下倉(cāng)目前尚處于研究階段，除課題組建設(shè)的小型試驗(yàn)倉(cāng)外，沒(méi)有已建成的實(shí)體工程進(jìn)行參考，缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn).因此，運(yùn)用BIM 技術(shù)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，對(duì)地下糧倉(cāng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工方案及大規(guī)模推廣應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值.

BIM（Building Information Model）通過(guò)建立參數(shù)化的模型，將糧倉(cāng)的物理信息和幾何信息包括在模型中，可真實(shí)表現(xiàn)出物體所具有的各種特性.2011 年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了《2011—2015 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，首次將BIM 技術(shù)列入發(fā)展計(jì)劃.因此將BIM 技術(shù)應(yīng)用到糧倉(cāng)的建設(shè)中，也是對(duì)國(guó)家政策的響應(yīng).國(guó)內(nèi)外對(duì)于BIM 在工程上的探究已有報(bào)道，朱江等[1]探討了將BIM 技術(shù)應(yīng)用到鐵路建設(shè)設(shè)計(jì)中的思路，并提出了相關(guān)的設(shè)想.高永剛等[2]論述了BIM 在杭州火車東站工程項(xiàng)目中的應(yīng)用.張建平等[3]針對(duì)工程施工中BIM 應(yīng)用，提出了相關(guān)技術(shù)架構(gòu)系統(tǒng)流程和應(yīng)對(duì)措施.李紅學(xué)等[4]提出了基于BIM 的橋梁工程設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化解決方案.

作者以某地區(qū)擬建的大直徑鋼筋混凝土地下倉(cāng)為例，結(jié)合BIM 技術(shù)特點(diǎn)，運(yùn)用Revit 軟件，對(duì)倉(cāng)底、倉(cāng)壁、倉(cāng)頂進(jìn)行三維建模，利用Navisworks 軟件進(jìn)行三維建筑模型與時(shí)間維度集成的4D 施工過(guò)程和進(jìn)出糧過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬.

1 BIM 技術(shù)在糧倉(cāng)中應(yīng)用的特點(diǎn)

BIM 思想源于20 世紀(jì)70 年代，之后Charles Eastman、Jerry Laiserin 及McGraw-Hill 建筑信息公司等都對(duì)其概念進(jìn)行了定義.美國(guó)BIM 標(biāo)準(zhǔn)定義：BIM 是一個(gè)能讓各方協(xié)同作業(yè)，并具有項(xiàng)目所有信息和資源的模型[5].Autodesk 公司定義：BIM 是指建筑物在設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，創(chuàng)建和使用的“可計(jì)算數(shù)字信息”，這些數(shù)字信息能夠被程序系統(tǒng)自動(dòng)管理，計(jì)算出的各種文件具有一致性.

BIM 技術(shù)應(yīng)用在糧倉(cāng)中的特點(diǎn)主要有：

（1）三維可視化.在基于BIM 技術(shù)創(chuàng)建的模型中，包含了整個(gè)地下糧倉(cāng)項(xiàng)目的信息.不僅包含地下糧倉(cāng)構(gòu)件所有幾何和物理信息，還包含糧倉(cāng)外在的環(huán)境和地理信息，使設(shè)計(jì)師直接用三維的方式完成設(shè)計(jì).

（2）協(xié)同作業(yè).由于整個(gè)地下糧倉(cāng)相關(guān)的信息存儲(chǔ)在BIM 集成數(shù)據(jù)庫(kù)中，為工程項(xiàng)目的各個(gè)專業(yè)之間提供信息交換和共享的平臺(tái).各個(gè)專業(yè)都在這個(gè)平臺(tái)上工作，對(duì)BIM 模型所做的任何更改，其他相關(guān)專業(yè)都能夠及時(shí)看到，減少設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)漏和返工.

（3）模擬性.結(jié)合BIM 的相關(guān)軟件，將三維地下糧倉(cāng)模型與時(shí)間維度進(jìn)行鏈接，可用于模擬地下糧倉(cāng)在真實(shí)世界中的狀態(tài)和變化，模擬實(shí)際施工，在早期設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)后期真正施工階段所會(huì)出現(xiàn)的各種問(wèn)題，在后期施工時(shí)能作為施工的實(shí)際指導(dǎo).

2 模型的創(chuàng)建

選取課題組研制的大直徑鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)為研究對(duì)象.在倉(cāng)模型的創(chuàng)建中，應(yīng)用BIM 并不是遵循BIM 建模的初衷，即建筑師和工程師共同以3D 平臺(tái)為工具創(chuàng)建與分析BIM 模型，完全脫離2D 圖紙模式；而是以最終2D 建筑圖紙和結(jié)構(gòu)圖紙為基準(zhǔn)，利用Revit 系列軟件分別創(chuàng)建BIM 建筑和結(jié)構(gòu)模型，之后利用Navisworks 模擬整個(gè)施工過(guò)程.

2.1 模擬對(duì)象

該地下倉(cāng)為某國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)的擬建工程，內(nèi)徑26 m，裝糧高度13.95 m.頂蓋采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，倉(cāng)頂部覆土厚度為2 000 mm，板厚250 mm，倉(cāng)體側(cè)壁厚度350 mm，倉(cāng)底板厚度800 mm，總深度為25.200 m.群倉(cāng)為2×5 排列，總倉(cāng)容5.4萬(wàn)t，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地面上可用于綠化設(shè)計(jì).在地下倉(cāng)群倉(cāng)施工之前，已完成建設(shè)一個(gè)地下倉(cāng)試驗(yàn)倉(cāng).

考慮到群倉(cāng)中各個(gè)單倉(cāng)的屬性相同，在建模過(guò)程中以單倉(cāng)為對(duì)象建立各種模型，并將模型與已完工的地下倉(cāng)試驗(yàn)倉(cāng)實(shí)際建設(shè)過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，圖1為單倉(cāng)剖面圖.

2.2 建筑模型

由于糧倉(cāng)是個(gè)比較特殊的結(jié)構(gòu)，屬于特種結(jié)構(gòu)，里面沒(méi)有柱子和梁之類的傳統(tǒng)構(gòu)件，整體結(jié)構(gòu)是一個(gè)筒形，因此，在進(jìn)行糧倉(cāng)建筑模型的創(chuàng)建時(shí)，根據(jù)糧倉(cāng)的結(jié)構(gòu)，將糧倉(cāng)分為倉(cāng)底、倉(cāng)壁和倉(cāng)頂3 部分分別進(jìn)行建模.

圖1 地下倉(cāng)單倉(cāng)剖面

在創(chuàng)建模型之前，創(chuàng)建需要參照的軸網(wǎng)和建筑標(biāo)高，因?yàn)榻ㄖＰ偷牧喊逯际潜仨毟街谙鄳?yīng)的標(biāo)高上存在的，例如倉(cāng)底標(biāo)高，倉(cāng)壁標(biāo)高和倉(cāng)頂標(biāo)高等.在相應(yīng)的標(biāo)高建模完之后，在對(duì)應(yīng)的標(biāo)高上創(chuàng)建倉(cāng)底、倉(cāng)壁和倉(cāng)頂.

倉(cāng)底建模采用樓板命令，由于倉(cāng)底是一個(gè)漏斗形，無(wú)法用常規(guī)的建模方法創(chuàng)建，選用樓板的命令，調(diào)節(jié)樓板上的控制點(diǎn)，形成倉(cāng)底斜面構(gòu)造形式，圖2 為倉(cāng)底建筑模型.

在倉(cāng)底的基礎(chǔ)上，進(jìn)行倉(cāng)壁的建模.把倉(cāng)壁定義為墻類范疇，用的是墻類命令，它可以吸附于斜面的倉(cāng)底.圖3 為倉(cāng)壁建筑模型.倉(cāng)頂建模和倉(cāng)底一樣，也是具有一個(gè)斜坡，所以都是使用樓板命令.在主體結(jié)構(gòu)創(chuàng)建完之后，要進(jìn)行細(xì)部構(gòu)造的創(chuàng)建，例如倉(cāng)底和倉(cāng)頂開(kāi)洞.單倉(cāng)整體建筑模型如圖4所示.單倉(cāng)整體建筑模型剖面如圖5 所示.

圖2 倉(cāng)底建筑模型

圖3 倉(cāng)壁建筑模型

圖4 倉(cāng)整體建筑模型

圖5 倉(cāng)整體建筑剖面

2.3 結(jié)構(gòu)模型

在糧倉(cāng)建筑模型創(chuàng)建完以后進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，結(jié)構(gòu)建模主要是進(jìn)行鋼筋布置，根據(jù)2D 圖紙的配筋圖，在Revit 中對(duì)糧倉(cāng)模型進(jìn)行配筋.在倉(cāng)底配筋時(shí)，由于倉(cāng)底是漏斗形，具有一定斜坡，需要承受糧倉(cāng)大部分荷載，且底部有出糧口，要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，圖6 為倉(cāng)底配筋，圖7 為單倉(cāng)整體配筋.

圖6 倉(cāng)底配筋

圖7 單倉(cāng)整體配筋

2.4 4D 施工過(guò)程的模擬

在全部的模型創(chuàng)建完成之后，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建4D 施工模擬.首先進(jìn)行工程量計(jì)算，根據(jù)資源分配與工作效率計(jì)算出單項(xiàng)任務(wù)的工作時(shí)間，然后根據(jù)邏輯關(guān)系與網(wǎng)絡(luò)圖得出整個(gè)工程的施工進(jìn)度，將施工進(jìn)度計(jì)劃與已經(jīng)創(chuàng)建好的糧倉(cāng)模型對(duì)接.利用Navisworks 創(chuàng)建4D 施工模型，具體過(guò)程為：將Revit 創(chuàng)建的糧倉(cāng)三維模型導(dǎo)入到Navisworks 軟件；將施工進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入Navisworks 軟件，按計(jì)劃設(shè)置每項(xiàng)構(gòu)件和任務(wù)的性質(zhì)，并編好選擇集；生成4D 施工模擬動(dòng)畫(huà)，通過(guò)設(shè)置關(guān)鍵幀形成漫游動(dòng)畫(huà).漫游動(dòng)畫(huà)完成后，將其與地下倉(cāng)試驗(yàn)倉(cāng)現(xiàn)場(chǎng)施工情況相對(duì)比，如圖8—圖13 所示.

圖8 倉(cāng)底施工模擬

圖9 倉(cāng)底施工現(xiàn)場(chǎng)

圖10 倉(cāng)壁施工模擬

圖11 倉(cāng)壁滑模施工現(xiàn)場(chǎng)

圖12 倉(cāng)頂施工及回填

圖13 倉(cāng)頂現(xiàn)場(chǎng)施工

2.5 進(jìn)出糧過(guò)程的模擬

對(duì)地下倉(cāng)進(jìn)行進(jìn)出糧的工藝模擬，能直觀了解地下倉(cāng)進(jìn)出糧全過(guò)程.在裝糧作業(yè)時(shí)，要解決糧食破碎和分級(jí)兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.目前，進(jìn)糧是通過(guò)移動(dòng)皮帶機(jī)和安裝在倉(cāng)口的一臺(tái)可升降旋轉(zhuǎn)的布糧器，以此避免糧食破碎，緩解糧食分級(jí).出糧工藝是糧食利用自流特性流入到地下倉(cāng)錐底出口，出口處安裝閥門，在地下倉(cāng)底部有出糧通道，通道內(nèi)安裝皮帶機(jī)，糧食輸送到惻井，惻井內(nèi)安裝斗式提升機(jī)，該斗提機(jī)將糧食提升到工作塔內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)地下倉(cāng)出料作業(yè)，圖14 為進(jìn)出糧工藝流程.根據(jù)設(shè)計(jì)的進(jìn)出糧工藝，用Navisworks 軟件進(jìn)行進(jìn)出糧工藝模擬，如圖15 和16 所示.

圖14 進(jìn)出糧工藝流程

圖15 進(jìn)糧工藝模擬

圖16 出糧工藝模擬

3 結(jié)語(yǔ)

BIM 是在CAD 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種多維模型信息技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外一些大型項(xiàng)目中都得到了應(yīng)用，但在地下儲(chǔ)糧倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)上尚未應(yīng)用.作者以某地下大直徑鋼筋混凝土筒倉(cāng)為例，利用基于BIM 的Revit 軟件來(lái)創(chuàng)建糧倉(cāng)的三維模型，利用Navisworks 軟件，與三維模型對(duì)接，來(lái)創(chuàng)建4D 施工和進(jìn)出糧過(guò)程模擬.結(jié)果表明，BIM 技術(shù)在地下儲(chǔ)糧結(jié)構(gòu)應(yīng)用上具有可行性，為地下儲(chǔ)糧結(jié)構(gòu)的研究探討提供了一種新型的的理念和技術(shù)，同時(shí)也對(duì)地下儲(chǔ)糧結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用起到積極的作用.但由于虛擬模擬試驗(yàn)自身的局限性，試驗(yàn)結(jié)果還需具體的真實(shí)工程來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證.

［1］朱江.BIM 在鐵路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探.鐵道工程學(xué)報(bào)［J］.2010（10）∶104－108.

［2］高永剛，李光金.基于BIM 可視化技術(shù)在杭州東站中的應(yīng)用［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2（4）∶55－58.

［3］張建平，李丁，林佳瑞，等.BIM 在工程施工中的應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，2012（16）∶10－17.

［4］李紅學(xué)，郭紅領(lǐng)，高巖，等.基于BIM 的橋梁工程設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化研究［J］.工程管理學(xué)報(bào)，2012（6）：48－52.

［5］National Institute of Building Sciences，United States National Building Information Modeling Standard，Version1-Part 1［S］.