引言

數字化設計利用BIM技術，將設計師從繁重的重復性、低價值的工作中解放出來，將更多的精力用在多專業協同，專業技術創新上。數字化設計基于現實建造條件和場景，通過專業協同、多軟件協同進行計算機模擬及虛擬建造，最后交付“零差錯”的專業的數字化設計產品，及時高效地為項目建設提供數字化信息，為項目的數字化、智能化建造提供支撐。這種優勢在具體實踐中已經顯現出來。

國際工程多采用EPC或EP模式，在設計、采購、現場建造以及后期生產運營各環節中，國內承建方的參與者將不可避免地面臨著時空上的錯位，信息交流和傳遞一直是項目執行的痛點，對項目執行影響很大。處于建設高階段的設計者承擔著向項目建設各環節提供項目建設所必須的技術文件和資料等重要工作，應及時高效地傳遞技術先進、準確、便于解讀和應用的數字化信息，能為整個項目建設和運營創造更多的價值，帶來更多的效益。

現以某國外項目水泥磨裝配式鋼結構設計為例，介紹數字化設計在水泥工廠建造中的應用。

一、數字化設計

數字化設計是一種新的設計方式，它不是傳統上畫2D圖完成初步設計和施工圖，而是利用BIM技術的全流程數字設計。通過多專業協同，多軟件協同，打破設計各專業、各軟件間的壁壘，使處于各環節上的信息孤島通過BIM技術連接在一起，實現信息互聯互通，通過設計參與者結合現實建造條件和場景，運用專業技能拿出初步設計方案和施工圖方案，然后利用BIM軟件建立的數字化模型作為載體，在項目實施的高階段完成虛擬建造、虛擬生產，實現全流程仿真。設計階段生產出的數字化產品作為項目執行中的信息載體無縫對接項目執行的所有環節，且各環節基于設計數字化模型進行應用后，實現數字化、智能化建造和生產運營，最終有效解決項目建設中各環節信息傳遞的痛點。

數字化設計采用BIM技術，設計者利用BIM軟件強大的功能提高效率，同時基于BIM協同平臺獲取所有參與者的勞動成果來完成自己的設計工作，最終將設計者從重復性、低價值的工作中解放出來，讓設計工作恢復到設計的本質，即專業技術的應用和技術創新，發揮設計師的專業所長，展現專業價值，創造出更專業、更全面、更優質的設計作品。

二、裝配式鋼結構

裝配式鋼結構作為一種新型的建筑結構建造方式，通過各專業、各建造環節之間的協同和融合，設計文件中集成各專業的系統，形成模塊化、標準化的裝配部件，在工廠進行工業化制造，在現場進行部件裝配的建造方式。裝配式鋼結構能降低碳排放和環境污染，通過先進的建造方式可以提高建設效率和施工質量。一般情況下，裝配式鋼結構的部件在工廠制作時以焊接作為主要的連接方式，在現場裝配時以螺栓連接為主要方式。

裝配式鋼結構的建造方式對設計文件提出了高集成度和高精度的要求。2D設計的深度和專業融合度已不能滿足裝配式鋼結構的需求，數字化設計采用BIM技術，通過專業協同，數字化模擬，可以為裝配式鋼結構的建造提供詳盡的、高集成、高精度的數字化模型和文件，能為裝配式鋼結構的推廣和應用提供強有力的支撐。

三、項目概況

本項目為改造項目，新建建筑物位于廠區有限的預留場地內，擬建的水泥磨房位于兩個場地臺段的底部，兩臺段間邊坡為自然放坡，臺段頂部為已建道路，附近有已建的建筑物和輸送廊道，靠近磨房為新建道路。擬建水泥磨房旁邊布置了水泥配料和廢氣處理框架，其中水泥配料站高度為40 m，廢氣處理框架高度為24 m，磨房的喂料樓高度36 m。因此，磨房鋼結構的現場安裝場地只能在靠近場地臺段一側，安裝場地比較狹窄且不平整，施工難度較高。見圖1所示。

圖1 擬建建筑的總平面圖布置

水泥磨房建筑的尺寸長、寬、高分別為25.1 m、21.9 m、36.0 m，建筑物分為兩個區，即磨房和喂料樓，其中喂料樓為多層鋼筋混凝土框架，磨房為三榀單跨排架組成的大空間鋼結構格構式排架結構。排架柱分成上柱和下柱，下柱為雙肢圓鋼管組成的格構式柱，下柱頂部支承鋼吊車梁，上柱為單鋼管，頂部支撐屋面系統。其中，磨房有兩個排架的屋面梁、水平系桿，以及吊車梁與喂料樓框架結構相連。

四、裝配式鋼結構數字化設計實施路徑

4.1 設計方案的確定

結構設計方案除滿足建筑物功能需要外，還需要與建設團隊協同，考慮建設期間各環節的實際條件，綜合各種影響因素后，確定設計方案。以本項目的水泥磨房為例，首先基于上游專業提供的資料，初步確定設計方案，然后根據鋼結構制作和安裝的條件，確定鋼結構的施工方案和材料使用（基于場地的限制和磨房排架結構的特點，本文中的排架結構的安裝不宜進行整體吊裝，宜采用裝配式鋼結構分層裝配的方案）。方案確定后，在revit軟件內參照上游專業資料，進行結構構件的布置，初步進行專業協同，然后將專業協同后的模型，通過軟件互導功能導入到計算軟件進行結構計算。

4.2 結構整體計算

水泥磨房整體結構為鋼結構和混凝土結構的混合結構，整體結構復雜，為保證結構安全，宜采用兩種不同類型的計算軟件相互校核，本例采用sap2000和PKPM的PMSAP模塊進行設計計算。結構計算需要考慮鋼結構和混凝土結構的協同工作，因此結構計算模型中應包括混凝土框架結構和鋼排架結構，通過revit導入生成的計算模型，必須按照符合建筑物使用階段的實際工作狀態的假定進行檢查和修正。荷載及荷載組合輸入需要充分考慮結構在實用階段可能出現的不利情況，按相應規范的要求進行輸入，整體結構的計算結果須滿足相關設計規范的要求。

結構計算完成后，進行專業內部計算校審，然后，再次利用軟件互導功能，將計算模型導入revit，與上游提資專業的模型進行專業協同，專業協同后，其他專業可以在revit內進行下一步的施工圖設計工作。

此階段結束后，可以向建設執行團隊提供材料采購清單，用于材料采購。

4.3 制作數字化設計成品

將協同完成的計算模型，通過軟件間的互導功能將模型導入到深化軟件中進行深化設計。深化設計前，需要按照建造施工方案對整體結構進行拆分，以便于制作、運輸、堆放以及現場裝配，并采取相應的連接構造將拆分后的裝配件進行連接，形成整體結構。水泥磨房裝配式鋼結構的節點連接需要在工廠完成的，工廠采用焊接連接，現場裝配的連接節點采用螺栓連接。

如圖2所示，水泥磨房在考慮制作、運輸、裝配等情況，在垂直方向上將排架分成排架柱、吊車梁、屋面梁以及與混凝土結構相連的平臺結構，其中排架柱在垂直方向分層3段，每段長度控制在14.0 m以內，每段長度從下往上分別是13.2 m、12.7 m、11.8 m。深化設計時，將分段排架柱、排架支撐系統、吊車梁、平臺結構、屋面梁等及其附著在其上的其他系統附件等進行模塊化、標準化設計，并預留現場連接螺栓孔，最終完成深化設計圖及數字化模型的設計工作。

圖2 裝配式鋼結構分段裝配圖及整體結構圖

深化設計完成后的數字化模型，需要經過專業內部校審，并再次導入到revit內，與其他專業進行協同，協同無誤后，才進行數字化交付。在此基礎上完成的設計成品才是合格、準確、便于解讀和應用的設計成品。

4.4 數字化成品的交付及傳遞

數字化設計成品的交付有別于2D設計施工圖，數字化設計成品應包括數字模型及設計施工圖，其中數字化模型承載的信息可以用于鋼結構的工廠制作以及指導現場裝配，并可用于現場施工管理及項目決算的依據。

五、裝配式鋼結構現場裝配

基于設計階段確定的水泥磨房施工方案，水泥磨鋼結構的安裝在混凝土框架施工和磨機安裝結束后進行，考慮場地因素，水泥磨房鋼結構的安裝將分段進行裝配安裝，現場裝配安裝按以下步驟進行：

（1）吊裝第一層排架柱，吊裝第一層支撐系統；

（2）吊裝第二層排架柱，吊裝第二層支撐系統；

（3）裝配與混凝土結構相連的平臺結構；

（4）吊裝第三層排架柱，吊裝第三層支撐系統；

（5）吊裝吊車梁系統；

（6）吊裝屋面梁及屋面系統。

六、結束語

水泥工廠建設中會面臨各種困難和挑戰，執行過程中遇到的一些痛點，可以利用新的建造技術，比如裝配式結構、數字化設計、數字化建造等，通過多專業多部門協同，選取優化的設計方案，提供數字化設計產品，通過新技術賦能水泥廠建設，以提高建設效率、施工質量，獲取良好的社會及經濟效益。

目前數字化設計也遇到一些難點，比如本文實例中提及的數字化協同平臺、計算軟件、深化軟件內的模型還不能自動聯動，不能實現設計過程“一模到底”，還需要在各軟件間互導，模型中的信息在導入導出中會發生遺失、重疊等現象，造成設計過程較為繁瑣，數字化設計的效率和優勢還沒完全發揮出來，因此，從業者還需不斷研發創新，升級軟件來解決這些難點。

作者：代勇，郭小玲，趙俊忠，章晨臨

來源：《成都建筑材料工業設計研究院有限公司》

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