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古城墙 BIM 信息技术与数字建造技术研究
联泰科技 2023-02-20 浏览:0

  作者:

  刘贵富,张驰骋,梁家瑜,乔亚伟,彭清松

  摘要:

  将 BIM 信息技术、数字信息化平台运用到古城墙的建造过程中,通过 BIM 模型建造、碰撞检查调整以及通过模型进行三维解图,保证了每块城墙石材几何尺寸的精确性。石材大约 3 万块按照分层、分块逐次编号,通过数字信息平台分段下单,石材加工厂按编号加工生产运输到现场,现场对应编号依次安装。从设计、加工、验收、安装通过平台能够信息交流,减少过程返工,节约施工工期,保证加工厂的生产质量的目的。该技术运用于预制构件生产、钢结构加工等工程领域。

  关键词:

  古城墙 ;BIM 技术 ;数字建造 ;C8BIM 平台

  古城墙建造采用本地青砂岩和钢筋混凝土背墙耦合而成,构造柱圈梁在石材背面纵横交错,导致石材类型多达上千种,而且石材的体积质量从 0.2 t 到 12.5 t 不等,加工工序多达 16 道。如果几何尺寸、构造柱定位出现错误,那将损失严重。为了提升加工精准度、保证加工质量、加快施工进度,项目人员使用建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术,通过模型的可视化,工程中遇到的问题能够在模型中展现,模型的精确程度越高,能应用的程度就越高[1]。结合采用信息化平台,通过电脑终端和手机移动端配合,实现数据处理、信息收集、流程动态管控、数字建造等目标。

  01、数字建造介绍

  城墙石材数量庞大,种类繁多,排布错综复杂。从设计、生产、运输、安装,环环相扣,大量的信息搭载,如果采用传统的方式挨个处理,需要数十个专业的管理人员对各个关口进行把控检查,耗费时间久和管理协调难度大。通过 BIM 的高精度建模,每块砖都搭载了砖的编号、长宽高、弧度、开洞等信息,通过将 BIM 正向设计引入本工程中,通过前期多花时间,达到后期节省时间,提高效率的目的[2]。将模型上传至 C8BIM 平台,通过设置流程,将每块石材定义为 5 个状态,分别是未加工、加工、验收、运输、安装。通过利用 C8BIM 平台物料管理来控制加工质量,掌握加工的进度,施工现场根据模型和相关的编号可以快速地确定石材的所在位置,实现数字模拟与数字建造的功能[3]。

  从数字设计到数字建造,模块化的构件越来越丰富,数字技术在建筑中的应用越来越广泛[4]。数字建造是数字技术与工程建造相融合形成的工程建造创新发展的一种模式。利用现代信息技术,通过规范化参数建模、可视化认知、高性能计算,实现数字链驱动下的工程项目生产、现场施工的一体化协同,进而促进工程价值链提升和产业变革,其目标是为用户提供以人为本、绿色可持续的智能化建筑产品。数字建造所带来的不仅是建造技术的提升,更是经营理念的转变、建造方式的变革、企业发展的转型以及产业生态的重塑[5]。

  02、工程重难点

  城墙分为直线段和曲线段,砖沿着城墙长度方向间距 2.4 m 设置一根构造柱,纵向间距 2.4 m 设置一根圈梁。为了加强石材与钢筋混凝土的拉结,构造柱和圈梁为中国古代榫卯结构的形式。城墙顶部为箭垛,为了增强箭垛自身稳定性,采用直径为 25 mm 的钢筋竖向穿过顶部 7 层石材,箭垛一圈还预留出景观灯控、灯杆、管线的预留通道等,对石材的加工精度要求控制在 ±5 mm。城墙曲线段的圆弧半径为 21.5 m,为保证石材拼装效果,曲线段石材加工时内外弧线误差控制在 ±5 mm,整个弧形极差控制在 ±10 mm。

  BIM 软件对于建模过程中发现,双曲面的放样、剪切的过程中存在显示的局限性,模型对于曲面细小的节点参数化模块有一定的局限性,曲面石材与石材拼装过程有一定的贴合度,石材曲面建模的角度计算要精准。数字平台搭载信息的处理流程,要包含各个管理部门,能展示关键的参数,可以统一分批量进行审批处理,保证快速高效地处理流程。后台的数量统计分析,可以根据模型的砖块状态,分别统计出每个状态的数量,并生成有比例图表供大家数据分析。

  03、施工工艺流程

  3.1 BIM 信息技术应用

  BIM 技术在建筑行业当中,是非常常用的一种新型技术[6]。BIM 技术的主要工作是集中管理并分析工程项目当中的所有信息,而后对信息进行整理,使之能够汇总到一个统一的数据模型库当中,同时由有关的技术人员通过虚拟化的方式对数据库当中的信息进行模拟,从而得到一个三维模型。这个三维模型虽然是虚拟出来的,但是却能够实现可视化的效果[7]。通过这个可视化的三维模型,可以帮助建筑设计师以及工程管理人员更好地加以分析,便于后期的管理,使得建筑工程各个环节的风险都能够降到最低,保障建筑项目能够实现相应的检测标准[8]。

  BIM 建模,根据城墙石材分布进行模型绘制,将 CAD 图中轴网导入 BIM 里面,先绘制外墙石材,建立参数化族能重复利用砖块类型[9]。从第一层往上绘制并逐块对石材进行编号。绘制背墙与圈梁构造柱,然后进行石材与背墙的剪切,石材背后形成预留构造柱圈梁口,进行石材与吊脚楼、照明等位置的深化调整,对钢梁预埋件位置、灯具位置开洞进一步深化[10],对门洞位置布局不合理、不美观的进行尺寸调整。

  3.2 Revit 软件参数化研发

  根据 BIM 模型进行参数化研发,项目联合局工程院进行代码编制,形成城墙砖绘制、自动编号、城墙背墙一键剪切,城墙五视图出图等插件,方便快捷地解决了城墙砖绘制三视图的难题,提高了出图效率接近 10 倍的速度。

  3.2.1 Revit 砖块的参数化

  想要实现砖块与内墙构造柱圈梁的剖切,有两个方案。方案一是连接方案,依靠砖块与构造柱圈梁的连接关系来形成剖切模型,但是由于 Revit 软件的机制,连接需要消耗大量程序资源,不管是速度上还是模型大小上,都难以接受,甚至有的砖块因某种原因无法与构造柱圈梁发生连接,只能实现一部分的结果。所以采用了第二种方案,也就是参数化砖块族方案,通过参数驱动模型。

  石材砖块由于要和背墙上的构造柱与圈梁发生剪切,所以砖块在支持长宽高参数的尺寸修改的基础上,在上下左右设置了一个空心剖切,并将偏移值默认值改为 2 000 mm。由于圈梁和构造柱的尺寸并非一致,所以这里采用了更加详细的参数控制。

  在弧线段墙体上,采用了基于弧线的放样来代替拉伸砖块主体。砖块的弧长主要由角度来控制,并设置角度与长度的计算公式,从外部操作砖块的时候,是不需要计算砖块角度的,只需要与普通砖块一样控制长宽高即可。这也代表了一种职责分离的程序设计精神,其他模块不需要了解弧线砖块内部的计算逻辑,即可实现砖块的精确参数控制。

  3.2.2 模型五视图出图

  Revit 为图纸文件的数据结构,Revit 图纸是 ViewSheet,在 ViewSheet 中可以加载 Viewport,Viewport 有其影响范围框,同时 Viewport 连接这模型视图,可以是三维视图、平面图、剖面图等。也就是说,Viewport 是连接图纸与视图的关键纽带。

  当 Viewport 载入到 ViewSheet 图纸中来的时候,就算视图中将其他所有构件隐藏了,都会导致同一个结果,也就是 Viewport 的视口大小受砖块的 BoundingBox 所占的范围影响。并且每一块砖由于相关的圈梁与构造柱的位置不同,其空心拉伸所处在的位置也是不同的。这就导致视口放置进来后,位置是存在偏移的,本研究的目标是将砖块放在下图的“目标中心”位置,直接这样放置会导致得不到想要的结果。此处采用换算算法,通过计算横竖方向的槽的偏移,计算视口所代表的包围盒的实际覆盖范围,并加以位移,移动到实际中心即可,5 个视图都要进行不同程度的位移才能达到目的。

  尤其是三维前后视图比较复杂,竖槽 1 和 2 的偏移不能直接代表包围盒的大小要乘以旋转的角度,也就是 cos60°才能进行换算。

  另外,还要在每个视图下标上视图的名称,如顶视图,左视图等。通过 Block 格子的 Min 点与 Max 点获取了所有视图的相对位置,并在相对位置向下偏移 0.1×格子高度的距离放置文字标注。文字标注还有一个难点,文字标注在 Revit 叫做 TextNote,其锚点在左上角,虽然知道想要把文字放到什么样的位置,但是它通常会把左上角的点与我提供的坐标进行重合,所以必须了解所有文字格子的宽度和高度并在提供点之前进行坐标换算,才能将绘制标注准确。

  3.3 C8BIM 信息平台

  通过上传 BIM 模型在 C8BIM 平台,在物料跟踪章节进行管理,首先进行流程表单设计,对石材设置 5 个状态,分别是未加工、加工、验收、运输、安装,根据运输车辆的载重,一车的运输量划分为一个单元,为一个生产加工批次编号。

  工厂按编号进行石材加工处理,在此过程中,工厂的管理人员对石材的尺寸进行复核,可以根据手机移动端口,点击该块石材编号就可以显示石材的尺寸信息,根据五视图尺寸确认无误后,上传石材加工照片并提交流程,管理人员对照片再次核对与验收,验收不合格则该石材重新检查和再次加工处理,如果验收合格后提交流程,对石材进行包装与成品保护出厂。

  石材来到第 4 个状态运输,运输上车过程做好防碰撞,防倾倒的安全措施,并在吊装过程要调整好石材之间的安全间隔。运输至现场卸货之前,邀请设计、监理、业主进行进场验收,确保石材的加工质量满足规范要求,验收合格后才能进行安装。安装时利用手机移动端,能块速地搜索石材编号,在模型中快速找到石材的定位于几何尺寸参数。

  通过 C8BIM 平台的运用,不仅可以进行物料跟踪管理,还可以进行安装过程质量管控。通过手机与电脑终端的配合,提高了管理人员的管理效率,直接暴露各个阶段的问题,能早发现、早解决,避免后期问题累计产生的连锁返工,在质量有效控制的同时,还节约了工期。

  04、结 语

  通过对古城墙 BIM 信息与数字建造技术的研究发现,在信息智能化越来越健全的时代,建筑行业也随之掀起了全新的变革。数字技术让设计与建造更为紧密的融合,体现建筑的多元化。新型建筑将与互联网信息技术融合,同时集成了从规划、设计、施工、运维全生命周期的全过程。通过 BIM 技术为纽带,数字信息在建筑领域的搭载更为全面,BIM 技术将根据建筑的需求赋予其更多的功能与运用,建筑的建造方式也将向数字化、科技化、智能化发展。以数字化建造更好地表达出建筑信息模型的潜在价值和作用,促进建筑信息模型向系统化和功能化的深度发展,为数字化建造搭建更具潜力和发展的平台,为建筑信息模型的数字化建设提供基础[11]。BIM 信息技术与 C8BIM 平台联合使用,使建设和使用增值,数字建造技术将构建新时期高效率、高质量、低造价的建筑新模式。

  参考文献:

  [1] 丁红恩,陈昌帅,刘健.BIM 技术在工程建设领域的应用[J].砖瓦,2020(6):107-108.

  [2] 连珍.数字化建造技术在既有建筑改造过程中的应用[J].建筑施工,2019 (11):2048-2050.

  [3] 杨宝明.数字建造技术应用现状与展望[J].建筑施工,2006 (10):840-844.

  [4] 许昊皓,黄子云.数字建筑:从数字设计到数字建造[J].中外建筑,2012(1):10-14.

  [5] 丁烈云.数字建造的内涵及框架体系[J].施工企业管理,2022(2):86-89.

  [6] 官同强.BIM 技术在建筑工程项目施工中的应用[J].山西建筑,2017,(24):228-229.

  [7] 武江江.谈 BIM 技术在工程项目施工中的应用[J].山西建筑,2018,(16):232-233.

  [8] 魏改艳.略谈 BIM 技术在建设工程项目施工过程中的优势作用[J].科技视界,2017(34):109-110.

  [9] 李想.BIM 技术在施工阶段深化设计中的应用[J].城市建筑,2020(3):122-124.

  [10] 李鹏,白雪,李艳.BIM 技术在深化设计中的应用[J].施工技术,2016(增刊 1):805-807.

  [11] 李建成.建筑信息模型与数字化建造[J].时代建筑学,2012(5):64-67.


  作者:

  刘贵富,1995 年生,本科学历,助理工程师,从事房建及市政工程管理工作,现供职于中建八局第三建设有限公司。

  来源:绿色建筑杂志

 
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