摘 要：【目的】針對復(fù)雜的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，為了保證工程質(zhì)量，提高施工效率，需要對三維仿真技術(shù)的工程應(yīng)用進(jìn)行研究。【方法】以鄭州市某裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程為例，利用Tekla Structures內(nèi)置的三維碰撞分析模塊，對碰撞問題進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行精細(xì)化三維仿真模擬，對屋面工程的第一榀～第四榀主桁架、次桁架的施工全過程進(jìn)行仿真分析，確定合理的施工方案?！窘Y(jié)果】發(fā)現(xiàn)一處鋼梁加勁肋與水平支撐的碰撞問題，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過三維仿真模擬，確定了合理的屋面桁架施工方案，保證了施工質(zhì)量，明顯加快了工程進(jìn)度?！窘Y(jié)論】三維仿真技術(shù)對于裝配式建筑的發(fā)展具有重大意義，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)三維碰撞分析、三維仿真模擬，從而確保工程質(zhì)量和工期進(jìn)度，研究成果可為類似工程的三維仿真技術(shù)應(yīng)用提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑；鋼結(jié)構(gòu)；Tekla Structures；三維仿真

中圖分類號(hào)：TU712" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）14-0072-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.014

Research on the Application of 3D Simulation Technology Based on Tekla Structures

Abstract：[Purposes] In order to guarantee the engineering quality and improve the construction efficiency of complex prefabricated steel structure buildings， the engineering application of 3D simulation technology was studied.[Methods] Taking a prefabricated steel structure project in Zhengzhou as an example， three-dimensional collision analysis module built in Tekla Structures was used to optimize the collision problem. And the refined three-dimensional simulation was carried out， the whole construction process of the main truss and the secondary truss of the first to the fourth part of the roof project is simulated and analyzed， and the reasonable construction scheme is determined. [Findings] The collision problem between steel beam stiffener and horizontal support is found and optimized design is carried out. Through 3D simulation， the reasonable construction scheme of roof truss is determined， the construction quality is guaranteed， and the project progress is obviously accelerated.[Conclusions] 3D simulation technology is of great significance for the development of prefabricated buildings. 3D collision analysis and 3D simulation should be strengthened in the construction process to ensure project quality and schedule， which can provide certain reference for the application of 3D simulation technology in similar projects.

Keywords： prefabricated building; steel structure; tekla structures; three-dimensional simulation

0 引言

近年來，我國鋼結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)發(fā)展迅速。鋼結(jié)構(gòu)工程屬于裝配式建筑，由預(yù)制鋼構(gòu)件進(jìn)行裝配和組裝而成，在目前的建筑結(jié)構(gòu)中比較常見［1］。例如，在一些工業(yè)廠房工程中，鋼結(jié)構(gòu)工程幾乎已經(jīng)成為主流的結(jié)構(gòu)形式。隨著鋼結(jié)構(gòu)工程的快速發(fā)展，一些復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程對現(xiàn)場施工提出了更高的技術(shù)要求。由于傳統(tǒng)的施工方式存在速度慢、易出錯(cuò)、精度差等問題，所以已經(jīng)不能滿足實(shí)際的需要。傳統(tǒng)粗放式的施工方法和施工管理嚴(yán)重影響了裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程的施工進(jìn)度和質(zhì)量。特別是針對一些復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程，粗放式施工的問題則更加明顯。因此，基于信息化技術(shù)進(jìn)行三維仿真模擬是必然趨勢。通過精細(xì)化三維仿真模擬，可以大大提高施工質(zhì)量和施工效率［2］。

目前，國內(nèi)外關(guān)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究主要以Tekla Structures為研究手段。潘升等［3］利用Tekla Structures，以國外某工程為例，在BIM5D的基礎(chǔ)上，介紹了一種BIM6D技術(shù)。張紅梅等［4］采用Tekla Structures和Auto Cad，分析了高層鋼結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程和方法。許偉江等［5］以某醫(yī)院工程為例，采用Tekla Structures建立三維模型，對該項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。Ma等［6］利用Tekla Structures軟件、API接口和Revit進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換研究，總結(jié)了一種更為高效的方法。許亞磊等［7］利用Tekla Structures和Revit，分析了通過IFC進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換時(shí)的準(zhǔn)確性。

綜上所述，目前的研究主要集中在一些應(yīng)用技術(shù)方面，而關(guān)于精細(xì)化三維仿真模擬技術(shù)的研究相對較少。本研究以鄭州市某裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程為例，基于Tekla Structures平臺(tái)進(jìn)行三維仿真模擬。研究成果對加強(qiáng)現(xiàn)場施工管理、提升現(xiàn)場施工效率具有一定的積極作用。

1 工程概況及施工難點(diǎn)

1.1 工程概況

鄭州市某裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程所在場地地形較為平整，交通較為便利。該鋼結(jié)構(gòu)廠房車間全長363 m，寬度為258 m，車間建筑高度為19.2 m，工程鋼材總用量約為11 000 t。其中，主鋼架包括框架柱、管桁架、附加梁及屋頂鋼架，鋼材選用Q355B鋼。而冷彎墻皮、屋面檁條選用Q355鋼。墻架柱鋼材選用Q235B熱軋H型鋼，支撐、系桿等次要構(gòu)件選用Q235B鋼，桁架上下弦采用軋制H型鋼。屋面采用Z型鋼，墻皮采用C型鋼。

該鋼結(jié)構(gòu)廠房施工工藝復(fù)雜，施工難度較大。其中，箱形柱最長為16 130 mm，最大重量為10 t（長度為12 330 mm）。桁架最長為28 m，平均重量約為6.5 t，最大重量為33 t。

1.2 施工難點(diǎn)

1.2.1 焊接工藝復(fù)雜。該工程主要采用箱型鋼柱、H型鋼、管桁架和H型鋼梁等構(gòu)件。主要涉及鋼板的焊接工藝，并且要求復(fù)雜。因此必須從材料采購開始，確保材料滿足相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2.2 構(gòu)件尺寸及加工精度高。由于鋼構(gòu)件之間全部為栓接，并且主要構(gòu)件之間為高強(qiáng)螺栓連接。因此，高強(qiáng)螺栓的制孔精確度是本工程的重點(diǎn)，也是施工難點(diǎn)。針對施工難點(diǎn)，要確保高強(qiáng)螺栓孔位精度以及一次性穿孔率能夠達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2.3 各單位的協(xié)調(diào)工作復(fù)雜。該工程涉及的構(gòu)件型號(hào)復(fù)雜且繁多，并且截面尺寸復(fù)雜。這就需要對加工圖進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，并且在制作、運(yùn)輸和安裝過程中，各單位要相互緊密協(xié)調(diào)、配合，保證鋼構(gòu)件的編號(hào)始終能夠保持一致，避免錯(cuò)用鋼構(gòu)件。

1.2.4 構(gòu)件加工的工藝復(fù)雜。該工程的箱形柱制作工藝比較復(fù)雜，截面尺寸相對較大。其中，最重構(gòu)件約為28 t。屋面結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu)，構(gòu)件截面尺寸最寬為5.8 m，最長為28 m。因此，該工程在鋼構(gòu)件制作和安裝方面的難度較大。

1.2.5 吊裝難度大且工期緊張。該工程吊裝難度大，需要嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行施工，否則極易出現(xiàn)施工差錯(cuò)。由于業(yè)主方的要求，本工程的鋼結(jié)構(gòu)加工制作和安裝工期相對較短，施工工期非常緊張，因此需要采用精細(xì)化管理模式、信息化管理模式，從而提高工程項(xiàng)目管理的效率［8-9］。

2 建立精細(xì)化三維仿真模型

2.1 選取仿真平臺(tái)

該工程施工工藝復(fù)雜、施工精度要求較高。因此，在施工過程中決定采用精細(xì)化、信息化的施工技術(shù)。目前在裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程中，相關(guān)的仿真軟件主要有Tekla、Autodesk、Bentey、PKPM等。其中，Tekla Structures的應(yīng)用更為廣泛。該工程基于以往的工程經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)際情況，最終決定采用Tekla Structures20.0軟件為主要操作平臺(tái)。

2.2 建立精細(xì)化仿真模型

本研究依據(jù)該鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)圖紙，采用Tekla Structures20.0進(jìn)行精細(xì)化三維仿真建模。建模詳細(xì)過程如下：首先是新建工程，創(chuàng)建工程項(xiàng)目的軸網(wǎng)和軸線。在軸線、軸網(wǎng)創(chuàng)建完成之后，再創(chuàng)建平面視圖，定義相應(yīng)的視圖名稱和設(shè)置。其次，進(jìn)行鋼構(gòu)件的創(chuàng)建和繪制，主要涉及鋼柱、鋼梁、檁條、系桿等構(gòu)件。當(dāng)構(gòu)件創(chuàng)建和繪制完成后，需要對構(gòu)件之間進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建。Tekla節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中有大量默認(rèn)節(jié)點(diǎn)，可以滿足一般工程的使用，針對于一些復(fù)雜工程的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，則需要進(jìn)行自定義節(jié)點(diǎn)，繪制符合實(shí)際情況的節(jié)點(diǎn)模型。定義螺栓和焊縫時(shí)需要選擇和輸入螺栓或者焊縫的具體參數(shù)。最終創(chuàng)建的精細(xì)化三維仿真模型如圖1所示。

3 基于Tekla Structures的三維仿真模擬分析

首先進(jìn)行碰撞校核分析。Tekla Structures碰撞校核和碰撞檢查設(shè)置如圖2所示。

在三維模型碰撞檢查分析過程中，發(fā)現(xiàn)一處鋼梁的加勁肋與水平支撐發(fā)生碰撞。此處節(jié)點(diǎn)相對較為隱蔽，在CAD平面圖中不易被設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)。針對此問題，利用Tekla Structures20.0手動(dòng)調(diào)整鋼梁加勁肋的位置。本研究通過碰撞檢查校核，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量問題，并對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，保證了工期進(jìn)度。

本研究以鋼結(jié)構(gòu)桁架吊裝施工為例，基于Tekla Structures平臺(tái)進(jìn)行精細(xì)化三維仿真模擬分析。通過三維仿真模擬，確保施工的精細(xì)化和準(zhǔn)確度，可為現(xiàn)場的精細(xì)化施工提供參考依據(jù)。利用Tekla Structures對屋面桁架的吊裝進(jìn)行分析，同時(shí)利用三維可視化進(jìn)行技術(shù)交底，確?，F(xiàn)場施工人員能夠正確施工。

屋面桁架的具體施工順序?yàn)榈孛娴踯嚨仍O(shè)備就位—設(shè)備檢驗(yàn)—現(xiàn)場開始吊裝—柱頭連接—次桁架安裝—現(xiàn)場檢驗(yàn)—上下水平支撐—現(xiàn)場校正檢驗(yàn)—固定安裝—現(xiàn)場涂裝—現(xiàn)場檢驗(yàn)。在現(xiàn)場吊裝時(shí)，采用單榀桁架進(jìn)行整體吊裝。

第一榀主桁架的施工吊裝模擬具體三維仿真模型如圖3所示。施工注意事項(xiàng)如下：在吊裝施工之前，施工人員需要將井子架設(shè)置在鋼柱處，并且綁扎牢固。吊車操作人員經(jīng)確認(rèn)無誤后方可進(jìn)行緩慢吊裝，并且需要確保桁架中心對準(zhǔn)安裝位置中心。在吊裝時(shí)，須注意綁扎點(diǎn)用軟材料進(jìn)行墊襯，防止鋼構(gòu)件的磨損。起吊過程中，施工人員需要拉緊端頭兩個(gè)方向的穩(wěn)定纜繩，防止屋面桁架側(cè)向晃動(dòng)。臨時(shí)固定施工時(shí)，應(yīng)將主桁架的螺栓孔按照規(guī)范要求對準(zhǔn)鋼柱的連接板螺栓孔。

在第一榀主桁架安裝完成時(shí)，確認(rèn)固定后方可進(jìn)行摘鉤。第二榀主桁架仍然按照同樣的施工方案進(jìn)行施工，具體三維仿真模型如圖4所示。在施工模擬時(shí)需要精細(xì)到鋼構(gòu)件的具體位置、螺栓孔的安裝位置等，從而確保精細(xì)化施工。吊裝施工注意事項(xiàng)與第一榀主桁架相同。采用同樣的施工方法進(jìn)行第三榀主桁架的吊裝，具體三維仿真模型如圖5所示。

將次桁架進(jìn)行吊裝和安裝，三維仿真模型如圖6所示。最后進(jìn)行“封口”施工，即對第四榀主桁架進(jìn)行吊裝，三維仿真模型如圖7所示。通過三維仿真施工模擬，確定了該工程的屋面桁架施工方案精準(zhǔn)可行。

其余復(fù)雜部位的施工方案、吊裝方案均可進(jìn)行三維仿真施工模擬。利用Tekla Structures平臺(tái)進(jìn)行精細(xì)化施工模擬，確保了施工的可行性和精細(xì)化。經(jīng)過三維模擬分析、三維模擬展示、三維技術(shù)交底，確保現(xiàn)場施工人員能夠精準(zhǔn)、快速施工。針對該工程施工復(fù)雜、施工難度大等問題，采用Tekla Structures精細(xì)化施工技術(shù)能夠在一定程度上保證施工質(zhì)量，大大提高了現(xiàn)場施工效率。

4 結(jié)論

本研究以鄭州市某裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程為例，通過采取三維仿真模擬研究，優(yōu)化了原設(shè)計(jì)方案、確保工程項(xiàng)目的施工精準(zhǔn)可行。利用Tekla Structures進(jìn)行精細(xì)化三維仿真模擬，對第一榀～第四榀主桁架、次桁架的施工全過程進(jìn)行模擬分析。并利用Tekla Structures內(nèi)置的三維碰撞分析模塊，對加勁肋與水平支撐的碰撞問題進(jìn)行優(yōu)化。研究表明，利用Tekla Structures進(jìn)行三維仿真模擬分析，能夠保證施工質(zhì)量，提高施工效率。研究成果可為類似復(fù)雜的裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程施工提供一定參考。

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