崔冠辰,艾紹平,李嬌嬌,冀坷帆
(1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300220;2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100035)
液化天然氣(LNG)接收站,通常都會(huì)有配套的碼頭用于接卸海上運(yùn)來(lái)的液化天然氣,通常碼頭會(huì)包括一個(gè)主碼頭和一個(gè)配套的工作船碼頭。主碼頭用于??縇NG 船并完成接卸工作,配套的工作船泊位用于??客陷喌染哂休o助靠泊功能的小型船舶。
本文以天津南港某LNG 接收站的配套碼頭水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例,展示三維正向BIM 設(shè)計(jì)在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。
天津南港LNG 儲(chǔ)備項(xiàng)目配套碼頭工程位于大港港區(qū)LNG 作業(yè)區(qū),在東港池東側(cè)岸線(xiàn)北段,LNG碼頭和工作船碼頭均采用引橋順岸式布置型式,北側(cè)為L(zhǎng)NG 泊位,南側(cè)為工作船泊位。碼頭最大可靠泊26.6 萬(wàn)方LNG 船。
LNG 碼頭長(zhǎng)380 m,由1 座工作平臺(tái)、4 座靠船墩和6 座系纜墩組成。港池護(hù)岸處布置1 座碼頭控制平臺(tái),碼頭與陸域之間通過(guò)引橋及控制平臺(tái)相連。工作船碼頭位于LNG 碼頭南側(cè),碼頭長(zhǎng)105 m,寬18 m。LNG 泊位碼頭工作平臺(tái)、靠船墩、系纜墩均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土墩臺(tái)結(jié)構(gòu),下部基樁采用鋼管樁。工作船碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu),下部基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁。
本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用先建模型后出圖的正向設(shè)計(jì)模式,因此對(duì)設(shè)計(jì)模型的精度有較高要求。
本工程的很多設(shè)計(jì)圖紙完全源自精確的設(shè)計(jì)模型,在局域網(wǎng)環(huán)境下,本工程采用中心模型與鏈接模型相結(jié)合的方式,把整個(gè)工程不同部分的模型組合在一起。其實(shí)在Revit 中“中心模型”和“總模型”是有本質(zhì)區(qū)別的,一個(gè)模型是否是“中心模型”只說(shuō)明了該模型是否可以由多用戶(hù)遠(yuǎn)程操作,而“總模型”則是把多個(gè)分模型鏈接在一起的那個(gè)模型,總模型和鏈接在總模型里的分模型都可以是“中心模型”。
為了達(dá)到專(zhuān)業(yè)內(nèi)協(xié)作的目的,設(shè)計(jì)過(guò)程中將多個(gè)中心模型放置在服務(wù)器端,然后在客戶(hù)端將多個(gè)中心模型鏈接在一起,形成一個(gè)總模型,這個(gè)總模型也保存在服務(wù)器端,這樣幾個(gè)設(shè)計(jì)人員可以同時(shí)建模并同步,同時(shí)這種組織方式還有一個(gè)好處是每個(gè)模型都不會(huì)很大以致于無(wú)法流暢操作。
結(jié)構(gòu)計(jì)算是碼頭水工結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工作中最為重要的一環(huán),也是BIM 技術(shù)能否真正落地的關(guān)鍵一環(huán)。在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域除了如Robot 之類(lèi)專(zhuān)門(mén)的軟件之外國(guó)內(nèi)公司還有開(kāi)發(fā)了很多插件,如PKPM for Revit,盈建科for Revit。另外,據(jù)悉建研院與Bentley簽署了戰(zhàn)略合作合同,將PKPM 加入Bentley 的大平臺(tái)[3]。
但是在水運(yùn)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域,由于標(biāo)準(zhǔn)化程度極低,受眾少市場(chǎng)小,專(zhuān)門(mén)為水運(yùn)工程領(lǐng)域做計(jì)算軟件的公司也很少,中交二航院已經(jīng)嘗試了Revit 與Robot Structural之間的對(duì)接,雖然Robot是Autodesk公司推薦的BIM 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件,但是Robot 在水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用很少,且國(guó)內(nèi)鮮有官方的技術(shù)支持;中交三航院與上海易工公司聯(lián)合研發(fā)了“易工水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)CAD 集成軟件”,該系列軟件比較適應(yīng)水運(yùn)設(shè)計(jì)行業(yè)的習(xí)慣,但是其墩臺(tái)計(jì)算模塊在與Revit 模型的對(duì)接上還不夠成熟[4][5]。
我院自主研發(fā)了Autodesk Revit 平臺(tái)上的墩臺(tái)計(jì)算模塊,在特定族的配合下,該模塊可以將Revit模型簡(jiǎn)化并傳遞至大型通用有限元分析軟件ABAQUS 中進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析,并自動(dòng)將計(jì)算結(jié)果提取至Excel 表中,用于后續(xù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析組合,圖2 所示為本工程主碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算使用的墩臺(tái)計(jì)算模塊。
圖1 碼頭結(jié)構(gòu)局部示意
圖2 Revit 平臺(tái)上的墩臺(tái)計(jì)算模塊
墩臺(tái)計(jì)算模塊對(duì)于A(yíng)BAQUS 的自動(dòng)化操作全部依賴(lài)ABAQUS 的Python 腳本功能,從模型建立、網(wǎng)格劃分到提交運(yùn)算,全部借助ABAQUS 的Python解釋器實(shí)現(xiàn)。模塊會(huì)依據(jù)Revit 中的設(shè)計(jì)模型在系統(tǒng)的臨時(shí)目錄中建立一個(gè)特定名稱(chēng)的Python 腳本文件,腳本內(nèi)容會(huì)隨模型不同而不同。然后從系統(tǒng)控制臺(tái)帶參數(shù)啟動(dòng)ABAQUS,并讓其執(zhí)行由模塊生成的腳本,完成設(shè)計(jì)模型到分析模型的轉(zhuǎn)化。圖3所示為工程在Revit 中的設(shè)計(jì)模型和ABAQUS 中的分析模型。
圖3 設(shè)計(jì)模型與分析模型
一般情況下,在有限元分析軟件中建立樁基的分析模型十分繁瑣,本工程的工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)下有90根樁,每根樁的扭角和斜率都不同,直接在有限元分析軟件中建立分析模型需要大量時(shí)間,實(shí)際操作中墩臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算都伴隨有大量的樁位調(diào)整工作,調(diào)整樁位在有限元分析軟件中很難操作而在設(shè)計(jì)軟件中則容易很多,因此該模塊的使用可以大大壓縮結(jié)構(gòu)計(jì)算需要的時(shí)間。
樁基設(shè)計(jì)是高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為重要的一環(huán),一般來(lái)說(shuō)樁基設(shè)計(jì)包括樁位設(shè)計(jì)和樁型設(shè)計(jì)。
在樁位設(shè)計(jì)中,常用的設(shè)計(jì)軟件或多或少都存在一定缺陷,最大的問(wèn)題是鮮有軟件能做到實(shí)時(shí)反饋碰樁驗(yàn)算的結(jié)果,在完成樁位設(shè)計(jì)后,還需根據(jù)打樁設(shè)備排布打樁順序,分析樁位的可實(shí)施性,再根據(jù)分析結(jié)論反過(guò)來(lái)修改樁位設(shè)計(jì),這個(gè)過(guò)程要多次反復(fù)進(jìn)行。
在樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)中,需要根據(jù)每根樁對(duì)應(yīng)的鉆孔逐一手動(dòng)確定持力層位置和樁底高程,再將每根樁的長(zhǎng)度按一定模數(shù)取整變?yōu)榧庸らL(zhǎng)度,按加工長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)樁型表,在表中給出每個(gè)位置的樁的加工長(zhǎng)度。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中,操作繁瑣,極易出錯(cuò),嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)效率。
在特定族的配合下,樁位設(shè)計(jì)模塊可以實(shí)時(shí)對(duì)200~300 根樁的碰樁驗(yàn)算結(jié)果以不同顏色進(jìn)行區(qū)分,樁位調(diào)整與結(jié)果反饋之間的距離大大縮短,圖4 所示為樁位設(shè)計(jì)模塊的預(yù)覽窗口,存在碰樁的樁會(huì)以粉紅色顯示出來(lái)。
圖4 工作平臺(tái)的樁位界面
為了能實(shí)時(shí)驗(yàn)算盡可能多的樁,在碰樁驗(yàn)算算法上,模塊做了一定優(yōu)化,比如對(duì)兩根樁頂距離較遠(yuǎn)的樁會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算,只有對(duì)樁頂距離較小的樁才會(huì)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算,并在界面中給出樁間距離(包括中心距離和凈距離)和兩根樁最近點(diǎn)的高程數(shù)據(jù),需要給出高程數(shù)據(jù)是因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)際施工操作經(jīng)驗(yàn),如果樁間的最近點(diǎn)靠上,施工時(shí)會(huì)更容易控制,因此即使凈距離較小在必要也認(rèn)為可以滿(mǎn)足要求,這些是需要人為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去判斷的。
圖5 為集成在Revit 中的樁型設(shè)計(jì)模塊,該模塊可以讓樁基自動(dòng)匹配持力層曲面,按樁端的平面位置尋找最近的鉆孔確定樁底高程,然后按一定長(zhǎng)度模數(shù)劃分樁型,并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生成樁型統(tǒng)計(jì)表,大大提高樁型統(tǒng)計(jì)的效率及質(zhì)量。
圖5 樁型設(shè)計(jì)模塊界面
結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)有賴(lài)于項(xiàng)目樣板和一套完整的基礎(chǔ)標(biāo)注族和符號(hào)族,為此定制了“水運(yùn)工程設(shè)計(jì)樣板”,并在設(shè)計(jì)樣板中集成了字體、圖框、標(biāo)注樣式、常用的注釋族及大量出圖需要使用的基礎(chǔ)二維注釋符號(hào)。還包含了一些功能模塊需要使用的族,例如鋼筋標(biāo)注功能或重心標(biāo)注功能需要使用的標(biāo)注族。
圖6 定制字體界面
有了定制的項(xiàng)目樣板和標(biāo)注族才能得到符合水運(yùn)工程設(shè)計(jì)習(xí)慣的圖紙,圖7 所示為本工程集液池的結(jié)構(gòu)示意。
圖7 工程集液池結(jié)構(gòu)示意
在結(jié)構(gòu)圖尤其是斷面或立面圖的設(shè)計(jì)過(guò)程中,通常需要繪制地質(zhì)信息,地質(zhì)信息可以以鉆孔柱狀圖的形式附在圖上,鉆孔柱狀圖的繪制雖然只是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)上很細(xì)節(jié)的一個(gè)問(wèn)題,但是由于繪制過(guò)程比較繁瑣,也是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)痛點(diǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我院研發(fā)了鉆孔柱狀圖繪制工具,利用該工具,結(jié)合預(yù)制在項(xiàng)目模板里的柱族文件,設(shè)計(jì)人員可以方便的生成柱狀圖,很大程度上可以減少手工繪制的工作量。
圖8 鉆孔柱狀圖工具和生成的柱狀圖
對(duì)于一些形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu),單憑設(shè)計(jì)人員的想象很難快速準(zhǔn)確的繪制出二維圖紙,而在三維正向設(shè)計(jì)模式下,這個(gè)問(wèn)題可以很大程度上得到緩解,以本工程的海水泵房為例,這是一個(gè)形狀復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu),從模型直接出圖的正向設(shè)計(jì)模式大大提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)成果準(zhǔn)確性,泵房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙如圖9 所示。
對(duì)于如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu),施工單位靠設(shè)計(jì)圖紙很難快速領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)意圖,而三維模型可為施工單位提供必要的支持。
配筋圖設(shè)計(jì)是一個(gè)項(xiàng)目施工圖階段無(wú)法回避的問(wèn)題,也是耗時(shí)最長(zhǎng)、最為復(fù)雜和繁瑣的工作,配筋圖不僅僅是鋼筋的形狀設(shè)計(jì),還有鋼筋的標(biāo)注和統(tǒng)計(jì)。國(guó)內(nèi)的水運(yùn)工程設(shè)計(jì)上對(duì)于鋼筋有特殊的標(biāo)注和統(tǒng)計(jì)習(xí)慣,這些習(xí)慣在軟件的原生功能中都不支持,因此我院也特為此研發(fā)了鋼筋從建立、標(biāo)注到統(tǒng)計(jì)一整套工具,用于輔助配筋圖設(shè)計(jì)。
鋼筋建模僅靠原生的建模工具建立會(huì)十分困難,因此我院研發(fā)了三維鋼筋工具,該工具類(lèi)似一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境,允許用戶(hù)使用特定的語(yǔ)法用要配筋的混凝土構(gòu)件的外形尺寸去描述內(nèi)部鋼筋的形狀,尺寸和布置方式,這樣可以大大提高鋼筋建模的效率,對(duì)于預(yù)制構(gòu)件來(lái)說(shuō),由于鋼筋的形狀尺寸和布置方式均與構(gòu)件的外形尺寸掛鉤,因此可以達(dá)到一次定義重復(fù)使用的目的,對(duì)于本工程的附屬工作船泊位這種預(yù)制梁板類(lèi)的碼頭,使用三維鋼筋工具可以大大提高配筋圖的設(shè)計(jì)效率,并且可以保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。圖10 所示為包含鋼筋的構(gòu)件模型。
圖10 包含鋼筋的構(gòu)件
水運(yùn)工程的鋼筋標(biāo)注方式應(yīng)該說(shuō)比較特殊,這些標(biāo)注方式原生設(shè)計(jì)軟件中并不支持,也無(wú)法通過(guò)定制標(biāo)注族的方式去實(shí)現(xiàn),因此需要通過(guò)二次開(kāi)發(fā)讓原生軟件具備此功能。
Revit 在標(biāo)注上的操作習(xí)慣更符合建筑行業(yè)的批量標(biāo)注的習(xí)慣,即先大批量生成標(biāo)注,再手動(dòng)挪動(dòng)個(gè)別發(fā)生重疊或遮擋的標(biāo)注,因此標(biāo)注通常都是一步操作即完成,即使需要引線(xiàn)也先為標(biāo)注添加引線(xiàn),再拖動(dòng)引線(xiàn)箭頭至需要的位置。對(duì)于水運(yùn)行業(yè)的鋼筋標(biāo)注樣式,把標(biāo)注過(guò)程分為兩步操作上會(huì)更加便捷,第一步確定引線(xiàn)端頭的位置,然后拖動(dòng)至標(biāo)頭需要的位置再確定。按此操作習(xí)慣在Revit 中定制鋼筋標(biāo)注工具,結(jié)合標(biāo)注族和API 的功能,即可實(shí)現(xiàn)符合水運(yùn)設(shè)計(jì)行業(yè)操作習(xí)慣的鋼筋標(biāo)注工具。圖11 所示為用此完成的預(yù)制構(gòu)件的配筋圖設(shè)計(jì)(如)和部分現(xiàn)澆構(gòu)件的配筋圖設(shè)計(jì)。
圖11 水運(yùn)工程的鋼筋標(biāo)注方式示意
配筋圖里的鋼筋表也是水運(yùn)工程設(shè)計(jì)上所特有的,鋼筋表的樣式已傳承數(shù)十年,統(tǒng)計(jì)方式也結(jié)合了多年建港的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn),長(zhǎng)度和重量的計(jì)算方式也充滿(mǎn)了行業(yè)特色,例如鋼筋的長(zhǎng)度對(duì)于某些鋼筋應(yīng)該按內(nèi)皮計(jì)算,帶彎鉤的鋼筋在算長(zhǎng)度時(shí)需要增加若干倍鋼筋直徑等等,這些在原生軟件里無(wú)從體現(xiàn),因此我院有按照目前的行業(yè)習(xí)慣研發(fā)了鋼筋表工具,提高鋼筋統(tǒng)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。圖12為鋼筋統(tǒng)計(jì)模塊,圖13 為鋼筋統(tǒng)計(jì)模塊在Revit 中以繪圖視圖的形式生成的鋼筋表,完全滿(mǎn)足水運(yùn)工程的設(shè)計(jì)習(xí)慣。
圖12 鋼筋統(tǒng)計(jì)模塊界面
圖13 鋼筋統(tǒng)計(jì)模塊在Revit 中生成的鋼筋表
在施工圖設(shè)計(jì)過(guò)程中,BIM 技術(shù)的介入很大程度上提高了設(shè)計(jì)效率,也可以保證設(shè)計(jì)質(zhì)量,在實(shí)際操作過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題,也積累了一些使用經(jīng)驗(yàn)供大家參考借鑒,這些問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)更多的來(lái)自軟件操作層面,與工程本身沒(méi)有太大關(guān)系。
圖面上免不了有各種各樣的注釋?zhuān)鐖D14所示的注釋?zhuān)谑┕D設(shè)計(jì)過(guò)程中大量存在。
圖14 圖面標(biāo)注
為了實(shí)現(xiàn)這種注釋樣式,使用常規(guī)注釋族模板定制了一種常規(guī)注釋族,注釋族中包含上下兩個(gè)文字類(lèi)的參數(shù),還包含一個(gè)數(shù)值型參數(shù)用于調(diào)整橫線(xiàn)長(zhǎng)度,引線(xiàn)的添加借助Revit 為每個(gè)注釋提供的添加引線(xiàn)功能實(shí)現(xiàn),如圖15 所示。
圖15 為注釋族添加引線(xiàn)
使用這個(gè)常規(guī)注釋族可以很大程度上滿(mǎn)足圖面注釋的需求,但是這種注釋存在一個(gè)問(wèn)題,就是引線(xiàn)端頭不具備捕捉能力,比如需要標(biāo)注一條軸線(xiàn),注釋引線(xiàn)的端頭無(wú)法準(zhǔn)確捕捉到軸線(xiàn)上,只能手動(dòng)盡可能接近軸線(xiàn)。
從Revit 中導(dǎo)出dwg 圖紙這個(gè)過(guò)程并不復(fù)雜,但是實(shí)際操作中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題:
首先是導(dǎo)出成dwg 圖紙時(shí),Revit 會(huì)把圖紙放在布局里,各個(gè)視圖以視口的形式出現(xiàn),視口會(huì)被放在一個(gè)不打印層上,視口的尺寸恰好夠顯示要顯示的圖形,在有些時(shí)候,需要顯示的圖形中會(huì)有某條線(xiàn)與視口邊界重合,此時(shí)這條線(xiàn)就會(huì)被視口邊界線(xiàn)覆蓋,而由于視口邊界被放在了不打印層上,因此這條需要顯示的線(xiàn)就無(wú)法打印出來(lái)。為了解決這個(gè)問(wèn)題,只能手動(dòng)把視口拉大一點(diǎn),這樣才能保證最終從打印機(jī)端輸出的圖紙的完整性。
其次是Revit 中的文字在導(dǎo)出成dwg 文件時(shí),有時(shí)會(huì)被斷開(kāi)成若干個(gè)文字圖元,如圖16 所示,一行文字被分成了若干個(gè)單獨(dú)的文字圖元。
圖16 被斷開(kāi)的文字
此時(shí)如果在CAD 中需要修改文字時(shí)就會(huì)很麻煩,經(jīng)實(shí)踐,出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題的原因是導(dǎo)出時(shí)的文字設(shè)置,見(jiàn)圖17 所示,默認(rèn)情況下為保持視覺(jué)保真度,選擇此選項(xiàng)時(shí),Revit 會(huì)保證每個(gè)文字即使導(dǎo)出成dwg 格式,仍然在原位置,不會(huì)因?yàn)樽煮w在CAD與Revit 中顯示的區(qū)別而錯(cuò)位,而實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的方式就是在適當(dāng)?shù)奈恢脤⑽淖謹(jǐn)嚅_(kāi)并適當(dāng)偏移。
圖17 文字導(dǎo)出設(shè)置
因此為了保證導(dǎo)出的dwg 文件中文字的完整性,應(yīng)在此處選擇“保留可編輯性”,這樣導(dǎo)出的文字就不會(huì)被斷開(kāi)。
在Revit 中制圖很多時(shí)候都需要使用標(biāo)簽,標(biāo)簽用于提取圖元參數(shù)并顯示出來(lái),因此在標(biāo)注里使用標(biāo)簽可以達(dá)到模型信息與圖紙聯(lián)動(dòng)的效果,從而保持圖紙信息的準(zhǔn)確。但是在使用過(guò)程也發(fā)現(xiàn)了一點(diǎn)問(wèn)題,就是標(biāo)簽文字是無(wú)法換行的,這就導(dǎo)致有時(shí)標(biāo)簽過(guò)長(zhǎng),對(duì)于此問(wèn)題,目前還沒(méi)有什么好的解決辦法,只能將其導(dǎo)出到CAD 中,在CAD 中將文字調(diào)整為需要的長(zhǎng)度。
BIM 技術(shù)在水運(yùn)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域起步較晚,目前存在諸多軟件不適應(yīng)性問(wèn)題,這些問(wèn)題更多源自水運(yùn)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的受眾小。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)平臺(tái)功能的深入挖掘以及對(duì)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),可以很大程度上緩解軟件功能與設(shè)計(jì)需求之間的不適應(yīng)。
本文以L(fǎng)NG 碼頭工程設(shè)計(jì)為例,展示了利用BIM 進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有諸多優(yōu)勢(shì),可以歸納為以下兩點(diǎn):
1)在合適的工具加持下,BIM 正向設(shè)計(jì)可以很大程度上提高設(shè)計(jì)效率,同時(shí)可以保證設(shè)計(jì)質(zhì)量;
2)對(duì)于復(fù)雜形體,正向設(shè)計(jì)不但可以提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性,還可以讓施工單位更快更好的理解設(shè)計(jì)意圖。
隨著越來(lái)越多的水運(yùn)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目采用BIM正向設(shè)計(jì)模式,設(shè)計(jì)手段和工具也會(huì)不斷迭代升級(jí),通過(guò)不斷嘗試與經(jīng)驗(yàn)積累,正向設(shè)計(jì)未來(lái)會(huì)日臻完善并逐漸普及。