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核岛厂房中三维虚拟建造施工技术的应用

  2022-04-25    69  上传者:管理员

摘要:核电站核岛厂房设计非常紧凑,土建结构、钢结构以及工艺电气管线设备等物项交织在一起,通过使用BIM技术创建数字化模型,提前展示现场复杂的施工物项,对项目施工的设计文件审核、技术策划、现场指导等工作提供了极大的支持。

  • 关键词:
  • BIM技术
  • 信息模型
  • 建筑施工
  • 核岛厂房
  • 虚拟建造
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核电站核岛厂房通过集约化和模块化设计,以减轻现场施工环境的拥挤,使现场可以有更多专业交叉作业、平行施工,因此对现场环境预判、技术策划等工作也有了更高的要求。使用BIM技术进行项目虚拟建造,借助信息模型的可视化、信息化的特点,提前发现难以预见的设计缺陷,解决技术准备中凭空想象造成的偏差错漏。运用三维虚拟建造技术,构建实用美观的信息模型(以下简称“BIM模型”),展示设计数据描述物项的直观形象,可为核岛厂房的技术准备及施工策划等工作提供清晰的指引。如何构筑BIM模型,缺乏标准做法,业内很多公司都在摸索前行,中国核工业华兴建设有限公司经过对试点项目核岛厂房的工程实践,研究三维虚拟建造的具体方法,取得了一定的成果。


1、工程概况


试点项目核岛厂房包括若干主厂房,设计图纸共用同一套轴网体系,各专业设计图纸相对独立,土建图纸主要涉及的专业包括建筑、负挖、钢筋、混凝土、钢结构、压型钢板结构楼承板、预埋件、管道贯穿件、电气贯穿件、结构模块、预制板、钢制安全壳、装饰装修、总体布置图等。为了使图纸简洁,每个专业图纸上只标注本专业物项,对一份图纸涉及的其他专业物项则在图纸的说明文字和参考文件栏进行索引,而图纸上可能简化或省略其他专业物项。因此,从一套专业图纸上是无法确定现场实际涉及物项的种类、数量、排布的,游走在诸多专业、成百上千的图纸中,光靠凭空想象,要做出可靠的施工策划和技术准备非常困难。


2、BIM模型创建方法研究[1,2]


2.1 建模软件选择

本试点项目主要着眼于土建施工,使用AutoDeskRevit软件创建项目的主体土建构筑物,使用TeklaStructures软件创建钢结构和结构模块等。Revit软件能比较方便地将物项信息做成参数结合到物项模型中,同时能完成大部分的主体模型。Tekla软件是老牌钢结构详图软件,建模之后可以比较方便地输出钢结构的深化设计详图,钢结构建模和钢筋造型能力较Revit强,但物项信息的集成能力较Revit弱,主要用于钢结构和钢筋的建模。

以下模型创建方面的研究如无特别说明,默认基于Revit软件环境的主体模型创建。

2.2 构建坐标系

试点项目的一大特点就是基于设计软件的坐标系使用:设计图纸上的轴网基于电厂坐标系定位,预制件、各类模块、预埋件、贯穿件等物项都基于坐标定位,图纸上不标定位尺寸,只给出物项坐标列表。

为方便建模过程中的子项定位、各临建设施场地定位、物项的坐标查询和位置校验、视图方向调整,以及为未来在本项目使用BIM模型辅助完成施工数据复核、施工质量检查等工作,同时为模型整合提供先决条件,需要对Revit软件的建模环境中设置匹配设计图纸的电厂坐标系,满足模型创建的需求。

2.3 设置材质库

设置软件的材质库,主要考虑模型外观和材质信息2个方面。

2.3.1 关于模型外观的考虑

Revit模型外观在软件的视图中有至少8种以上的改变方法,但每个视图模型默认的外观是在材质中定义的。这其中包括渲染外观、着色外观和图纸外观。

材质设置直接影响模型的默认观感和出图便利,对于模型来说,美好的外观能给观众留下很深的印象,但对于利用模型进行技术准备和施工策划的使用者来说,更重要的却是模型的易用性[1]。经过项目实践,材质的外观设置主要应考虑以下几点:①对于材质渲染外观,在考虑材质贴图与真实材质外观接近的同时,还要考虑不同材质之间贴图的区别,造成不同材质之间的鲜明对比以方便识别。②对于材质的着色外观与渲染外观类似,主要考虑不同材质之间的颜色对比度,使不同材质之间能够清晰辨认。

③材质设置时不应拘泥于构件本身的物理外观或油漆颜色,首要考虑的是不同材质的不同物项能够轻松区别。模型使用人员需能从高对比度中读出模型的材质、区分不同的构件、辨认模型所属的不同专业,这比效果图中逼真的外观对技术、施工工作来说更加重要。当然模型的实用性和美观性不是二择其一,模型的实用性是构建模型首要的考虑因素,美观性是以实用性为前提条件,是模型在实用性基础上的价值扩展,应该在不损害材质间辨识度的基础上,让模型更接近真实的贴图和配色方案,务必使模型实用又美观。本项目材质设置示例如图1所示。④对于图纸外观中的填充图案设置,应考虑使用各种材质常用的截面填充图案,以减少或避免出图时剖面线的修改,节省出图步骤和时间。⑤对于配套使用的其他BIM软件的材质库,需要考虑与Revit软件的材质外观的配套和协调,同时也要考虑材质在实用性基础上的美观性,形成各自软件的材质库。

2.3.2 关于材质信息的考虑

Revit软件的材质里定义的不仅有材质的图形特性和外观表现,还有标识信息、物理属性、透光隔热属性等材质信息。

用于结构分析的物理属性和用于能量分析的热属性:作为施工企业一般都有自己常用的结构分析计算软件,也极少对构筑物进行能量、采光分析,因此这2类信息的各项参数可以忽略。

材质的标志信息包括材质的名称、说明信息、产品信息、Revit注释信息等,对于这方面信息可以制定规则、合理安排,从而增加模型材质信息的可读性。

2.4 建立项目族库

Revit软件一大特点是参数化建模,对于规则构件能使用参数化族较轻松地定义符合其规则的一系列类型,将族载入项目环境后就能插入的族实例的方式代替常规建模;族实例形状还能通过修改族参数进行一定程度的修改。

Revit软件的建模工作都是使用族来完成的,对于可项目间共享的可载入族(预埋件、贯穿件、垫板、螺栓、H形钢等),需要进行事先规划和建立族库。

项目中拥有相似的形状、需要重复使用的构件,每一类都可以做成拥有通用参数集的一个或多个可载入族,形成族库。图2为试点项目的预埋件众多种类中的一小部分。

按照物项重复程度,规划出需要做成族的物项类别。对于某一类物项,根据其形状特点,规划出需要建立的可载入族的数量,族库的建立应尽量利用Revit软件参数化优势,减少族的数量,让一个族可以表示出尽量多的实例类型,以减少项目模型的文件大小。由于每个族都可能涉及很多的族类型,例如预埋件,同一个族中的参数选择和类型名称需要进行构思设计。同一物项可能会随图纸升版和设计变更而增加类型,如预埋件,其族库则要根据需要增加或修改族,不断完善。对族的创建和记录需要执行标准化程序,使族库的管理规范化。

为了在项目级甚至公司级范围内应用共享,应该对项目中各种自建族,在命名、分类、存储、记录、更新上形成系统性族库,并融入BIM数据库的存储系统中。

2.5 项目环境准备

为使建模采用统一标准、同一项目原点,需要建立标准项目样板作为建模标准环境,内置常用族、参数、坐标系、视图样板等,使各子项的模型外观、图纸样式、图元参数等保持一致。在标准项目样板中还可以设置共用轴网,作为每个子项定位的基准;设置统一的视图样板和过滤器,以便使整个项目的不同子项共用统一的视图样式。

2.6 确立建模范围

项目涉及的专业很多,建模人手有限,建模软件的建模能力也有局限,所以必须要确立项目的建模范围,减少建模时间,降低建模的复杂程度。

对于物项过小、过薄且难于形成实体的物项,不建立三维模型,可以考虑在二维视图中添加这些物项的二维替代图元,如防水层、焊缝等。安装专业的模型不属于土建承建范围,无法获取相应的设计图纸和变更,也缺乏专业知识的配合,不列入建模范围,可以考虑与安装单位合作,引用安装专业的模型。对于同时使用多个建模软件的情况,要确立每个软件自身的建模领域。使用多个建模软件互相配合建模时,建模范围不应有重叠,造成模型重复。

2.7 建立BIM数据库

建立BIM模型的过程中,会有很多依据设计文件、标准文件、技术规格书建立的各种自建族库,另外还有建模时外部输入的参考模型,各个技术人员提供的输入信息(分段方案、构件清单、技术信息、变更清单等),从模型导出的转换格式模型、AutoCAD图纸文件、渲染图片等,模型文件的自查、校审信息,临时共享的模型、经审核发布的模型、竣工存档的模型等[2]。从建模开始到结束涉及到海量的电子文件,这些文件需要进行系统性组织,形成有机的统一体,才能成为记录、跟踪、应用BIM技术的有效BIM数据库。对于数据库的存储结构,可以参考已有的标准结合项目实际情况建立,并在建模生产过程中不断完善。

2.8 确立建模规则

为了使模型创建符合规范,方便管理、整合模型,有必要建立模型创建的一般规定。规定中除了要求使用统一的项目样板、族库、材质库进行建模外,对于设计文件审阅、模型拆分、结构分段、特殊结构建模等工作需要确立规则。涉及到软件操作层面的具体规定,对不同的软件要订立不同的建模程序因应。

2.9 模型元素及其深度标准

对本项目核岛工程BIM模型的各种建模元素分配相应的深度要求,建模深度在LOD200~LOD400之间,以满足施工需求为原则建模。原则上第一阶段依据设计图纸及设计变更完成设计模型的建模,并在设计模型的基础上进行施工层段划分满足施工图需求;第二阶段根据现场变更更新模型,按建模深度要求完成施工模型,施工模型需要与设计模型分别保存;第三阶段如有需要将施工模型继续深化后另存为竣工模型,如果施工模型以满足使用需求,也可将施工模型直接作为竣工模型存档。

2.10 按顺序建模

模型的结构拆分、施工分段、专业顺序都是影响建模顺序的因素。通常模型按空间结构自下而上、自内而外创建,这样做是为了方便建模时下层不会被上层挡住视线,内部不会被外部挡住视线。自下而上逐层建模时一般按先建立基础、楼板再建墙体,先建主体再建附件的顺序进行,创建某层主体结构时,以这层结构为主体的专业模型也一并创建。当受到制约因素必须先建上层结构时,因对本层尚未建模的物项、专业及涉及的设计文件进行记录,避免出现遗漏。建模应符合事先确立的建模规则,进行参数设置、分段划分等工作。

2.11 提升建模生产力

对于Revit软件来说,可以通过Dynamo可视化编程平台定义程序流程,探索参数化的方案设计和自动化建模与模型检查工作流。通过Dynamo可以帮助实现互操作性的工作流程文档管理,自动实现模型创建、协调、模拟和分析。

例如本项目的预埋件专业,设计图纸上只提供了用以定位的预埋件坐标清单,按照坐标手动定位十分耗时,使用一般的建模方式可能要花费数月时间才能建完。使用Dynamo平台编制一个按照坐标插入预埋件族实例的插件,即使数以万计的预埋件定位工作,也能在几个小时以内完成,还能自动写入每块预埋件的编码、变更等信息,大幅提高建模生产力。

2.12 模型的检查与更新

BIM模型的创建不是一次性完成的,需要根据图纸升版和设计变更进行不断更新,结合本项目的变更频次,最终模型完成时的工作量,是模型初成型时的数倍。需要对模型建立检查与更新机制,保证模型质量和可靠性,记录更新的内容。


3、结语


项目级的三维虚拟建造是一个系统性的工程,产生的成果是可以累积并增值的,和实体工程一样,完善的质量保证措施是保证成果价值的必要措施。三维虚拟建造技术已经成为项目施工的强大助力,只有不断的累积经验和提升技能,才能让这项技术不断精进,为项目的施工更好地服务。


参考文献:

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T51212—2016建筑信息模型应用统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2017.

[2]何关培.BIM总论[M].北京:中国建筑工业出版社,2011:59.


文章来源:张磊磊,周情来,王宜盼.三维虚拟建造施工技术在核岛厂房中的应用[J].科技与创新,2022,(08):144-146.

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期刊名称:中国建设信息化

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主管单位:住房和城乡建设部

主办单位:住房和城乡建设部信息中心

出版地方:北京

专业分类:建筑

国际刊号:2096-0824

国内刊号:10-1357/TU

邮发代号:2-583

创刊时间:1995年

发行周期:半月刊

期刊开本:大16开

见刊时间:7-9个月

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