Tekla BIM技术在上海城建PC建筑深化设计中的应用

夏海兵 熊 城

(上海城建集团，上海 200032)

1 概述

预制装配式住宅(简称PC)，指先在工厂生产加工主要构件等，然后再通过运输工具送到工地现场，最后在现场拼装成完整的住宅建筑。PC建筑具有施工工期短，投资回收快;施工方便，节能环保;高质量，出色地强度，品质和耐久性等优点。在日本，一幢5层楼民用住宅采用全PC构件组装，安装完工仅需10天。据统计数据，应用PC建筑技术，建造速度相比传统施工工艺可提高30%—50%。工厂化生产的PC构件，无论强度、品质、耐久性和抗震性能均大大高于现场浇注的混凝土结构，也更能满足“节能”和“环境友好型”设计的要求。例如，用在PC建筑中的预制混凝土夹芯保温复合墙板，就是事先将保温材料像夹心饼干一样做在混凝土墙体中，这样就不易受外界环境侵蚀，建筑的保温性能和安全性也更好。Tekla Structures是第一款用于混凝土结构的BIM软件。预制混凝土的制造者及深化设计员可受益于其独一无二的3D结构建模和详细深化工具，它们可以用来创建任何形式的混凝土结构。Tekla BIM模型在整个工程建造的过程中可以共享，这些过程包括结构设计、深化设计、制造以及施工阶段，从而可以形成一个完整的项目流程。参与者可以从共享的模型中创建任何图纸、报告或者其它形式的输出。和基于2D的CAD图纸相比，Tekla BIM模型可以带来高效率及准确性，在整个项目过程中全面提高生产率。

图1 PC构件现场吊装

预制装配式建筑将传统的建筑构件化、模数化，并以工业化的方式生产，相比一般建筑，PC建筑自身特点使它适合应用 Tekla BIM技术，我们把Tekla BIM技术应用到PC建筑，充分结合二者的优势，把整个建筑流程的信息更好的集成起来，实现数据共享，构建各个专业协调工作的平台，减少重复劳动，从而进一步提升PC建筑的效率。

2 创建PC项目的Tekla BIM模型

Tekla Structures软件包含了所有可以在实际建筑结构中找到的对象的零件命令，它支持3D环境中的参数化建模，我们在使用的零件属性对话框中定义好对应的参数(名称、截面、强度等)，甚至还可以在零件用户定义属性中添加定制的参数，就可以很快的创建出需要的Tekla BIM模型。

此外，还可以使用Tekla的整合功能，将其它软件中创建的3D模型转成Tekla中的结构模型。例如在上海首个住宅产业化示范基地—“上海城建预制装配式建筑研发中心”2号实验楼项目中，我们将Revit中创建完成的2号楼模型输出为IFC(Industry Foundation Class，即工业基础标准)格式，然后在Tekla中，以参考模型的形式导入此IFC文件，再利用Tekla内置的“转换IFC对象”功能直接将参考模型转化为可编辑、深化的Tekla BIM模型。

结构模型搭建之后，可以利用Tekla Structures丰富的内置混凝土配筋节点进行配筋，所有参数，包括钢筋的混凝土保护层厚度，主筋的长度、半径、等级、箍筋的数量、间距、加密区及非加密区的详细布置等等都可以直接在形象的配筋节点对话框中设置。

此外，我们大部分时候总会有特殊的配筋节点要求，而这时Tekla Structures自带的节点就无法满足我们的需要。不过Tekla开放的节点库允许用户二次开发参数化节点并保存在节点库中随时可以调用。

3 BIM模型的应用

创建好的Tekla BIM模型是集成了项目大量信息的数据模型，这里的信息不仅是三维几何信息，还包括了各种非几何信息但又非常重要的数据，如构件的材质、空间定位、时间属性、编码等等。这样的一个数据模型，不仅能用于设计阶段，还可以用于工厂建造，运输管理，施工管理乃至整个建筑生命周期的各个阶段。下文将对我们应用Tekla BIM模型的情况作一个简单的介绍。

图2 上海某大型保障性居住社区住宅Tekla模型

3．1 智能碰撞检查

我们需要从信息繁多的BIM模型中找到原有设计的不合理信息继而优化我们的设计。比如从图6可以看到，完成配筋的整个Tekla BIM模型钢筋错综复杂，由此模型生成的PC构件图将直接用于指导加工生产和现场吊装，模型中PC构件、主筋、箍筋、拉结筋、K支架等是否存在不合理碰撞，如图7所示的关键位置，这是预制梁柱连接部位，预制梁a、b、c均有25mm搁置在下方预制柱a的顶部，中间的灰色区域需要在现场浇筑完成。这个区域梁和柱的主筋密集交错排布，一旦发生碰撞，这将给现场的吊装带来极大地不便。无论是返回到工厂修改或是在现场整改都将延误工期，造成大量的人工及材料的浪费。

图3 Revit建筑模型转化为Tekla结构模型

我们利用Tekla Structures软件自带的碰撞检查功能可以很好解决这样的隐患，在设计阶段就提前发现问题并可以很方便的利用钢筋的参数进行设置调整，避免施工阶段的返工。

图4 Tekla内置板配筋节点

图5 Tekla参数化配筋节点

3．2 自动生成PC构件深化图

以上海城建浦江保障房一期PC项目为例，这个项目一期的预制构件近1万5千根，如果所有的预制构件图纸都以传统二维方式生成，那么出图的工作量将无比巨大，而一旦设计有了变更，修改的工作量也是异常艰巨，更难以想象的是，由于设计更改导致的所有图纸修改都必须由人脑来考虑，可以预知，那样导致的图纸错误将是不可避免的。

有了Tekla BIM模型，我们可以直接由模型自动生成各平、立、剖面图以及PC构件深化详图，有别于传统CAD创建的数据孤立的二维图纸，Tekla自动生成的图纸和模型动态链接，一旦模型数据发送修改，与其关联的所有图纸都将自动更新。

图6 上海某大型保障性居住社区住宅完整Tekla配筋模型

我们还根据每个构件的三维定位属性生成其独有的构件编码(非构件编号)，并定制了Tekla模板文件在浇筑体图纸中以条形码的形式生成构件编码。在构件加工厂，工人在每个构件中都置入一个RFID(Radio Frequency Identification无线射频识别)芯片，用定制的手持设备扫描构件对应的加工图纸上条形码来读取构件的唯一编码以写入进RFID芯片中，每个构件中都永远跟随一个标识芯片，同时这个编码与芯片的关联信息还会通过现场无线局域网传输进远程的管理系统，而且在构件加工、运输、吊装的任何阶段，工人都会将每个构件的即时状态通过手持设备扫描芯片并传输到上海城建管理系统。这样，任何构件的加工状态、吊装状态甚至是在建筑运营阶段的状态都是可监控的，从而实现构件乃至整个建筑的全生命周期管理。

3．3 自动统计材料清单及创建各类报表

Tekla BIM模型是一个包含丰富工程信息的数据库，可以根据软件自带或自定制的各类模板进行工程量统计，可以真实地提供造价管理需要的工程量信息，软件可以快速对各种构件进行统计分析，减少了繁琐的人工操作和潜在错误，实现工程量信息与设计方案的完全一致。

3．4 4D施工模拟

建筑施工是复杂的动态工作，它包括多道工序，其施工方法和组织程序存在多样性和多变性的特点，目前对施工方案的优化主要依赖施工经验，存在一定局限性，而模拟施工过程就是通过仿真手段，设计和制定施工方案，同时也可以发现实际施工中存在的问题或可能出现的问题。在上海首个住宅产业化示范基地—“上海城建预制装配式建筑研发中心”2号实验楼项目中，我们在Tekla BIM模型中导入MSProject编制完成的2号实验楼施工计划甘特图，将3D模型与施工计划相关联，Tekla中的任务管理器可以将施工计划时间写入相应构件的用户定义属性中，这样就在Tekla 3D模型基础上加入了时间因素，使其变成一个可模拟现场施工及吊装管理的4D模型。

图13 构件参数中已自动加入时间属性

在4D施工展示中，输入任意一个日期去查看当天现场的施工情况。下图中，绿色构件表示在输入的日期之前已经吊装完成，而红色构件表示当天正在吊装。

除了进行项目的4D模拟之外，我们在Tekla模型中还对项目进行简易的吊装模拟，让施工人员更加直观地了解施工工序，提前规划吊车位置及路径、定制并优化构件吊装计划，使吊装过程更加有序性、科学性。

4 总结

我们在PC设计及深化中应用Tekla BIM技术，将传统的二维图纸提升到三维建筑BIM模型，使得我们的PC设计及深化做到尽善尽美。我们在可视化的BIM模型中集成了大量的项目信息，模型碰撞检查、工程量统计、构件深化图等工作都可以实现自动化，很大的提高了PC设计与深化的工作效率及准确性。而同样利用模型可视化的功能实现的4D项目管理，可以帮助我们检验施工方案的合理性，协助项目管理人员精确有效的管理PC建筑的施工。通过这些应用，我们可以看出Tekla BIM技术在预制装配式住宅乃至整个建筑行业的应用前期都非常广阔，但是我们也要看到它的美中不足，比如它的4D(3D+时间)、5D(3D+时间+成本)功能的不足与缺陷，异形构件配筋功能的残疾、图纸中尺寸标注的不够智能化。我们希望Tekla公司能够不断完善软件功能，带给我们用户更加完美的软件应用体验。

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