李銀發(fā)，劉蘭蘭，望 毅，陳青紅

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430060)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)在水運(yùn)工程中的發(fā)展，已取得了一定的應(yīng)用研究成果[1]，包括建立基于BIM的協(xié)同設(shè)計平臺，研發(fā)出BIM方式的成套專業(yè)軟件技術(shù)，初步完成水運(yùn)工程行業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)的制定等，但隨著BIM技術(shù)在水運(yùn)工程設(shè)計中不斷深入應(yīng)用，對BIM模型的建模深度要求也隨之增加。港口工程中含有大量的鋼筋混凝土構(gòu)件，其構(gòu)造復(fù)雜多變，鋼筋種類繁多，且受BIM軟件自身功能的限制，導(dǎo)致三維鋼筋模型的創(chuàng)建性價比低下，阻礙了水運(yùn)工程BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用。

目前，水運(yùn)工程BIM鋼筋技術(shù)相關(guān)的研究成果較少。熊潤東等[2]以港口工程中高樁碼頭結(jié)構(gòu)中最常見的引橋橫梁為例，介紹BIM鋼筋建模技術(shù)的應(yīng)用。尹碩等[3]以標(biāo)準(zhǔn)桶單元為例，對桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行BIM 配筋設(shè)計應(yīng)用方法的研究，建立桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BIM鋼筋模型，并分析BIM技術(shù)應(yīng)用于配筋設(shè)計相較于二維設(shè)計模式的優(yōu)勢。目前的研究成果主要集中在鋼筋模型方面，研究的構(gòu)件種類單一且深度不夠，達(dá)不到設(shè)計階段基于鋼筋模型的成果交付要求。因此，本文將研究對象和研究深度進(jìn)一步擴(kuò)大，對高樁梁板式碼頭進(jìn)行構(gòu)件級的鋼筋建模、出圖及計量、參數(shù)化設(shè)計、模型交付等方面的研究，為設(shè)計階段基于鋼筋模型的成果交付提出一個解決方案，為施工階段基于BIM模型的深入應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 總體技術(shù)路線

設(shè)計階段鋼筋BIM技術(shù)主要包括模型創(chuàng)建、鋼筋布置優(yōu)化、出圖及計量、模型交付等方面的技術(shù)。鑒于當(dāng)前BIM軟件尚不支持項目級鋼筋模型的創(chuàng)建，具體的原因，暢永奇[4]從軟件顯示3D模型原理的角度剖析了這個問題。因而本文提出一種新的應(yīng)用思路，即只搭建構(gòu)件級的鋼筋模型，將整個項目的鋼筋模型拆分為構(gòu)件級的鋼筋模型即單個構(gòu)件及構(gòu)件間節(jié)點(diǎn)鋼筋模型(圖1)，以類似于Revit[5]族庫的方式創(chuàng)建參數(shù)化的帶鋼筋的構(gòu)件模型，并形成構(gòu)件鋼筋模型庫，便于后期以搭積木的方式在項目中進(jìn)行應(yīng)用。按上述思路，高樁梁板式碼頭項目鋼筋模型可以拆分為樁基、橫梁、前邊梁、軌道梁、縱梁、后邊梁、系靠船梁等構(gòu)件鋼筋模型以及縱向梁系節(jié)點(diǎn)、樁基與上部結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)等節(jié)點(diǎn)鋼筋模型。由此，鋼筋BIM技術(shù)的研究重心轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)件級的鋼筋技術(shù)研究。

本文通過收集、整理現(xiàn)有港口工程典型構(gòu)件的施工圖，歸納分析得到鋼筋種類、鋼筋布置規(guī)律、鋼筋彎鉤類型等內(nèi)容，再利用Revit軟件進(jìn)行構(gòu)件鋼筋模型的創(chuàng)建，直接從鋼筋模型中抽取二維施工圖紙、計算工程量，并對構(gòu)件鋼筋模型及圖紙、工程量進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，實現(xiàn)了鋼筋模型的交付，獲得模型及施工圖。

2 BIM鋼筋技術(shù)

2.1 構(gòu)件級鋼筋模型創(chuàng)建

構(gòu)件級鋼筋模型是指在三維BIM軟件中進(jìn)行鋼筋設(shè)計，集成了構(gòu)件模型(或節(jié)點(diǎn)模型)和鋼筋模型，直觀地反映構(gòu)件鋼筋的真實情況。

2.1.1鋼筋模型創(chuàng)建存在的問題

Revit綜合性能較強(qiáng)，提供涵蓋建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣、控制、通信等多專業(yè)的協(xié)同建模功能，擁有較強(qiáng)的鋼筋建模功能，提供基本的平面鋼筋、多平面(即三維)鋼筋布置功能，但由于其源自建筑行業(yè)，在港口工程應(yīng)用中存在著天然的不適應(yīng)性，主要體現(xiàn)在以下方面：

1)鋼筋種類較少。缺乏預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼束、異型螺旋鋼筋、抗扭箍筋等港口工程中常見的鋼筋類型。

2)鋼筋的彎鉤種類較少且不符合港口工程相關(guān)規(guī)范要求。

3)部分便利的鋼筋布置功能只適用于建筑構(gòu)件。如區(qū)域鋼筋、路徑鋼筋、鋼筋網(wǎng)等功能只能用于建筑的結(jié)構(gòu)樓板、墻對象，而對港口工程中常用的構(gòu)件對象則不適用。

由于軟件存在上述方面的缺陷，給港口工程構(gòu)件鋼筋模型的創(chuàng)建帶來很大的困難，導(dǎo)致建模效率非常低下。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在Revit軟件里，鋼筋由鋼筋規(guī)格、鋼筋形狀、鋼筋彎鉤等部分來定義，不同的組合可以定義成不同的鋼筋，這種方式具有很強(qiáng)的靈活性，為改造成適用于港口工程的鋼筋對象提供了基礎(chǔ)。

2.1.2鋼筋模型創(chuàng)建主要內(nèi)容

鋼筋模型的創(chuàng)建主要包括制作或載入混凝土構(gòu)件對象、設(shè)置保護(hù)層厚度、定制合適的鋼筋彎鉤、制作或載入鋼筋形狀族、放置并調(diào)整鋼筋等內(nèi)容，本文主要論述后面幾個重點(diǎn)內(nèi)容。

1)定制合適的鋼筋彎鉤。鋼筋彎鉤參照《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》[6]進(jìn)行定制，主要包括彎弧內(nèi)徑、平直長度的設(shè)置，常用鋼筋彎鉤的參數(shù)見表1。

表1 常用彎鉤參數(shù)

注：d為鋼筋直徑;[]內(nèi)為用于抗震箍筋時的取值。

2)鋼筋形狀族制作。采用定制+替代相結(jié)合的方式，對符合要求的鋼筋種類直接利用，對沒有的鋼筋種類進(jìn)行補(bǔ)充創(chuàng)建，對于利用軟件自帶鋼筋無法創(chuàng)建的鋼筋采用自定義的非鋼筋對象進(jìn)行替代，從而補(bǔ)充了軟件的功能缺陷，實現(xiàn)港口工程高樁梁板式碼頭中各種鋼筋對象的創(chuàng)建。

根據(jù)應(yīng)用需求，本文創(chuàng)建了多種自定義鋼筋對象，如預(yù)應(yīng)力鋼束、吊環(huán)、異型螺旋鋼筋等，見圖2。

圖2 自定義的鋼筋對象

3)放置并調(diào)整鋼筋。在構(gòu)件的剖切視圖中放置鋼筋，并調(diào)整鋼筋的尺寸參數(shù)、布置位置，使之符合構(gòu)件鋼筋的設(shè)計要求。由于三維鋼筋表達(dá)出了鋼筋的直徑大小，同一斷面的多種箍筋如果按照傳統(tǒng)設(shè)計圖紙方式布置將產(chǎn)生重疊碰撞。這里為進(jìn)一步優(yōu)化鋼筋布置，在鋼筋模型創(chuàng)建時，考慮鋼筋間的碰撞問題，將鋼筋進(jìn)行錯位布置(圖3)，真實地表達(dá)出鋼筋的實際布置。

圖3 矩形軌道梁鋼筋模型

2.2 出圖及計量

2.2.1BIM出圖方式的特點(diǎn)

目前，港口工程設(shè)計階段鋼筋混凝土構(gòu)件的施工圖仍采用模板圖加鋼筋圖的組合表達(dá)法，并以二維線條、標(biāo)注、標(biāo)記、文字等元素的形式進(jìn)行體現(xiàn)。傳統(tǒng)的二維鋼筋圖一般采用簡化畫法，忽略了細(xì)節(jié)部分，且圖元缺乏具體的含義，圖面元素與信息是相互隔離開的，不能實現(xiàn)關(guān)聯(lián)修改，在對某一圖元修改的同時需要手動完成相應(yīng)信息的修改，工作量大，且容易出現(xiàn)錯漏。BIM技術(shù)具有三維可視化、數(shù)據(jù)聯(lián)動性、信息管理及協(xié)同工作等特性，從鋼筋模型直接抽取鋼筋圖(圖4)，具有以下優(yōu)勢：

1)圖紙與三維鋼筋模型直接關(guān)聯(lián)，三維模型的變化將準(zhǔn)確無誤地傳遞到圖紙中，并即時更新。

2)鋼筋尺寸和定位更準(zhǔn)確、計量精度更高。三維鋼筋模型能將鋼筋直徑、轉(zhuǎn)彎半徑、彎鉤等細(xì)節(jié)一一展現(xiàn)出來，與真實模型無異，可以直接指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3)由于圖紙與模型關(guān)聯(lián)，圖紙中的圖元都具有具體的含義，在選擇圖元對象時能直接顯示其屬性信息。

4)表達(dá)形式更豐富，識圖更容易。BIM出圖方式中，不同的材質(zhì)顏色、不同的詳細(xì)程度可以表達(dá)出更豐富的設(shè)計內(nèi)容，且擁有傳統(tǒng)二維不具備的三維視圖創(chuàng)建功能，允許任意的三維視角展示，能更直觀地表達(dá)設(shè)計意圖。

5)可以進(jìn)行鋼筋之間、鋼筋與其他構(gòu)件的碰撞檢查，優(yōu)化鋼筋布置。

圖4 平臺橫梁配筋斷面(單位：mm)

2.2.2鋼筋出圖主要內(nèi)容

采用直接從鋼筋模型中抽取得到各種二維視圖，并通過定制一系列的標(biāo)注、標(biāo)記等符號樣式使其滿足港口工程規(guī)范的要求。鋼筋出圖主要包括各種視圖創(chuàng)建、鋼筋大樣創(chuàng)建、材料表創(chuàng)建、圖框及說明文字填寫等內(nèi)容。

1)視圖創(chuàng)建。視圖類型主要有平面、立面、剖面、詳圖視圖、三維視圖等，每個視圖又包括模型線條、尺寸標(biāo)注、注釋標(biāo)記、文字、輔助線、視圖標(biāo)題等圖元。模型線條是視圖的主體圖元，是直接從鋼筋三維模型中抽取并根據(jù)表達(dá)的需要隱藏不必要的部分而得到的，其他的尺寸標(biāo)注、注釋標(biāo)記、文字等圖元都是基于模型線條的輔助表達(dá)元素。視圖的視覺效果可以通過調(diào)整模型的詳細(xì)程度、著色模式來滿足不同的應(yīng)用需求,如圖5所示。

2)鋼筋大樣創(chuàng)建。傳統(tǒng)的港口工程鋼筋混凝土構(gòu)件鋼筋大樣一般采用簡圖的方式進(jìn)行表達(dá)，即以示意線條表達(dá)鋼筋的幾何形狀、其他的標(biāo)識信息如各段長度、轉(zhuǎn)角等標(biāo)注在鋼筋的側(cè)面。這種方式不但將鋼筋大樣與模型中的三維鋼筋對象隔離開，且具有不直觀、不真實、鋼筋長度計算不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。采用BIM技術(shù)后，真實的三維鋼筋對象將被創(chuàng)建，能準(zhǔn)確表達(dá)鋼筋的直徑大小、轉(zhuǎn)彎半徑、彎鉤等細(xì)節(jié)部分。本文采用一種直接從模型中抽取，以合適的視圖為基礎(chǔ)進(jìn)行標(biāo)注、標(biāo)記得到鋼筋大樣的方法,如圖6所示。該方法表達(dá)出的鋼筋形狀及屬性信息與模型始終保持關(guān)聯(lián)，標(biāo)注及標(biāo)識信息也能隨著模型的改變而即時更新，很好地適應(yīng)了項目的變更需求。

圖5 前邊梁配筋斷面(單位：mm)

圖6 鋼筋大樣(單位：mm)

3)材料表創(chuàng)建。當(dāng)所有的鋼筋對象被準(zhǔn)確地創(chuàng)建后，充分利用軟件的工程量自動統(tǒng)計功能，就可按照規(guī)定的格式快速地創(chuàng)建鋼筋材料表(表2)。傳統(tǒng)二維方式往往采用人工手動統(tǒng)計，過程繁雜、耗時長、計量不精確且容易出現(xiàn)錯漏。BIM技術(shù)能充分利用計算機(jī)的優(yōu)勢，快速識別鋼筋模型對象及相關(guān)屬性，并進(jìn)行匯總統(tǒng)計，大幅提高了工作效率。此外，可以統(tǒng)計出更多的信息內(nèi)容，如傳統(tǒng)圖紙常忽視的鋼筋質(zhì)量信息。

鋼筋混凝土構(gòu)件混凝土工程量計算時，傳統(tǒng)二維方式一般不扣除埋入體內(nèi)的鋼筋及小型挖孔(如通氣孔)的體積。采用BIM技術(shù)后，由于鋼筋及挖孔模型都被精確地創(chuàng)建了出來，為進(jìn)一步精確計算構(gòu)件的混凝土工程量提供基礎(chǔ)，可得到扣除后的混凝土工程量。

表2 單根梁材料表

注：C30混凝土工程量為4.67 m3。

2.3 參數(shù)化設(shè)計

為了適應(yīng)不同的項目應(yīng)用需求，進(jìn)一步提高建模、繪圖效率，研究出一種以交互式創(chuàng)建的模型與圖紙為基礎(chǔ)，采用Revit API[7]技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化的設(shè)計方法。Revit API建立在Revit軟件基礎(chǔ)之上，用戶可以基于它來擴(kuò)展和增強(qiáng)Revit功能和應(yīng)用。本文通過二次開發(fā)實現(xiàn)了用戶只須輸入對應(yīng)構(gòu)件所需的構(gòu)件尺寸、鋼筋類型、尺寸、布置信息(圖7)即可一鍵得到相應(yīng)的鋼筋模型與圖紙。

圖7 參數(shù)化用戶界面

參數(shù)化功能具有以下特點(diǎn)：

1)構(gòu)件參數(shù)化，構(gòu)件尺寸隨長度、高度、寬度等參數(shù)的更改而自動更新(圖8)。

圖8 后邊梁高度、寬度改變前后模型變化(單位：mm)

2)鋼筋的規(guī)格、尺寸、布置隨構(gòu)件尺寸參數(shù)及給定的鋼筋自身參數(shù)的更改而自動更新。

3)尺寸標(biāo)注、鋼筋標(biāo)注及對象標(biāo)記等圖元會隨著變化自動更新。

4)圖紙與三維模型直接關(guān)聯(lián)更新。當(dāng)三維鋼筋模型發(fā)生改變時，圖紙中的各個視圖、鋼筋大樣、材料表自動完成更新，以保證兩者的一致性。

2.4 模型交付

鋼筋模型的交付，應(yīng)符合開放的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，能與其他相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。IFC(industry foundation classes)作為一種開放性的數(shù)據(jù)格式，可以解決不同軟件平臺、不同項目參與方數(shù)據(jù)共享共用的問題。Revit軟件通過了 BuildingSMART 關(guān)于IFC 輸入或IFC 輸出的官方認(rèn)證，其導(dǎo)出的IFC文件保留了原有的幾何及非幾何信息，可以達(dá)到有效傳遞的要求(圖9)。將Revit構(gòu)件三維鋼筋模型轉(zhuǎn)化為IFC格式文件，無疑成為交付方式的一個合適選擇，可為下游的項目應(yīng)用提供源數(shù)據(jù)。

圖9 轉(zhuǎn)換后的IFC系靠船梁鋼筋模型透視圖界面

3 工程應(yīng)用

某多用途碼頭工程建設(shè)1個4萬DWT件雜泊位和2個5萬DWT散貨泊位，內(nèi)容包括碼頭平臺、引橋和變電所平臺。碼頭長808 m、寬37 m，為高樁梁板結(jié)構(gòu)，選取該工程的預(yù)制T形縱梁構(gòu)件，該梁長度6.1 m、高度1.6 m、寬度0.5 m，翼緣寬度、高度和加腋高度均為0.2 mm。按照輸入?yún)?shù)的方式，直接生成三維鋼筋模型及關(guān)聯(lián)的二維施工圖紙，見圖10～12，材料表見表3、4。

圖10 三維鋼筋模型透視圖

圖11 鋼筋布置(單位：mm)

圖12 鋼筋大樣(單位：mm)

表3 單根梁材料表1

表4 單根梁材料表2

注：混凝土用量為5.61 m3。

從生成的結(jié)果可以看出，創(chuàng)建的三維鋼筋模型真實地反映了構(gòu)件鋼筋實際布置，能準(zhǔn)確地表達(dá)鋼筋直徑、轉(zhuǎn)彎半徑、彎鉤等細(xì)節(jié)部分，可以直接指導(dǎo)現(xiàn)場施工。從鋼筋模型中直接抽取得到的施工圖紙，符合水運(yùn)工程規(guī)范要求，可以替代原來的二維圖紙。同時，可以創(chuàng)建傳統(tǒng)二維不具備的三維視圖，更直觀地表達(dá)設(shè)計意圖，生成的三維鋼筋模型可直接導(dǎo)出為IFC文件進(jìn)行模型交付。

4 結(jié)語

1)經(jīng)工程應(yīng)用表明，從鋼筋模型中抽取得到的施工圖紙，符合相關(guān)規(guī)范要求，且表達(dá)方式較傳統(tǒng)方式更加豐富、計量精度更高，更有益于表達(dá)設(shè)計意圖。

2)參數(shù)化設(shè)計可以有效提高鋼筋模型建模及出圖效率，減輕設(shè)計人員的工作量。

3)基于IFC格式文件，可以實現(xiàn)鋼筋模型的交付。