李慶 陸小曼 李淑湞 覃淑雯

摘?要：伴隨著B(niǎo)IM技術(shù)這一種新的理念和技術(shù)的發(fā)展，及裝配式建筑推廣普及，不僅是建筑行業(yè)，水運(yùn)行業(yè)也迎來(lái)了重要的發(fā)展契機(jī);基于BIM技術(shù)的可視化、參數(shù)化及模擬性等特點(diǎn)，應(yīng)用Revit軟件創(chuàng)建高樁碼頭模型，根據(jù)裝配式建筑理念，結(jié)合榫卯結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)其構(gòu)造節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用3D打印技術(shù)驗(yàn)證構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性;本文以梧州港中心港區(qū)塘源紫金村碼頭一期工程為例，希望為類似工程提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);裝配式高樁碼頭;榫卯結(jié)構(gòu);構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息模型，是指在建設(shè)工程及設(shè)施全生命周期內(nèi)，對(duì)其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依次設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的過(guò)程和結(jié)果的總稱。其作為一種新的理念和技術(shù)，是建筑行業(yè)的第二次革命;2017年12月交通運(yùn)輸部發(fā)布《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于推進(jìn)公路水運(yùn)工程BIM技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確提出將大力推進(jìn)BIM技術(shù)應(yīng)用于公路水運(yùn)工程，目前BIM技術(shù)在水運(yùn)工程領(lǐng)域集中應(yīng)用在港口工程。

目前，我國(guó)學(xué)者紛紛對(duì)BIM技術(shù)在高樁碼頭建設(shè)中的應(yīng)用展開(kāi)了研究;陳捷[1]等學(xué)者通過(guò)對(duì)高樁碼頭工程BIM應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出了基于高樁碼頭工程設(shè)計(jì)階段全流程應(yīng)用的解決方案及應(yīng)用方法;邢紅熙[2]等學(xué)者研究了BIM技術(shù)在高樁碼頭樁基碰撞檢驗(yàn)和沉樁過(guò)程模擬的應(yīng)用;萬(wàn)其炎[3]等學(xué)者通過(guò)對(duì)比分析公式計(jì)算、AutoCAD三維繪圖法及BIM技術(shù)應(yīng)用等方法，表明BIM技術(shù)在高樁碼頭碰撞驗(yàn)算中的可行性及先進(jìn)性。李薇[4]等學(xué)者通過(guò)BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目在施工過(guò)程中的計(jì)劃模擬、綜合查詢、進(jìn)度管理及質(zhì)量管理等應(yīng)用;陳靜[5]等學(xué)者通過(guò)BIM技術(shù)將高樁碼頭與碼頭模型實(shí)現(xiàn)對(duì)接，并實(shí)時(shí)對(duì)碼頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)檢測(cè)。上述學(xué)者從設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維等方面進(jìn)行了BIM技術(shù)應(yīng)用研究，均取得了較好的成績(jī)，但對(duì)于裝配式高樁碼頭的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尚處于空白期。因此，本文根據(jù)高樁碼頭的結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)其重要的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)用3D打印技術(shù)驗(yàn)證構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的精確度。

1 創(chuàng)建高樁碼頭模型

1.1 工程概況

梧州港中心港區(qū)塘源紫金村碼頭一期工程位于梧州云龍大橋下游約550米潯江右岸，擬建4個(gè)3000噸級(jí)多用涂泊位，設(shè)計(jì)年吞吐能力為328萬(wàn)噸，其中集裝箱26萬(wàn)標(biāo)箱，件雜貨物68萬(wàn)噸。其中1#泊位是連片式高樁框架結(jié)構(gòu)型式，為3000噸級(jí)多用途泊位，泊位長(zhǎng)度為129.1m，前沿頂高程26.50m（高程基準(zhǔn)為國(guó)家85高程）。

1.2 參數(shù)化建模

項(xiàng)目前期，應(yīng)用Revit軟件創(chuàng)建高樁碼頭模型。Revit軟件的核心的概念之一即基于參數(shù)化的設(shè)計(jì)，利用參數(shù)化圖元進(jìn)行參數(shù)族創(chuàng)建并分類，可有效地管理構(gòu)件數(shù)據(jù);利用參數(shù)化修改引擎，可做到一處修改處處更新。為了方便后期信息管理，參數(shù)族統(tǒng)一選用公制常規(guī)模型創(chuàng)建。

高樁碼頭參數(shù)化建模流程，如圖1所示。

完成模型如下圖2所示。

2 高樁碼頭模型構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的選取與設(shè)計(jì)

選取高樁碼頭模型中各類族文件拼接重合的位置為節(jié)點(diǎn)，參考榫卯結(jié)構(gòu)的原理，針對(duì)其所在的位置，構(gòu)件的形狀，分別進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目共設(shè)置了以下五類節(jié)點(diǎn)。

2.1 柱與柱的節(jié)點(diǎn)

由于柱為圓柱體構(gòu)件，且其截面尺寸一致，參照現(xiàn)代榫結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3。

2.2 橫向聯(lián)系梁與縱向聯(lián)系梁的節(jié)點(diǎn)

因?yàn)闄M向聯(lián)系梁與縱向聯(lián)系梁正好十字相錯(cuò)，形似榫卯結(jié)構(gòu)中的十字悵，但其橫向聯(lián)系梁的位置略高于縱向聯(lián)系梁，所以這個(gè)節(jié)點(diǎn)我們根據(jù)需求參考了十字悵的做法，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，如圖4。

2.3 聯(lián)系梁與聯(lián)系梁的節(jié)點(diǎn)

根據(jù)聯(lián)系梁前后端均受到柱的約束，可忽略其水平方向的滑動(dòng)，所以對(duì)于過(guò)長(zhǎng)的聯(lián)系梁，我們采取最常見(jiàn)的直榫結(jié)構(gòu)作為節(jié)點(diǎn)，如圖5。

2.4 柱與靠船構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)

由于靠船構(gòu)件依附在柱上，受到上層梁、下層柱共同施加的約束，可忽略其豎直方向上的滑動(dòng)，且柱的截面呈圓形而靠船構(gòu)件的截面為矩形，二者長(zhǎng)度不同，形狀不同，考慮到圓柱形與矩形的重合面涉及到弧形接口，我們參考了榫卯中與柱垂直面有交接的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出圓材丁字形結(jié)合的節(jié)點(diǎn)，如圖6。

2.5 板與聯(lián)系梁的節(jié)點(diǎn)

由于碼頭前沿面板由B1、B2兩塊面板接合，且每?jī)蓧K面板下方均橫穿三根聯(lián)系梁，所以我們直接在面板下方設(shè)置聯(lián)系梁凹槽口，利用聯(lián)系梁縱向連接面板，而橫向面板則采取嵌入接口，直接滑動(dòng)拼合兩塊面板，并利用縱向聯(lián)系梁約束面板，如圖7。

3 模型打印

本項(xiàng)目所用3D打印機(jī)為極光爾沃A8，使用材料：PLA，涉及建模軟件：Revit、3Ds max，切片軟件：Cura。

3.1 模型切片及打印

因該切片軟件僅支持STL格式文件，而Autodesk Revit無(wú)法直接導(dǎo)出STL格式文件，此時(shí)可借用其他軟件轉(zhuǎn)換格式。

本項(xiàng)目采用的中間軟件為3Ds max，將族文件由三維視圖導(dǎo)出，得到FBX格式，再將3D模型導(dǎo)入3Ds max，得到切片軟件所需的STL格式，最終在CURA內(nèi)調(diào)試打印溫度、檢測(cè)模型完整度，導(dǎo)出GCODE格式文件。

調(diào)平3D打印機(jī)平臺(tái)，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱結(jié)束后進(jìn)料，待噴頭拉絲后可直接選擇文件進(jìn)行打印。

3.2 驗(yàn)證模型精確度

由于3D打印機(jī)的運(yùn)作原理是將材料高溫融化后重新塑形，故而模型精度有限。且打印是逐圈進(jìn)行的，而模型在節(jié)點(diǎn)處設(shè)有空心形狀，材料細(xì)絲無(wú)法固定在沒(méi)有承接點(diǎn)的空心位置，在節(jié)點(diǎn)位置容易產(chǎn)生細(xì)小拉絲，而榫卯結(jié)構(gòu)在精度上要求極高，所以在新設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)打印后，要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)拼合測(cè)試，如圖8;節(jié)點(diǎn)拼合后構(gòu)件穩(wěn)定不松動(dòng)，不脫落，且易于拆卸，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于BIM技術(shù)的可視化、模擬性及參數(shù)化等特征，在3D打印技術(shù)逐步向建筑行業(yè)發(fā)展的情況下，結(jié)合高樁碼頭的裝配式特點(diǎn)，發(fā)揮我國(guó)傳統(tǒng)的榫卯結(jié)構(gòu)文化底蘊(yùn)，嘗試將榫卯結(jié)構(gòu)重新應(yīng)用于以鋼筋混凝土為材料的裝配式建筑中。因此，以實(shí)際工程案例為基礎(chǔ)，應(yīng)用BIM技術(shù)創(chuàng)建并檢查裝配式高樁碼頭模型，在可視化及參數(shù)化支持下，參考榫卯結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)高樁碼頭構(gòu)造節(jié)點(diǎn)，通過(guò)3D打印技術(shù)將構(gòu)造設(shè)計(jì)實(shí)體化，驗(yàn)證構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)精確性及穩(wěn)定性。為BIM技術(shù)及3D打印技術(shù)在裝配式高樁碼頭設(shè)計(jì)施工中提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳捷，沈壽亮，齊魯尚.BIM技術(shù)在高樁碼頭工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)水運(yùn)月刊，2018，18（11）：150-151.

[2]邢紅熙.BIM技術(shù)在高樁碼頭樁基施工中的應(yīng)用[J].城市建筑，2019（23）.

[3]萬(wàn)其炎，許書(shū)星.BIM技術(shù)在高樁碼頭碰樁驗(yàn)算中的應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)月刊，2018，18（10）：170-172.

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[5]陳靜，楊凱，馬瑞鑫，等.BIM技術(shù)在高樁碼頭監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].艦船電子工程，2018，038（011）：8-11，62.