基于BIM技术的装配式高桩码头构造节点设计研究

    李庆 陆小曼 李淑浈 覃淑雯

    

    

    

    摘?要：伴随着BIM技术这一种新的理念和技术的发展，及装配式建筑推广普及，不仅是建筑行业，水运行业也迎来了重要的发展契机;基于BIM技术的可视化、参数化及模拟性等特点，应用Revit软件创建高桩码头模型，根据装配式建筑理念，结合榫卯结构特征设计其构造节点，应用3D打印技术验证构造节点设计的精准性;本文以梧州港中心港区塘源紫金村码头一期工程为例，希望为类似工程提供技术参考。

    关键词：BIM技术;装配式高桩码头;榫卯结构;构造节点设计

    BIM（Building Information Modeling），即建筑信息模型，是指在建设工程及设施全生命周期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依次设计、施工、运营的过程和结果的总称。其作为一种新的理念和技术，是建筑行业的第二次革命;2017年12月交通运输部发布《交通运输部办公厅关于推进公路水运工程BIM技术应用的指导意见》，明确提出将大力推进BIM技术应用于公路水运工程，目前BIM技术在水运工程领域集中应用在港口工程。

    目前，我国学者纷纷对BIM技术在高桩码头建设中的应用展开了研究;陈捷[1]等学者通过对高桩码头工程BIM应用技术难点进行分析，并提出了基于高桩码头工程设计阶段全流程应用的解决方案及应用方法;邢红熙[2]等学者研究了BIM技术在高桩码头桩基碰撞检验和沉桩过程模拟的应用;万其炎[3]等学者通过对比分析公式计算、AutoCAD三维绘图法及BIM技术应用等方法，表明BIM技术在高桩码头碰撞验算中的可行性及先进性。李薇[4]等學者通过BIM技术的可视化优势，实现了项目在施工过程中的计划模拟、综合查询、进度管理及质量管理等应用;陈静[5]等学者通过BIM技术将高桩码头与码头模型实现对接，并实时对码头进行监测检测。上述学者从设计、施工及运维等方面进行了BIM技术应用研究，均取得了较好的成绩，但对于装配式高桩码头的构造节点设计尚处于空白期。因此，本文根据高桩码头的结构特征，应用BIM技术对其重要的构造节点进行设计，并应用3D打印技术验证构造节点设计的精确度。

    1 创建高桩码头模型

    1.1 工程概况

    梧州港中心港区塘源紫金村码头一期工程位于梧州云龙大桥下游约550米浔江右岸，拟建4个3000吨级多用涂泊位，设计年吞吐能力为328万吨，其中集装箱26万标箱，件杂货物68万吨。其中1#泊位是连片式高桩框架结构型式，为3000吨级多用途泊位，泊位长度为129.1m，前沿顶高程26.50m（高程基准为国家85高程）。

    1.2 参数化建模

    项目前期，应用Revit软件创建高桩码头模型。Revit软件的核心的概念之一即基于参数化的设计，利用参数化图元进行参数族创建并分类，可有效地管理构件数据;利用参数化修改引擎，可做到一处修改处处更新。为了方便后期信息管理，参数族统一选用公制常规模型创建。

    高桩码头参数化建模流程，如图1所示。

    完成模型如下图2所示。

    2 高桩码头模型构造节点的选取与设计

    选取高桩码头模型中各类族文件拼接重合的位置为节点，参考榫卯结构的原理，针对其所在的位置，构件的形状，分别进行节点设计。本项目共设置了以下五类节点。

    2.1 柱与柱的节点

    由于柱为圆柱体构件，且其截面尺寸一致，参照现代榫结构，我们设计了第一个节点，如图3。

    2.2 横向联系梁与纵向联系梁的节点

    因为横向联系梁与纵向联系梁正好十字相错，形似榫卯结构中的十字怅，但其横向联系梁的位置略高于纵向联系梁，所以这个节点我们根据需求参考了十字怅的做法，并对其进行了改进，如图4。

    2.3 联系梁与联系梁的节点

    根据联系梁前后端均受到柱的约束，可忽略其水平方向的滑动，所以对于过长的联系梁，我们采取最常见的直榫结构作为节点，如图5。

    2.4 柱与靠船构件的节点

    由于靠船构件依附在柱上，受到上层梁、下层柱共同施加的约束，可忽略其竖直方向上的滑动，且柱的截面呈圆形而靠船构件的截面为矩形，二者长度不同，形状不同，考虑到圆柱形与矩形的重合面涉及到弧形接口，我们参考了榫卯中与柱垂直面有交接的结构，设计出圆材丁字形结合的节点，如图6。

    2.5 板与联系梁的节点

    由于码头前沿面板由B1、B2两块面板接合，且每两块面板下方均横穿三根联系梁，所以我们直接在面板下方设置联系梁凹槽口，利用联系梁纵向连接面板，而横向面板则采取嵌入接口，直接滑动拼合两块面板，并利用纵向联系梁约束面板，如图7。

    3 模型打印

    本项目所用3D打印机为极光尔沃A8，使用材料：PLA，涉及建模软件：Revit、3Ds max，切片软件：Cura。

    3.1 模型切片及打印

    因该切片软件仅支持STL格式文件，而Autodesk Revit无法直接导出STL格式文件，此时可借用其他软件转换格式。

    本项目采用的中间软件为3Ds max，将族文件由三维视图导出，得到FBX格式，再将3D模型导入3Ds max，得到切片软件所需的STL格式，最终在CURA内调试打印温度、检测模型完整度，导出GCODE格式文件。

    调平3D打印机平台，进行预热，预热结束后进料，待喷头拉丝后可直接选择文件进行打印。

    3.2 验证模型精确度

    由于3D打印机的运作原理是将材料高温融化后重新塑形，故而模型精度有限。且打印是逐圈进行的，而模型在节点处设有空心形状，材料细丝无法固定在没有承接点的空心位置，在节点位置容易产生细小拉丝，而榫卯结构在精度上要求极高，所以在新设计的节点打印后，要进行节点拼合测试，如图8;节点拼合后构件稳定不松动，不脱落，且易于拆卸，满足结构设计需求。

    4 结语

    本文基于BIM技术的可视化、模拟性及参数化等特征，在3D打印技术逐步向建筑行业发展的情况下，结合高桩码头的装配式特点，发挥我国传统的榫卯结构文化底蕴，尝试将榫卯结构重新应用于以钢筋混凝土为材料的装配式建筑中。因此，以实际工程案例为基础，应用BIM技术创建并检查装配式高桩码头模型，在可视化及参数化支持下，参考榫卯结构重新设计高桩码头构造节点，通过3D打印技术将构造设计实体化，验证构造节点设计精确性及稳定性。为BIM技术及3D打印技术在装配式高桩码头设计施工中提供参考依据。

    参考文献：

    [1]陈捷，沈寿亮，齐鲁尚.BIM技术在高桩码头工程设计中的应用研究[J].中国水运月刊，2018，18（11）：150-151.

    [2]邢红熙.BIM技术在高桩码头桩基施工中的应用[J].城市建筑，2019（23）.

    [3]万其炎，许书星.BIM技术在高桩码头碰桩验算中的应用[J].中国水运月刊，2018，18（10）：170-172.

    [4]李薇，芦志强，于水.BIM技术在高桩码头设计施工一体化建设中的应用[J].中国水运（下半月），2018，018（010）：161-163.

    [5]陈静，杨凯，马瑞鑫，等.BIM技术在高桩码头监测中的应用研究[J].舰船电子工程，2018，038（011）：8-11，62.