CN114704006A - 一种基于bim的开合式仿生月牙金属格栅施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，解决现有技术施工难度大、施工质量不稳定、施工效率低、以及美观性不理想的技术问题。本发明主要为：格栅结构尺寸设计、塔冠与中部可开合格栅设计、格栅开合装置试验、格栅支座设计、格栅外包装饰层设计、格栅参数化下料、数字化加工制造与3D打印、BIM测量坐标系、BIM全站仪定位放线、三维激光扫描与格栅模型修正和格栅吊装。本发明以有效降低施工难度、提高施工效率、提升美观度、保证施工质量，同时方便安装。本发明通过BIM技术进行深化设计、信息提取，格栅采用数字化加工，能有效降低施工难度、提高施工效率。

Description

一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法
技术领域
本发明属于建筑方法技术领域，具体涉及一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法。
背景技术
随着城市公园示范区建设不断深化，越来越多造型各异，结构复杂的仿生建筑做为景观出现在生态公园中。这类建筑追求造型仿生及功能特异，复杂的空间造型进一步增加了结构建筑的建造难度，此类建筑在以往施工中，往往存在空间定位复杂，结构安装精度控制难度大，吊装高空作业量大等特点。需要通过复杂的结构配合建筑装饰来实现最终的效果。尤其是双曲造型幕墙月牙格栅，其加工及安装精度要求高，格栅支座埋置准确性要求高，存在施工难度大、无法调节、端头铝板拼缝较多、美观性不理想、格栅月牙的端头部分接缝收口施工质量不稳定、以及施工效率低等诸多技术问题。
因此，设计一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，以降低施工难度、提高施工效率、提升美观度、方便安装、以及保证施工质量，成为所属技术领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，解决现有技术施工难度大、施工质量不稳定、施工效率低、以及美观性不理想的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，包括以下步骤：
步骤1、格栅结构尺寸设计；
步骤2、塔冠与中部可开合格栅设计；
步骤3、格栅开合装置试验；
步骤4、格栅支座设计；
步骤5、格栅外包装饰层设计；
步骤6、格栅参数化下料；
步骤7、数字化加工制造与3D打印；
步骤8、BIM测量坐标系；
步骤9、BIM全站仪定位放线；
步骤10、三维激光扫描与格栅模型修正；
步骤11、格栅吊装。
进一步地，在所述步骤1中，在进行格栅结构尺寸设计时，将格栅截面矩通导入Midas进行结构计算，输入恒载、活载、风压、风吸、地震力标准值后，确保格栅杆件变形值与应力值小于材料允许值。
进一步地，在所述步骤2中，在进行塔冠与中部可开合格栅设计时，采用Catia对格栅及开合液压装置进行设计，在Rhino中提取设计后的格栅定位法线，导入Catia中进行参数化格栅创建，并对需开合格栅进行液压推拉杆设计，形成开合装置模型与格栅模型；
将开合装置模型与格栅模型导入ABAQUS进行恒载+风标准组合下的位移、风工况下的位移验算，以及恒载+风基本组合下的强度验算，查看理论状态下的结构安全性。
进一步地，在所述步骤3中，在进行格栅开合装置试验时，在ABAQUS验算合格后，开展三部分开合装置试验，分别为开合格栅应力试验、开合轴承方案比选、液压杆推力调试，以保证开合节点与结构的安全。
进一步地，在所述步骤4中，在进行格栅支座设计时，在Catia中结合设计后的格栅截面尺寸，将格栅连接节点设计为连接板+支座圆管+转接矩管结构，同时对设计后的格栅支座进行受力验算：支座圆管与主结构钢管相贯焊接，通过ansys建立计算模型进行分析，确保支座圆管加载位置最大应力值，支座圆管与主结构钢管相贯节点区域最大应力值，主结构钢管节点区域强度满足要求。
进一步地，在所述步骤5中，在进行格栅外包装饰层设计时，在Catia中将外包装饰层设计为型材+铝板+型材的三层紧密贴合结构，在所述步骤6中，在进行格栅参数化下料时，按照设计图纸建立完整的格栅模型，使用格栅模型进行参数化下料，并出具格栅加工图及现场安装指导图。
进一步地，在所述步骤7中，在进行数字化加工制造与3D打印时，为了加快施工进度的同时保证格栅的加工质量，对格栅加工采用数字化加工制造方式；在Catia中将格栅进行分区编号，按分区编号导出格栅加工图及料表、铝合金型材加工图及料表、格栅支座加工图及料表；
将型材截面尺寸信息导入数控机床，自动雕刻出型材模具，再根据Catia提取的加工料表自动生产出型材直料，最后再按照Catia提取的每根型材弧度，完成型材拉弯加工。
进一步地，在所述步骤8中，在进行BIM测量坐标系时，布置测量控制坐标系，将测量控制点坐标输入格栅模型中，并将格栅模型中的正北方向调整至与控制坐标对应的正确位置，以保证格栅模型提取的坐标数据可在安装测量时直接使用，同时还可保证三维激光扫描获取的实体模型在导入软件后，与格栅模型完全重合。
进一步地，在所述步骤9中，在进行BIM全站仪定位放线时，直接在格栅模型中提取格栅支座定位坐标数据，将各格栅支座坐标输出为excel文件并直接导入全站仪中进行测量放样；通过BIM直接获取测量各格栅支座坐标数据，能有效省略测量员的格栅支座坐标数据提取工作，还能避免人为操作出现放样偏差。
进一步地，在所述步骤10中，在进行三维激光扫描与格栅模型修正时，将钢结构实体扫描模型导入Catia，将扫描模型与钢结构标准模型进行对比，偏差大于10mm部位将按照扫描模型修正格栅支座位置与格栅弧长，以保证格栅下料准确性从而确保幕墙格栅顺利施工；在所述步骤11中，在进行格栅吊装时，采用塔吊或汽车吊整体从下至上，同一平面从内至外进行吊装
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明设计科学合理，可以有效降低施工难度、提高施工效率、提升美观度、保证施工质量，同时方便安装。本发明通过BIM技术进行深化设计、信息提取，格栅采用数字化加工，能有效降低施工难度、提高施工效率。使用三维激光扫描技术对钢结构进行逆向建模，精确生成幕墙格栅支座相贯线，避免现场支座无法安装；基于BIM的数字化加工，可降低钢材损耗率，节约施工成本。对端头盖板进行深化设计以减少拼缝，同时提升美观度，且安装方便。
附图说明
图1为本发明格栅结构示意图。
图2为本发明格栅支座结构示意图。
图3为本发明格栅支座装配于主结构钢管上示意图。
图4为本发明格栅弧长调整示意图。
图5为本发明钢结构标准模型示意图。
图6为本发明格栅支座位置修正示意图。
图7为本发明端头盖板装配示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-7所示，本发明提供的一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，包括以下步骤：
步骤1、格栅结构尺寸设计。
如图1所示，在进行格栅结构尺寸设计时，将格栅截面矩通导入Midas进行结构计算，输入恒载、活载、风压、风吸、地震力标准值后，确保格栅杆件变形值与应力值小于材料允许值。
步骤2、塔冠与中部可开合格栅设计。
在进行塔冠与中部可开合格栅设计时，采用Catia对格栅及开合液压装置进行设计，在Rhino中提取设计后的格栅定位法线，导入Catia中进行参数化格栅创建，并对需开合格栅进行液压推拉杆设计，形成开合装置模型与格栅模型。
将开合装置模型与格栅模型导入ABAQUS进行恒载+风标准组合下的位移、风工况下的位移验算，以及恒载+风基本组合下的强度验算，查看理论状态下的结构安全性。
步骤3、格栅开合装置试验。
在进行格栅开合装置试验时，在ABAQUS验算合格后，开展三部分开合装置试验，分别为开合格栅应力试验、开合轴承方案比选、液压杆推力调试，以保证开合节点与结构的安全。本发明中所进行的开合格栅应力试验、开合轴承方案比选和液压杆推力调试均为现有常规试验。
步骤4、格栅支座设计。
如图2和图3所示，在进行格栅支座设计时，在Catia中结合设计后的格栅截面尺寸，将格栅连接节点设计为连接板+支座圆管+转接矩管结构，同时对设计后的格栅支座进行受力验算：支座圆管与主结构钢管相贯焊接，通过ansys建立计算模型进行分析，确保支座圆管加载位置最大应力值，支座圆管与主结构钢管相贯节点区域最大应力值，主结构钢管节点区域强度满足要求。
步骤5、格栅外包装饰层设计。
在进行格栅外包装饰层设计时，在Catia中将外包装饰层设计为型材+铝板+型材的三层紧密贴合结构。
步骤6、格栅参数化下料。
在进行格栅参数化下料时，按照设计图纸建立完整的格栅模型，使用格栅模型进行参数化下料，并出具格栅加工图及现场安装指导图。
步骤7、数字化加工制造与3D打印。
在进行数字化加工制造与3D打印时，为了加快施工进度的同时保证格栅的加工质量，对格栅加工采用数字化加工制造方式；在Catia中将格栅进行分区编号，按分区编号导出格栅加工图及料表、铝合金型材加工图及料表、格栅支座加工图及料表。
将型材截面尺寸信息导入数控机床，自动雕刻出型材模具，再根据Catia提取的加工料表自动生产出型材直料，最后再按照Catia提取的每根型材弧度，完成型材拉弯加工。
步骤8、BIM测量坐标系。
在进行BIM测量坐标系时，布置测量控制坐标系，将测量控制点坐标输入格栅模型中，并将格栅模型中的正北方向调整至与控制坐标对应的正确位置，以保证格栅模型提取的坐标数据可在安装测量时直接使用，同时还可保证三维激光扫描获取的实体模型在导入软件后，与格栅模型完全重合。
步骤9、BIM全站仪定位放线。
在进行BIM全站仪定位放线时，直接在格栅模型中提取格栅支座定位坐标数据，将各格栅支座坐标输出为excel文件并直接导入全站仪中进行测量放样；通过BIM直接获取测量各格栅支座坐标数据，能有效省略测量员的格栅支座坐标数据提取工作，还能避免人为操作出现放样偏差。
步骤10、三维激光扫描与格栅模型修正。
如图4、图5和图6所示，在进行三维激光扫描与格栅模型修正时，将钢结构实体扫描模型导入Catia，将扫描模型与钢结构标准模型进行对比，偏差大于10mm部位将按照扫描模型修正格栅支座位置与格栅弧长，以保证格栅下料准确性从而确保幕墙格栅顺利施工。
步骤11、格栅吊装。
在进行格栅吊装时，采用塔吊或汽车吊整体从下至上，同一平面从内至外进行吊装。
本发明设计科学合理，可以有效降低施工难度、提高施工效率、提升美观度、保证施工质量，同时方便安装。本发明通过BIM技术进行深化设计、信息提取，格栅采用数字化加工，能有效降低施工难度、提高施工效率。使用三维激光扫描技术对钢结构进行逆向建模，精确生成幕墙格栅支座相贯线，避免现场支座无法安装；基于BIM的数字化加工，可降低钢材损耗率，节约施工成本。如图7所示，本发明对端头盖板进行深化设计以减少拼缝，同时提升美观度，且安装方便。
随着城市公园示范区建设不断深化，越来越多造型各异，结构复杂的仿生建筑做为景观出现在生态公园中。这类建筑追求造型仿生及功能特异，复杂的空间造型进一步增加了结构建筑的建造难度，此类建筑在以往施工中，往往存在空间定位复杂，结构安装精度控制难度大，吊装高空作业量大等特点。需要通过复杂的结构配合建筑装饰来实现最终的效果。尤其是双曲造型幕墙月牙格栅，其加工及安装精度要求高，格栅支座埋置准确性要求高，存在施工难度大、无法调节、端头铝板拼缝较多、美观性不理想、格栅月牙的端头部分接缝收口施工质量不稳定、以及施工效率低等诸多技术问题。
因此，本发明设计了一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，以降低施工难度、提高施工效率、提升美观度、方便安装、以及保证施工质量，从而可有效解决上述部分技术问题。
本发明在进行塔冠与中部可开合格栅设计时，由于可开启格栅需进行机械液压装置的设计，在Rhino中无法对机械装置进行清晰、细腻的表达，因此选用Catia对格栅及开合液压装置进行深化设计。在Rhino中提取深化后的格栅定位法线，导入Catia中进行参数化格栅创建，并对需开合的格栅进行液压推拉杆设计。将开合装置与配套格栅模型导入ABAQUS进行恒载+风标准组合下的位移、风工况下的位移验算，以及恒载+风基本组合下的强度验算，查看理论状态下的结构安全性。
本发明在进行格栅支座深化设计时，结合深化后的格栅截面尺寸，为保证格栅安装精度以及格栅安装的可操作性，格栅连接节点深化为连接板+支座圆管+转接矩管的形式。对深化后的格栅支座进行受力验算：支座圆管与主结构钢管相贯焊接，通过ansys建立计算模型进行分析，确保支管加载位置最大应力值，支管与主管相贯节点域区域最大应力值，主管节点区域强度均满足要求
本发明在进行格栅外包装饰层深化设计时，格栅原设计外包装饰层为整体式铝合金型材，加工难度大、造价高，且光彩灯槽设计不合理。导致光彩工程所需的LED灯带无法安装，加之原设计灯槽开口方向影响光彩效果，将整体式铝型材深化为：型材+铝板+型材的组合形式。并且将灯槽尺寸及灯槽朝向进行优化。
本发明在进行BIM全站仪定位放线时，为了格栅施工定位的准确性，直接在模型中提取格栅支座定位坐标数据，将各支座坐标输出为excel文件并直接导入全站仪中进行测量放样。通过BIM直接获取测量坐标数据，既可省略测量员的坐标提取工作，又可避免人为操作出现的放样偏差。
本发明在进行三维激光扫描与格栅模型修正时，将钢结构实体扫描模型导入Catia，对比扫描模型与钢结构标准模型的偏差。偏差大于10mm的部位，将按照扫描模型修正格栅支座位置与格栅弧长。保证格栅下料的准确性，从而确保幕墙格栅的顺利施工。
最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、格栅结构尺寸设计；
步骤2、塔冠与中部可开合格栅设计；
步骤3、格栅开合装置试验；
步骤4、格栅支座设计；
步骤5、格栅外包装饰层设计；
步骤6、格栅参数化下料；
步骤7、数字化加工制造与3D打印；
步骤8、BIM测量坐标系；
步骤9、BIM全站仪定位放线；
步骤10、三维激光扫描与格栅模型修正；
步骤11、格栅吊装。
2.根据权利要求1所述的一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，其特征在于，在所述步骤1中，在进行格栅结构尺寸设计时，将格栅截面矩通导入Midas进行结构计算，输入恒载、活载、风压、风吸、地震力标准值后，确保格栅杆件变形值与应力值小于材料允许值。
3.根据权利要求1所述的一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，其特征在于，在所述步骤2中，在进行塔冠与中部可开合格栅设计时，采用Catia对格栅及开合液压装置进行设计，在Rhino中提取设计后的格栅定位法线，导入Catia中进行参数化格栅创建，并对需开合格栅进行液压推拉杆设计，形成开合装置模型与格栅模型；
将开合装置模型与格栅模型导入ABAQUS进行恒载+风标准组合下的位移、风工况下的位移验算，以及恒载+风基本组合下的强度验算，查看理论状态下的结构安全性。
4.根据权利要求1所述的一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，其特征在于，在所述步骤3中，在进行格栅开合装置试验时，在ABAQUS验算合格后，开展三部分开合装置试验，分别为开合格栅应力试验、开合轴承方案比选、液压杆推力调试，以保证开合节点与结构的安全。
5.根据权利要求1所述的一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，其特征在于，在所述步骤4中，在进行格栅支座设计时，在Catia中结合设计后的格栅截面尺寸，将格栅连接节点设计为连接板+支座圆管+转接矩管结构，同时对设计后的格栅支座进行受力验算：支座圆管与主结构钢管相贯焊接，通过ansys建立计算模型进行分析，确保支座圆管加载位置最大应力值，支座圆管与主结构钢管相贯节点区域最大应力值，主结构钢管节点区域强度满足要求。
6.根据权利要求1所述的一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，其特征在于，在所述步骤5中，在进行格栅外包装饰层设计时，在Catia中将外包装饰层设计为型材+铝板+型材的三层紧密贴合结构，在所述步骤6中，在进行格栅参数化下料时，按照设计图纸建立完整的格栅模型，使用格栅模型进行参数化下料，并出具格栅加工图及现场安装指导图。
7.根据权利要求6所述的一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，其特征在于，在所述步骤7中，在进行数字化加工制造与3D打印时，为了加快施工进度的同时保证格栅的加工质量，对格栅加工采用数字化加工制造方式；在Catia中将格栅进行分区编号，按分区编号导出格栅加工图及料表、铝合金型材加工图及料表、格栅支座加工图及料表；
将型材截面尺寸信息导入数控机床，自动雕刻出型材模具，再根据Catia提取的加工料表自动生产出型材直料，最后再按照Catia提取的每根型材弧度，完成型材拉弯加工。
8.根据权利要求1所述的一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，其特征在于，在所述步骤8中，在进行BIM测量坐标系时，布置测量控制坐标系，将测量控制点坐标输入格栅模型中，并将格栅模型中的正北方向调整至与控制坐标对应的正确位置，以保证格栅模型提取的坐标数据可在安装测量时直接使用，同时还可保证三维激光扫描获取的实体模型在导入软件后，与格栅模型完全重合。
9.根据权利要求1所述的一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，其特征在于，在所述步骤9中，在进行BIM全站仪定位放线时，直接在格栅模型中提取格栅支座定位坐标数据，将各格栅支座坐标输出为excel文件并直接导入全站仪中进行测量放样；通过BIM直接获取测量各格栅支座坐标数据，能有效省略测量员的格栅支座坐标数据提取工作，还能避免人为操作出现放样偏差。
10.根据权利要求1所述的一种基于BIM的开合式仿生月牙金属格栅施工方法，其特征在于，在所述步骤10中，在进行三维激光扫描与格栅模型修正时，将钢结构实体扫描模型导入Catia，将扫描模型与钢结构标准模型进行对比，偏差大于10mm部位将按照扫描模型修正格栅支座位置与格栅弧长，以保证格栅下料准确性从而确保幕墙格栅顺利施工；在所述步骤11中，在进行格栅吊装时，采用塔吊或汽车吊整体从下至上，同一平面从内至外进行吊装。
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