BIM集成技术在2022年杭州亚运会曲棍球场馆数字化建造中的应用.pdf

第 15 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.15 No.3Jun.2023引言BIM 作为连接建筑实体和数字虚体之间的技术纽带和基础，形成了建筑意识世界-数字世界-物理世界三元世界的相互促进、共同进化、共生发展，从而使得建筑业的数字化转型成为了可能1。BIM 集成具有广泛性价值，在 BIM 集成技术支持下，数字建筑相关信息通过 IFC、IDM、IFD 等数据格式，可以在数字建造的各个平台、专业等环节之间不断地映射、复合、迭代、衍生从而创造出各方所需的建造信息2。1 工程概况曲棍球比赛场馆设计灵感源于江南油纸伞，造型新颖，集“赛、健、休”于一体，是一座综合性体育场馆。曲棍球馆拥有 5 000 个座位看台，顶部罩棚曲面左右对称、前高后低，最高点标高为 47m，最低点标高为 24m。膜曲面的水平投影最大长度，前后方向为112m。左右方向为 124m。看台罩棚采用骨架式膜覆盖结构，膜覆盖在一个巨型四角落地的拱网壳结构上，膜材采用 ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）材质编制，轻盈漂柔，如图 1 所示。图 1 曲棍球场馆室内与室外效果图2 BIM 参数化建模 曲棍球馆结构结构设计采用四角落地拱网壳形式。结构布置的曲线网格都是通过控制曲面的上的曲线网格衍生出来的。所以必须采用 BIM 技术进行参数化深化设计与建造。2.1 BIM 参数化建模步骤建筑几何控制系统建模：首先根据曲棍球馆建筑整体的几何控制条件，参数化导出罩棚膜曲面的边缘曲线（膜面的控制曲线），再由控制曲线导出膜控制曲面 KS。其次，建立膜控制面 KS 上的曲线控制网络 KM，利用曲面的法向等距映射得到等距曲面 S【基金项目】浙江省建设科研项目“2020-2022 年度 BIM 技术在杭州亚运会场馆建设全过程可追溯和全生命周期管理中的应用”（项目编号：2020K003）【第一作者】黄轩安(1990-)，男，高级工程师，BIM中心主任，主要研究方向：EPC模式下BIM 技术、建筑装配式技术应用与研究。【通信作者】张群力（1956-），男，高级工程师，技术负责人，主要研究方向：AI、BIM 技术研究与应用。BIM 集成技术在 2022 年杭州亚运会曲棍球场馆数字化建造中的应用黄轩安黄轩安1,21,2 张群力 张群力2 2 方波 方波3 3 史月霞 史月霞2 2 李文 李文3 3（1.同济大学 土木工程学院，上海 2000921；2.浙江新盛建设集团有限公司，杭州 310006；3.浙江中南集团钢构有限公司，杭州 310051）【摘 要】【摘 要】杭州亚运会曲棍球场馆顶部罩棚是一个超大型骨架式膜覆盖结构。膜曲面优美生动、轻盈飘逸，罩棚结构为一个四角落地拱网壳结构。通过应用 BIM 集成技术，实现了该复杂曲面造型的钢网壳结构工程数字化建造，本文介绍了其数字化建造中的参数化设计、数字化制造、智能化测绘辉以及机械化安装等方面内容。【关键词】【关键词】膜结构；BIM 集成技术；数字化建造；参数化【中图分类号】【中图分类号】TU17 【文献标识码】【文献标识码】A 【文章编号】【文章编号】1674-7461(2023)03-0091-07【DOI】【DOI】10.16670/11-5823/tu.2023.03.16 92（结构控制曲面）和等距曲线网格 M（结构控制网格）。从而衍生出网壳中结构圆管中心曲线的拓扑网格。几何模型可根据几何生成逻辑，通过 Rhinoceros/Grasshopper 可视化编程生成3。2.2 膜控制曲线和曲面根据方案设想，前、后两条边缘曲线是由两个直立的圆柱面 RS1 和 RS2 与二个倾斜平面 S1 和 S2 曲面求交后产生，其中 RS1 与 S2 相交得到 L2，RS2 与 S1相交得到 L1。L2 为后方的椭圆曲线，L1 为前方的椭圆曲线，如图 2 所示。图 2 边缘控制曲线膜曲面的边曲缘线是由 L1 和 L2 上的部分曲线段组成的。再由建筑设计要求由控制曲线，如图 3 所示，并构造出直纹曲面（膜控制曲面）KS，如图 4 所示。图 3 油纸伞与直纹曲面图 4 膜控制曲面2.3 罩棚拱网壳在结构控制曲面 S 和结构控制网格 M 上衍生出网壳中布置结构圆管构件所需的中心曲线拓扑网络。2.3.1 三角形拱桁架的建模流程为了避免构件截面过大，主拱结构采用倒三角形管桁架，三角形拱桁架中有三条曲线形弦杆（主杆），其中有两条的定位曲线在结构控制曲面 S 上，另一条在 S 的等距曲面 Sd 上（d 为三角形截面的高），两个三角形管桁架的建模方法相同，流程都分为 3 步：（1）第一步确定结构控制曲面 S 上的两条弦杆定位轴线及其上的控制点。利用选定的圆柱面与 S 曲面相交，可以得到曲面 S 上一条曲线，这条曲线为三角形拱桁架第一条弦杆的控制曲线。将该控制曲线按弧长分段得到点列 ai，在 ai 上利用 S 曲面直母线上设定的欧氏距离（三角形的宽度）得到 S 曲面上点列 bi，点列 bi 用 S 曲面上的测地线连接起来就得到 S 曲面上三角形拱桁架的第二条弦杆控制曲线；（2）第二步确定等距曲面 Sd 上的一条弦杆定位轴线及其上的控制点。在 Sd 曲面上，对同一个 i，ai与 bi 位于同一条直母线上且它们的中点（ai+bi）/2=ci也在该直线上。在点列 ci 上，利用曲面 S 的法线向内方向上量取长度 d，得到点列 di，点列 di 位于曲面 S的法向等距曲面 Sd 上。用空间插值曲线连接 di 后就得到三角形拱桁架的第三条控制曲线；（3）第三步确定三角形拱桁架腹杆的定位轴线。利用点列 ai、bi、di 就可进行三角形截面拱桁架的腹杆布置，腹杆定位轴线采用直线形式。2.4 钢罩棚内部子结构曲棍球场馆罩棚是个非常薄的曲面形双层网壳，一般情况下其内部网格是双向弯曲的，这里却能布置出单向的桁架组，是巧妙利用了直纹曲面是由直线组成的几何特点，S 曲面上的直线本身也是 S 曲面上一条测地线。这里就利用该直线进行桁架布置。由内部子结构和外部主结构组成的钢罩棚，如图 5 所示。图 5 罩棚结构与拱网壳3 Tekla、Midas 深化设计与加工将 Rhino 建筑形体模型导入 AutoCAD 进行数据格式转换，再通过 Midas 进行结构及各工况有限元分析，最后采用 Tekla 进行深化出图。通过 Tekla Structures 完整的电脑虚拟预拼装过程，对全过程工况干扰情况进行了预检查，提前规避了后期项目可预见问题。在深93BIM 集成技术在 2022 年杭州亚运会曲棍球场馆数字化建造中的应用化过程中，钢结构的杆件、节点连接、螺栓焊缝、钢构件和混凝土构件等信息都通过三维实体建模进入整体模型4。加工详图（包括布置图、构件图、零件图等）在软件中进行 2D-CAD 图层设定，软件直接三维转二维导出施工图纸5，如图 6 所示。图 6 Tekla 深化设计3.1 BIM 软件间的数据交互通过 Rhino 进行膜结构空间形体基础模型建模，模型经过 AutoCAD 软件转换导入 Midas 及 Tekla 进行膜结构受力分析及加工图深化，数据交互转换主要格式包括 DWG、DXF 等。3.2 Midas 深化结果复核整体计算分析采用 Midas Gen 有限元计算软件进行，进行以下四个方面的计算：（1）结构静力分析。采取不同的应力比控制指标，以保证对结构安全性比较关键的构件有较大的安全储备7；（2）常遇地震下结构的强度及稳定性计算分析。按照弹性设计控制，地震分析方法为反应谱法；（3）位移分析。荷载以竖向荷载为主，在“1.0恒+1.0 活”组合工况作用下桁架最大挠度为 263mm，桁架跨度约为 120m，263mmL/250=480mm，满足规范要求；（4）特征值分析。Midas 模型模拟了三种结构边界条件，对钢结构与混凝土支座进行了刚接、铰接、弹性连接等进行包络设计。根据 MIDAS 计算所得结构振型和周期，进行曲棍球场“馆罩棚钢结构”的特征值分析计算。振型数为 50 阶，前 3 阶模态特征参数计算结果，如表 1 所示；刚性支座三阶条件下结构前三阶模态，如图 7 所示。表 1 结构前 3 阶模态特征参数模态号频率频率周期备注（rad/sec）（cycle/sec）(sec)13.7290.5931.684图 8 左边24.7350.7531.327图 8 中35.7280.9111.096图 8 右边图 7 刚性支座三阶条件下结构前三阶模态 Midas 吊装工况验算图MIDAS Gen 进行工况验算，对结构构造设计与单元切分进行验证。对吊装过程采用静力结构分析，在对各吊装单元的内力分布分析时，采用将静载荷乘以1.4 倍的动力放大系数，而变形分析仍采用静载荷作用下的变形。Midas分析吊装单元模型强度与变形分析图，如图 8 所示。图 8 Midas 分析吊装单元模型强度与变形分析图通过选用 Midas Gen v8.75 进行结构有限元分析，荷载仅为自重（含节点自重），考虑动荷载系数 1.4，曲棍球馆罩棚根据施工过程分析的 Midas 云图，如图9 所示。结果显示在施工过程中，杆件的应力比最大值0.52，结构最大位移 209mm，方向向下，跨度与挠度之比为 1/600；结构的变形和杆件应力比均较小，可以满足施工要求。图 9 Midas 结构安全复核3.3 Tekla+Midas 节点分析与深化罩棚的四个拱支座结构是整个结构的关键部位，拱底构件截面形式多、多管相交、杆件之间夹角较小94导致相贯焊缝长，节点放样原则复杂，节点深化难度很大，无论是钢拱架底部还是型钢混凝大墩都采用二款不同系列的有限元软件进行了分析比较按包络设计。边界条件按刚接假定、铰接假定、弹性假定包络分析及优化设计，拱桁架底部钢结构 Midas 有限元分析及主管内加劲板和 C40 混凝土综合应力分析，如图 10 所示。图 10 拱底钢、混综合应力有限元分析云图3.4 工厂数控制造根据桁架吊装模拟确定的分段结果进行桁架分段加工。由 Tekla 模型生成结构构件加工信息，远程导入加工厂的数控中频弯管机和数控大管径相贯线切割机、自动电焊机等智能设备，进行数控下料、数控拉弯和数控焊接，以及打磨、除锈、上底漆、中漆及面漆、标注杆件标识码，安装部位标记等制作工序。4 BIM+机械化施工曲棍球馆施工过程工艺：钢结构施工采用“工厂或现场地面拼装成段、跨外分段吊装、高空对接合拢、结构整体分级同步卸载”的施工工艺8。吊装单元划分为了减少支撑体系的用量合理地使用大吨位吊车，采用分段吊装的形式。分段吊装的单元为 2 榀三角拱桁架，11 榀平面次桁架和边缘拱管和连接杆件等，均采取地面拼装，高空分段吊装,分段重量控制在 75t 以下，如图 11 所示。屋盖吊装由一台 350t 履带吊完成，其中两榀主桁架共 4 个柱脚分段，履带吊吊装柱脚分段时站位可相对较近，如图 12 所示。由两台 80t 汽车吊支撑架安拆，拼装卸货采用三台 50t 汽车吊。图 11 拱桁架分段吊装示意图图 12 履带吊吊装工况图另外外围悬挑部分在地面拼装成分块之后吊装到位。边缘拱通过曲面内锯齿形分布的杆件与三角拱进行连接，为悬挑（帽沿状）结构，这些组件的吊装施工难度都很大。吊装高度高，吊装半径大，吊装吨位大。因此采用300履带吊配合50t汽车吊共同进行吊装施工。4.1 支撑架设置为了便于节点和构件施工就位，同时考虑钢结构在吊装过程中的施工安全及结构构件卸载时所承受的最不利工况，本工程在三角拱桁架下方及边缘拱等下方设置了 5 排支撑架，支撑架在钢结构施工完成之后，进行整体卸载。4.2 支撑架设计仅举一例，四边形支撑架平面尺寸为1.6m3.2m，节间高度 2.2m，最大搭设高度 35m，立杆及腹杆采用矩形方管，立杆规格为 140mm12mm，斜腹杆规格为80mm10mm，水平腹杆规格为 50mm4mm，材质为 Q235B；顶部转换钢梁规格为 HW400 x408x21x21，材质为 Q235B。支撑架设计时荷载取值及组合按国家相关规范执行。图 13 为支撑架水平、竖向变形及应力95BIM 集