技术 | 数字化设计在水泥工程结构设计中的应用

引言

数字化设计利用BIM技术，将设计师从繁重的重复性、低价值的工作中解放出来，将更多的精力用在多专业协同，专业技术创新上。数字化设计基于现实建造条件和场景，通过专业协同、多软件协同进行计算机模拟及虚拟建造，最后交付“零差错”的专业的数字化设计产品，及时高效地为项目建设提供数字化信息，为项目的数字化、智能化建造提供支撑。这种优势在具体实践中已经显现出来。

国际工程多采用EPC或EP模式，在设计、采购、现场建造以及后期生产运营各环节中，国内承建方的参与者将不可避免地面临着时空上的错位，信息交流和传递一直是项目执行的痛点，对项目执行影响很大。处于建设高阶段的设计者承担着向项目建设各环节提供项目建设所必须的技术文件和资料等重要工作，应及时高效地传递技术先进、准确、便于解读和应用的数字化信息，能为整个项目建设和运营创造更多的价值，带来更多的效益。

现以某国外项目水泥磨装配式钢结构设计为例，介绍数字化设计在水泥工厂建造中的应用。

一、数字化设计

数字化设计是一种新的设计方式，它不是传统上画2D图完成初步设计和施工图，而是利用BIM技术的全流程数字设计。通过多专业协同，多软件协同，打破设计各专业、各软件间的壁垒，使处于各环节上的信息孤岛通过BIM技术连接在一起，实现信息互联互通，通过设计参与者结合现实建造条件和场景，运用专业技能拿出初步设计方案和施工图方案，然后利用BIM软件建立的数字化模型作为载体，在项目实施的高阶段完成虚拟建造、虚拟生产，实现全流程仿真。设计阶段生产出的数字化产品作为项目执行中的信息载体无缝对接项目执行的所有环节，且各环节基于设计数字化模型进行应用后，实现数字化、智能化建造和生产运营，最终有效解决项目建设中各环节信息传递的痛点。

数字化设计采用BIM技术，设计者利用BIM软件强大的功能提高效率，同时基于BIM协同平台获取所有参与者的劳动成果来完成自己的设计工作，最终将设计者从重复性、低价值的工作中解放出来，让设计工作恢复到设计的本质，即专业技术的应用和技术创新，发挥设计师的专业所长，展现专业价值，创造出更专业、更全面、更优质的设计作品。

二、装配式钢结构

装配式钢结构作为一种新型的建筑结构建造方式，通过各专业、各建造环节之间的协同和融合，设计文件中集成各专业的系统，形成模块化、标准化的装配部件，在工厂进行工业化制造，在现场进行部件装配的建造方式。装配式钢结构能降低碳排放和环境污染，通过先进的建造方式可以提高建设效率和施工质量。一般情况下，装配式钢结构的部件在工厂制作时以焊接作为主要的连接方式，在现场装配时以螺栓连接为主要方式。

装配式钢结构的建造方式对设计文件提出了高集成度和高精度的要求。2D设计的深度和专业融合度已不能满足装配式钢结构的需求，数字化设计采用BIM技术，通过专业协同，数字化模拟，可以为装配式钢结构的建造提供详尽的、高集成、高精度的数字化模型和文件，能为装配式钢结构的推广和应用提供强有力的支撑。

三、项目概况

本项目为改造项目，新建建筑物位于厂区有限的预留场地内，拟建的水泥磨房位于两个场地台段的底部，两台段间边坡为自然放坡，台段顶部为已建道路，附近有已建的建筑物和输送廊道，靠近磨房为新建道路。拟建水泥磨房旁边布置了水泥配料和废气处理框架，其中水泥配料站高度为40 m，废气处理框架高度为24 m，磨房的喂料楼高度36 m。因此，磨房钢结构的现场安装场地只能在靠近场地台段一侧，安装场地比较狭窄且不平整，施工难度较高。见图1所示。

图1 拟建建筑的总平面图布置

水泥磨房建筑的尺寸长、宽、高分别为25.1 m、21.9 m、36.0 m，建筑物分为两个区，即磨房和喂料楼，其中喂料楼为多层钢筋混凝土框架，磨房为三榀单跨排架组成的大空间钢结构格构式排架结构。排架柱分成上柱和下柱，下柱为双肢圆钢管组成的格构式柱，下柱顶部支承钢吊车梁，上柱为单钢管，顶部支撑屋面系统。其中，磨房有两个排架的屋面梁、水平系杆，以及吊车梁与喂料楼框架结构相连。

四、装配式钢结构数字化设计实施路径

4.1 设计方案的确定

结构设计方案除满足建筑物功能需要外，还需要与建设团队协同，考虑建设期间各环节的实际条件，综合各种影响因素后，确定设计方案。以本项目的水泥磨房为例，首先基于上游专业提供的资料，初步确定设计方案，然后根据钢结构制作和安装的条件，确定钢结构的施工方案和材料使用（基于场地的限制和磨房排架结构的特点，本文中的排架结构的安装不宜进行整体吊装，宜采用装配式钢结构分层装配的方案）。方案确定后，在revit软件内参照上游专业资料，进行结构构件的布置，初步进行专业协同，然后将专业协同后的模型，通过软件互导功能导入到计算软件进行结构计算。

4.2 结构整体计算

水泥磨房整体结构为钢结构和混凝土结构的混合结构，整体结构复杂，为保证结构安全，宜采用两种不同类型的计算软件相互校核，本例采用sap2000和PKPM的PMSAP模块进行设计计算。结构计算需要考虑钢结构和混凝土结构的协同工作，因此结构计算模型中应包括混凝土框架结构和钢排架结构，通过revit导入生成的计算模型，必须按照符合建筑物使用阶段的实际工作状态的假定进行检查和修正。荷载及荷载组合输入需要充分考虑结构在实用阶段可能出现的不利情况，按相应规范的要求进行输入，整体结构的计算结果须满足相关设计规范的要求。

结构计算完成后，进行专业内部计算校审，然后，再次利用软件互导功能，将计算模型导入revit，与上游提资专业的模型进行专业协同，专业协同后，其他专业可以在revit内进行下一步的施工图设计工作。

此阶段结束后，可以向建设执行团队提供材料采购清单，用于材料采购。

4.3 制作数字化设计成品

将协同完成的计算模型，通过软件间的互导功能将模型导入到深化软件中进行深化设计。深化设计前，需要按照建造施工方案对整体结构进行拆分，以便于制作、运输、堆放以及现场装配，并采取相应的连接构造将拆分后的装配件进行连接，形成整体结构。水泥磨房装配式钢结构的节点连接需要在工厂完成的，工厂采用焊接连接，现场装配的连接节点采用螺栓连接。

如图2所示，水泥磨房在考虑制作、运输、装配等情况，在垂直方向上将排架分成排架柱、吊车梁、屋面梁以及与混凝土结构相连的平台结构，其中排架柱在垂直方向分层3段，每段长度控制在14.0 m以内，每段长度从下往上分别是13.2 m、12.7 m、11.8 m。深化设计时，将分段排架柱、排架支撑系统、吊车梁、平台结构、屋面梁等及其附着在其上的其他系统附件等进行模块化、标准化设计，并预留现场连接螺栓孔，最终完成深化设计图及数字化模型的设计工作。

图2 装配式钢结构分段装配图及整体结构图

深化设计完成后的数字化模型，需要经过专业内部校审，并再次导入到revit内，与其他专业进行协同，协同无误后，才进行数字化交付。在此基础上完成的设计成品才是合格、准确、便于解读和应用的设计成品。

4.4 数字化成品的交付及传递

数字化设计成品的交付有别于2D设计施工图，数字化设计成品应包括数字模型及设计施工图，其中数字化模型承载的信息可以用于钢结构的工厂制作以及指导现场装配，并可用于现场施工管理及项目决算的依据。

五、装配式钢结构现场装配

基于设计阶段确定的水泥磨房施工方案，水泥磨钢结构的安装在混凝土框架施工和磨机安装结束后进行，考虑场地因素，水泥磨房钢结构的安装将分段进行装配安装，现场装配安装按以下步骤进行：

（1）吊装第一层排架柱，吊装第一层支撑系统；

（2）吊装第二层排架柱，吊装第二层支撑系统；

（3）装配与混凝土结构相连的平台结构；

（4）吊装第三层排架柱，吊装第三层支撑系统；

（5）吊装吊车梁系统；

（6）吊装屋面梁及屋面系统。

六、结束语

水泥工厂建设中会面临各种困难和挑战，执行过程中遇到的一些痛点，可以利用新的建造技术，比如装配式结构、数字化设计、数字化建造等，通过多专业多部门协同，选取优化的设计方案，提供数字化设计产品，通过新技术赋能水泥厂建设，以提高建设效率、施工质量，获取良好的社会及经济效益。

目前数字化设计也遇到一些难点，比如本文实例中提及的数字化协同平台、计算软件、深化软件内的模型还不能自动联动，不能实现设计过程“一模到底”，还需要在各软件间互导，模型中的信息在导入导出中会发生遗失、重叠等现象，造成设计过程较为繁琐，数字化设计的效率和优势还没完全发挥出来，因此，从业者还需不断研发创新，升级软件来解决这些难点。

作者：代勇，郭小玲，赵俊忠，章晨临

来源：《成都建筑材料工业设计研究院有限公司》

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