CN114718365A - 一种基于bim的立体曲面空间网格结构模块化施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，解决立体曲面空间网格建筑结构进行施工时存在空间定位复杂、建筑结构安装精度控制难度大、吊装高空作业量大的技术问题。本发明依次进行Tekla模型建立、模块单元划分、施工过程模拟、模块单元工厂加工制作、虚拟预拼装、模块单元吊装、3D扫描合模校正。本发明采用施工过程模拟、模块化生产、模块化吊装、3D虚拟扫描、虚拟预拼装施工技术，将复杂螺旋双曲面空间网格建筑结构拆分为模块单元，在工厂进行组装，辅以3D扫描、虚拟预拼装、机器人自动放线、BIM技术手段，将大量复杂高空对接转换为模块高空组装，以降低此结构施工难度并提高施工精度，缩短安装施工工期。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构施工技术领域，具体涉及一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法。
背景技术
熊猫观光瞭望塔，结构采取螺旋双曲面网格柱结合内悬挑钢平台的形式，外观塔形如雨后春笋，内部景观成芙蓉花开，结构主体采用钢管斜网柱+钢平台组成的空间整体钢结构，熊猫塔以外轮廓斜柱网结构作为支撑体系，斜柱网钢柱共14根，呈中心发散对称布置，钢柱为圆管柱，钢柱截面沿塔楼向上逐渐缩小，斜柱网由圆钢柱呈交错螺旋状上升至顶部，形成斜柱网，斜网柱上设置弧形支撑，用于支撑钢平台结构。其复杂的空间造型进一步增加了建筑结构的建造难度，同时其建筑结构安装精度要求又高，传统施工方式在对此类建筑进行施工时，一般存在空间定位复杂、建筑结构安装精度控制难度大、以及吊装高空作业量大的缺陷。
本发明针对立体曲面空间网格建筑结构空间造型复杂、安装定位难度大、精度要求高、以及结构模块边界明显的的要求，设计一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，以克服该类建筑结构在施工时存在空间定位复杂、建筑结构安装精度控制难度大、以及吊装高空作业量大的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，解决现有技术在对立体曲面空间网格建筑结构进行施工时存在空间定位复杂、建筑结构安装精度控制难度大、以及吊装高空作业量大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，包括以下步骤：
步骤1、将立体曲面空间网格结构建立Tekla模型；
步骤2、在Tekla模型中将立体曲面空间网格结构进行模块单元划分；
步骤3、进行施工过程模拟以验证模块单元划分合理性；
步骤4、根据所划分的模块单元在工厂进行模块化加工制作；
步骤5、将工厂所加工制作出来的模块单元进行虚拟预拼装；
步骤6、立体曲面空间网格结构模块单元吊装；
步骤7、3D扫描合模校正。
进一步地，在所述步骤1中，在进行立体曲面空间网格结构建立Tekla模型时，在Tekla中按照图纸建立完整的立体曲面空间网格结构模型。
进一步地，在所述步骤2中，在立体曲面空间网格结构进行模块单元划分时，将立体曲面空间网格结构模型依据简化高空对接难度的原则进行划分，整体上划分为斜撑模块、外立面网格模块和钢平台模块。
进一步地，在所述步骤3中，在进行施工过程模拟以验证模块单元划分合理性时，采用通用有限元分析软件Midas/Gen，按照图纸建立立体曲面空间网格结构整体模型，立体曲面空间网格结构整体模型中构件规格和图纸相一致，立体曲面空间网格结构自重由通用有限元分析软件Midas/Gen自动计算，按照立体曲面空间网格结构整体模型吊装顺序对整个施工过程进行仿真模拟计算以验证模块单元划分的合理性。
进一步地，在按照立体曲面空间网格结构整体模型吊装顺序对整个施工过程进行仿真模拟计算时，整个拉索提升张拉过程按以下步骤进行：
步骤(1)、下部结构模拟吊装；
步骤(2)、内部电梯井模拟吊装；
步骤(3)、第一个模块单元模拟吊装、第二个模块单元模拟吊装、依次直至一层整层模块单元模拟吊装完成；
步骤(4)、重复步骤(1)至步骤(3)依次吊装后续楼层；
步骤(5)、立体曲面空间网格结构整体模型全部吊装完成。
进一步地，在所述步骤4中，在根据所划分的模块单元在工厂进行模块化加工制作时，从TEKLA模型中直接提取各构件的材质、尺寸数据导入XSuperNEST进行智能钢板排版下料，下料信息导入切割机床进行板材自动切割，在自动焊接机中导入构件尺寸信息及焊接强度要求，完成构件自动焊接。
进一步地，在所述步骤5中，在进行虚拟预拼装时，模块单元在工厂加工后，使用三维激光扫描仪对其进行扫描，基于点云三维方式获取所加工模块单元的三维数据，从而建立模块单元的实体模型以进行虚拟预拼装。
进一步地，在所述步骤6中，在进行立体曲面空间网格结构模块单元吊装时，由于模块单元的安装质量对后续施工影响大，为缩短模块单元定位安装时间、提高安装精度，采用自动放线机器人，利用其快速、精装、智能、劳动力需求少的特点，将立体曲面空间网格结构Tekla模型中的数据直接转化为立体曲面空间网格结构安装所需的精准坐标点，以实现高效、精确安装。
进一步地，在所述步骤7中，在进行3D扫描合模校正时，按楼层分次进行三维扫描；平均每两层立体曲面空间网格结构安装完成后，使用三维激光扫描仪对其进行扫描，基于点云三维方式获取立体曲面空间网格结构目标层的三维数据，从而建立立体曲面空间网格结构的实体模型，用于立体曲面空间网格结构安装现场调差及各模块单元修正，保证各模块单元在立体曲面空间网格结构施工现场的顺利安装。
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，采用施工过程模拟、模块化生产、模块化吊装、3D虚拟扫描、虚拟预拼装施工技术，将复杂螺旋双曲面空间网格建筑结构拆分为模块单元，在工厂进行组装，同时辅以3D扫描、虚拟预拼装、机器人自动放线、BIM技术手段，将原本大量的复杂高空对接转换为模块高空组装，能有效降低此类建筑结构的施工难度并提高施工精度，同时在保证施工质量的前提下还能有效缩短该类建筑结构安装施工工期。
附图说明
图1为本发明施工流程示意图。
图2为本发明斜撑模块示图。
图3为本发明外立面网格模块示图。
图4为本发明钢平台模块示图。
图5为本发明下部结构模拟吊装完成示图。
图6为本发明内部电梯井模拟吊装完成示图。
图7为本发明第一个模块单元模拟吊装完成示图。
图8为本发明第二个模块单元模拟吊装完成示图。
图9为本发明一层整层模块单元模拟吊装完成示图。
图10为本发明立体曲面空间网格结构整体模型全部模拟吊装完成示图。
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1-10所示，本发明提供的一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，其采用的施工思路为：结构在BIM模块划分、施工模拟基础上，进行模块化加工，现场采用大型吊机按施工模拟次序进行吊装，采用3D扫描结合BIM技术控制安装精度。
本发明一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法包括以下步骤：
步骤1、将立体曲面空间网格结构建立Tekla模型。
在进行立体曲面空间网格结构建立Tekla模型时，在Tekla中按照图纸建立完整的立体曲面空间网格结构模型。
步骤2、在Tekla模型中将立体曲面空间网格结构进行模块单元划分。
在立体曲面空间网格结构进行模块单元划分时，将立体曲面空间网格结构模型依据简化高空对接难度的原则进行划分，整体上划分为斜撑模块、外立面网格模块和钢平台模块。
步骤3、进行施工过程模拟以验证模块单元划分合理性。
在进行施工过程模拟以验证模块单元划分合理性时，采用通用有限元分析软件Midas/Gen，按照图纸建立立体曲面空间网格结构整体模型，立体曲面空间网格结构整体模型中构件规格和图纸相一致，立体曲面空间网格结构自重由通用有限元分析软件Midas/Gen自动计算，按照立体曲面空间网格结构整体模型吊装顺序对整个施工过程进行仿真模拟计算以验证模块单元划分的合理性。
在按照立体曲面空间网格结构整体模型吊装顺序对整个施工过程进行仿真模拟计算时，整个拉索提升张拉过程按以下步骤进行：
步骤(1)、下部结构模拟吊装；
步骤(2)、内部电梯井模拟吊装；
步骤(3)、第一个模块单元模拟吊装、第二个模块单元模拟吊装、依次直至一层整层模块单元模拟吊装完成；
步骤(4)、重复步骤(1)至步骤(3)依次吊装后续楼层；
步骤(5)、立体曲面空间网格结构整体模型全部吊装完成。
在根据所划分的模块单元在工厂进行模块化加工制作时，从TEKLA模型中直接提取各构件的材质、尺寸数据导入XSuperNEST进行智能钢板排版下料，下料信息导入切割机床进行板材自动切割，在自动焊接机中导入构件尺寸信息及焊接强度要求，完成构件自动焊接。
步骤5、将工厂所加工制作出来的模块单元进行虚拟预拼装。
在进行虚拟预拼装时，模块单元在工厂加工后，使用三维激光扫描仪对其进行扫描，基于点云三维方式获取所加工模块单元的三维数据，从而建立模块单元的实体模型以进行虚拟预拼装。
步骤6、立体曲面空间网格结构模块单元吊装。
在进行立体曲面空间网格结构模块单元吊装时，由于模块单元的安装质量对后续施工影响大，为缩短模块单元定位安装时间、提高安装精度，采用自动放线机器人，利用其快速、精装、智能、劳动力需求少的特点，将立体曲面空间网格结构Tekla模型中的数据直接转化为立体曲面空间网格结构安装所需的精准坐标点，以实现高效、精确安装。
步骤7、3D扫描合模校正。
在进行3D扫描合模校正时，按楼层分次进行三维扫描；平均每两层立体曲面空间网格结构安装完成后，使用三维激光扫描仪对其进行扫描，基于点云三维方式获取立体曲面空间网格结构目标层的三维数据，从而建立立体曲面空间网格结构的实体模型，用于立体曲面空间网格结构安装现场调差及各模块单元修正，保证各模块单元在立体曲面空间网格结构施工现场的顺利安装。
本发明设计科学合理，采用施工过程模拟、模块化生产、模块化吊装、3D虚拟扫描、虚拟预拼装施工技术，将复杂螺旋双曲面空间网格建筑结构拆分为模块单元，在工厂进行组装，同时辅以3D扫描、虚拟预拼装、机器人自动放线、BIM技术手段，将原本大量的复杂高空对接转换为模块高空组装，能有效降低此类建筑结构的施工难度并提高施工精度，同时在保证施工质量的前提下还能有效缩短该类建筑结构安装施工工期。
熊猫观光瞭望塔，结构采取螺旋双曲面网格柱结合内悬挑钢平台的形式，外观塔形如雨后春笋，内部景观成芙蓉花开，结构主体采用钢管斜网柱+钢平台组成的空间整体钢结构，熊猫塔以外轮廓斜柱网结构作为支撑体系，斜柱网钢柱共14根，呈中心发散对称布置，钢柱为圆管柱，钢柱截面沿塔楼向上逐渐缩小，斜柱网由圆钢柱呈交错螺旋状上升至顶部，形成斜柱网，斜网柱上设置弧形支撑，用于支撑钢平台结构。其复杂的空间造型进一步增加了建筑结构的建造难度，同时其建筑结构安装精度要求又高，传统施工方式在对此类建筑进行施工时，一般存在空间定位复杂、建筑结构安装精度控制难度大、以及吊装高空作业量大的缺陷。
本发明针对立体曲面空间网格建筑结构空间造型复杂、安装定位难度大、精度要求高、以及结构模块边界明显的的要求，设计一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，以克服该类建筑结构在施工时存在空间定位复杂、建筑结构安装精度控制难度大、以及吊装高空作业量大的缺陷。
本发明一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，首先，进行三维模型建立及模块划分，在Tekla中按照图纸建立完整的结构模型，将结构模型依据简化高空对接难度的原则进行划分，同时兼顾考虑运输、模块尺寸、模块重量等，整体上划分为斜撑模块、外立面网格模块、钢平台模块三种类型。
其次，进行模块加工及虚拟预拼装，从TEKLA模型中直接提取各构件的材质、尺寸等数据导入XSuperNEST进行智能钢板排版下料，下料信息导入切割机床进行板材自动切割。在自动焊接机中导入构件尺寸信息及焊接强度要求，完成构件自动焊接。模块单元在工厂加工后，使用三维激光扫描仪对钢结构进行扫描，基于点云三维方式获取目标钢结构的三维数据，从而建立钢结构实体模型进行虚拟预拼装。
再次，进行施工过程模拟，计算软件采用通用有限元分析软件Midas/Gen，按照图纸建立结构的整体模型，构件规格等和图纸一致，结构自重(自重系数1.2)由程序自动计算，按照整个结构模块吊装顺序对整个施工过程进行仿真模拟计算。整个拉索提升张拉过程主要分为六个阶段：第一步：下部结构吊装，第二步、内部电梯井吊装，第三步、第一个模块单元吊装，第四步：第二个模块单元吊装，第五步：一层模块单元吊装完成，第六步：重复上述步骤依次吊装后续楼层，第七步：全部结构单元吊装完成。
然后，进行钢结构模块化吊装，由于钢结构安装质量对后续施工影响大，为缩短钢结构定位安装时间、提高安装精度，采用自动放线机器人，利用其快速、精装、智能、劳动力需求少的特点，将钢结构模型中的数据直接转化为钢构安装所需的精准坐标点，帮助钢结构实现高效、精确安装。
最后，3D扫描合模校正，依据项目施工计划，按楼层分次进行进行三维扫描。平均每两层钢结构安装完成后，使用三维激光扫描仪对钢结构进行扫描，基于点云三维方式获取目标钢结构的三维数据，从而建立钢结构实体模型，用于钢结构现场调差，及各专业模型修正，保证各专业生产的材料在现场顺利安装。
本发明一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，基于BIM的空间模块划分及施工模拟技术，在BIM的Tekla模块中建立完整的立体曲面空间网格结构模型，在网格模型中进行结构的模块划分，通过模块划分，将复杂构造最大限度的包含在模块内，高空尽量只留必要的简单对接，通过有限元软件midas进行结构全过程施工模拟分析，获得支撑点、空间网格结构、钢平台在实施过程中的变形及应力值。从而确保模块划分合理，施工过程的安全，为施工监测提供参照数据，同时对施工过程进行预判分析。采用模块加工及虚拟预拼装技术，立体曲面空间网格结构按照模型划分的单元，在加工厂进行模块化加工，严格控制各模块单元尺寸，模块单元采用3D扫描后进行虚拟预拼装，模块之间对接口预留调节装置，同时设置临时对接定位板方便对接。
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 (9)
1.一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将立体曲面空间网格结构建立Tekla模型；
步骤2、在Tekla模型中将立体曲面空间网格结构进行模块单元划分；
步骤3、进行施工过程模拟以验证模块单元划分合理性；
步骤4、根据所划分的模块单元在工厂进行模块化加工制作；
步骤5、将工厂所加工制作出来的模块单元进行虚拟预拼装；
步骤6、立体曲面空间网格结构模块单元吊装；
步骤7、3D扫描合模校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，其特征在于，在所述步骤1中，在进行立体曲面空间网格结构建立Tekla模型时，在Tekla中按照图纸建立完整的立体曲面空间网格结构模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，其特征在于，在所述步骤2中，在立体曲面空间网格结构进行模块单元划分时，将立体曲面空间网格结构模型依据简化高空对接难度的原则进行划分，整体上划分为斜撑模块、外立面网格模块和钢平台模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，其特征在于，在所述步骤3中，在进行施工过程模拟以验证模块单元划分合理性时，采用通用有限元分析软件Midas/Gen，按照图纸建立立体曲面空间网格结构整体模型，立体曲面空间网格结构整体模型中构件规格和图纸相一致，立体曲面空间网格结构自重由通用有限元分析软件Midas/Gen自动计算，按照立体曲面空间网格结构整体模型吊装顺序对整个施工过程进行仿真模拟计算以验证模块单元划分的合理性。
5.根据权利要求4所述的一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，其特征在于，在按照立体曲面空间网格结构整体模型吊装顺序对整个施工过程进行仿真模拟计算时，整个拉索提升张拉过程按以下步骤进行：
步骤(1)、下部结构模拟吊装；
步骤(2)、内部电梯井模拟吊装；
步骤(3)、第一个模块单元模拟吊装、第二个模块单元模拟吊装、依次直至一层整层模块单元模拟吊装完成；
步骤(4)、重复步骤(1)至步骤(3)依次吊装后续楼层；
步骤(5)、立体曲面空间网格结构整体模型全部吊装完成。
6.根据权利要求1所述的一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，其特征在于，在所述步骤4中，在根据所划分的模块单元在工厂进行模块化加工制作时，从TEKLA模型中直接提取各构件的材质、尺寸数据导入XSuperNEST进行智能钢板排版下料，下料信息导入切割机床进行板材自动切割，在自动焊接机中导入构件尺寸信息及焊接强度要求，完成构件自动焊接。
7.根据权利要求1所述的一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，其特征在于，在所述步骤5中，在进行虚拟预拼装时，模块单元在工厂加工后，使用三维激光扫描仪对其进行扫描，基于点云三维方式获取所加工模块单元的三维数据，从而建立模块单元的实体模型以进行虚拟预拼装。
8.根据权利要求1所述的一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，其特征在于，在所述步骤6中，在进行立体曲面空间网格结构模块单元吊装时，由于模块单元的安装质量对后续施工影响大，为缩短模块单元定位安装时间、提高安装精度，采用自动放线机器人，利用其快速、精装、智能、劳动力需求少的特点，将立体曲面空间网格结构Tekla模型中的数据直接转化为立体曲面空间网格结构安装所需的精准坐标点，以实现高效、精确安装。
9.根据权利要求1所述的一种基于BIM的立体曲面空间网格结构模块化施工方法，其特征在于，在所述步骤7中，在进行3D扫描合模校正时，按楼层分次进行三维扫描；平均每两层立体曲面空间网格结构安装完成后，使用三维激光扫描仪对其进行扫描，基于点云三维方式获取立体曲面空间网格结构目标层的三维数据，从而建立立体曲面空间网格结构的实体模型，用于立体曲面空间网格结构安装现场调差及各模块单元修正，保证各模块单元在立体曲面空间网格结构施工现场的顺利安装。
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