基于BIM的地下粮仓虚拟设计

陈桂香，郝柄慧，赵一青

(河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001)

0 引言

目前粮食储备仓型中，80%以上为散装粮平房仓，储粮环境突出表现为夏季仓温偏高，持续维持在35～40 ℃，由此带来虚热滞后，导致粮食品质劣变和粮食生虫.而在现有的储粮环境下对粮食进行化学熏蒸，既对粮食有所污染，排放的磷化氢气体又会污染环境.如果采用人工制冷对粮食谷物进行冷却，则需耗费大量的能源，不符合节能、低碳的节约型社会要求.因此，研究节能、节地、无污染、低损耗的地下储粮新仓型已经迫在眉睫.

大直径钢筋混凝土地下粮仓是依托国家“十二五”科技支撑计划项目开发的新型地下粮仓，它克服了原有地下仓具有的仓容量小、易受地形限制、粮食进出不符合机械化作业等不足.大直径钢筋混凝土地下仓目前尚处于研究阶段，除课题组建设的小型试验仓外，没有已建成的实体工程进行参考，缺乏相关经验.因此，运用BIM 技术进行虚拟设计，对地下粮仓优化设计、施工方案及大规模推广应用具有一定的参考价值.

BIM（Building Information Model）通过建立参数化的模型，将粮仓的物理信息和几何信息包括在模型中，可真实表现出物体所具有的各种特性.2011 年住房和城乡建设部印发了《2011—2015 年建筑业信息化发展纲要》，首次将BIM 技术列入发展计划.因此将BIM 技术应用到粮仓的建设中，也是对国家政策的响应.国内外对于BIM 在工程上的探究已有报道，朱江等[1]探讨了将BIM 技术应用到铁路建设设计中的思路，并提出了相关的设想.高永刚等[2]论述了BIM 在杭州火车东站工程项目中的应用.张建平等[3]针对工程施工中BIM 应用，提出了相关技术架构系统流程和应对措施.李红学等[4]提出了基于BIM 的桥梁工程设计和施工优化解决方案.

作者以某地区拟建的大直径钢筋混凝土地下仓为例，结合BIM 技术特点，运用Revit 软件，对仓底、仓壁、仓顶进行三维建模，利用Navisworks 软件进行三维建筑模型与时间维度集成的4D 施工过程和进出粮过程的动态模拟.

1 BIM 技术在粮仓中应用的特点

BIM 思想源于20 世纪70 年代，之后Charles Eastman、Jerry Laiserin 及McGraw-Hill 建筑信息公司等都对其概念进行了定义.美国BIM 标准定义：BIM 是一个能让各方协同作业，并具有项目所有信息和资源的模型[5].Autodesk 公司定义：BIM 是指建筑物在设计和建造过程中，创建和使用的“可计算数字信息”，这些数字信息能够被程序系统自动管理，计算出的各种文件具有一致性.

BIM 技术应用在粮仓中的特点主要有：

（1）三维可视化.在基于BIM 技术创建的模型中，包含了整个地下粮仓项目的信息.不仅包含地下粮仓构件所有几何和物理信息，还包含粮仓外在的环境和地理信息，使设计师直接用三维的方式完成设计.

（2）协同作业.由于整个地下粮仓相关的信息存储在BIM 集成数据库中，为工程项目的各个专业之间提供信息交换和共享的平台.各个专业都在这个平台上工作，对BIM 模型所做的任何更改，其他相关专业都能够及时看到，减少设计中出现的错漏和返工.

（3）模拟性.结合BIM 的相关软件，将三维地下粮仓模型与时间维度进行链接，可用于模拟地下粮仓在真实世界中的状态和变化，模拟实际施工，在早期设计阶段就发现后期真正施工阶段所会出现的各种问题，在后期施工时能作为施工的实际指导.

2 模型的创建

选取课题组研制的大直径钢筋混凝土地下粮仓为研究对象.在仓模型的创建中，应用BIM 并不是遵循BIM 建模的初衷，即建筑师和工程师共同以3D 平台为工具创建与分析BIM 模型，完全脱离2D 图纸模式；而是以最终2D 建筑图纸和结构图纸为基准，利用Revit 系列软件分别创建BIM 建筑和结构模型，之后利用Navisworks 模拟整个施工过程.

2.1 模拟对象

该地下仓为某国家粮食储备库的拟建工程，内径26 m，装粮高度13.95 m.顶盖采用钢筋混凝土梁板结构，仓顶部覆土厚度为2 000 mm，板厚250 mm，仓体侧壁厚度350 mm，仓底板厚度800 mm，总深度为25.200 m.群仓为2×5 排列，总仓容5.4万t，结构设计使用年限为50 a，建筑结构安全等级为二级，地面上可用于绿化设计.在地下仓群仓施工之前，已完成建设一个地下仓试验仓.

考虑到群仓中各个单仓的属性相同，在建模过程中以单仓为对象建立各种模型，并将模型与已完工的地下仓试验仓实际建设过程进行对比，图1为单仓剖面图.

2.2 建筑模型

由于粮仓是个比较特殊的结构，属于特种结构，里面没有柱子和梁之类的传统构件，整体结构是一个筒形，因此，在进行粮仓建筑模型的创建时，根据粮仓的结构，将粮仓分为仓底、仓壁和仓顶3 部分分别进行建模.

图1 地下仓单仓剖面

在创建模型之前，创建需要参照的轴网和建筑标高，因为建筑模型的梁板柱都是必须附着在相应的标高上存在的，例如仓底标高，仓壁标高和仓顶标高等.在相应的标高建模完之后，在对应的标高上创建仓底、仓壁和仓顶.

仓底建模采用楼板命令，由于仓底是一个漏斗形，无法用常规的建模方法创建，选用楼板的命令，调节楼板上的控制点，形成仓底斜面构造形式，图2 为仓底建筑模型.

在仓底的基础上，进行仓壁的建模.把仓壁定义为墙类范畴，用的是墙类命令，它可以吸附于斜面的仓底.图3 为仓壁建筑模型.仓顶建模和仓底一样，也是具有一个斜坡，所以都是使用楼板命令.在主体结构创建完之后，要进行细部构造的创建，例如仓底和仓顶开洞.单仓整体建筑模型如图4所示.单仓整体建筑模型剖面如图5 所示.

图2 仓底建筑模型

图3 仓壁建筑模型

图4 仓整体建筑模型

图5 仓整体建筑剖面

2.3 结构模型

在粮仓建筑模型创建完以后进行结构建模，结构建模主要是进行钢筋布置，根据2D 图纸的配筋图，在Revit 中对粮仓模型进行配筋.在仓底配筋时，由于仓底是漏斗形，具有一定斜坡，需要承受粮仓大部分荷载，且底部有出粮口，要进行特殊设计，图6 为仓底配筋，图7 为单仓整体配筋.

图6 仓底配筋

图7 单仓整体配筋

2.4 4D 施工过程的模拟

在全部的模型创建完成之后，在此基础上创建4D 施工模拟.首先进行工程量计算，根据资源分配与工作效率计算出单项任务的工作时间，然后根据逻辑关系与网络图得出整个工程的施工进度，将施工进度计划与已经创建好的粮仓模型对接.利用Navisworks 创建4D 施工模型，具体过程为：将Revit 创建的粮仓三维模型导入到Navisworks 软件；将施工进度计划导入Navisworks 软件，按计划设置每项构件和任务的性质，并编好选择集；生成4D 施工模拟动画，通过设置关键帧形成漫游动画.漫游动画完成后，将其与地下仓试验仓现场施工情况相对比，如图8—图13 所示.

图8 仓底施工模拟

图9 仓底施工现场

图10 仓壁施工模拟

图11 仓壁滑模施工现场

图12 仓顶施工及回填

图13 仓顶现场施工

2.5 进出粮过程的模拟

对地下仓进行进出粮的工艺模拟，能直观了解地下仓进出粮全过程.在装粮作业时，要解决粮食破碎和分级两个关键问题.目前，进粮是通过移动皮带机和安装在仓口的一台可升降旋转的布粮器，以此避免粮食破碎，缓解粮食分级.出粮工艺是粮食利用自流特性流入到地下仓锥底出口，出口处安装阀门，在地下仓底部有出粮通道，通道内安装皮带机，粮食输送到恻井，恻井内安装斗式提升机，该斗提机将粮食提升到工作塔内进行相应处理，从而实现地下仓出料作业，图14 为进出粮工艺流程.根据设计的进出粮工艺，用Navisworks 软件进行进出粮工艺模拟，如图15 和16 所示.

图14 进出粮工艺流程

图15 进粮工艺模拟

图16 出粮工艺模拟

3 结语

BIM 是在CAD 技术基础上发展起来的一种多维模型信息技术，在国内外一些大型项目中都得到了应用，但在地下储粮仓库结构上尚未应用.作者以某地下大直径钢筋混凝土筒仓为例，利用基于BIM 的Revit 软件来创建粮仓的三维模型，利用Navisworks 软件，与三维模型对接，来创建4D 施工和进出粮过程模拟.结果表明，BIM 技术在地下储粮结构应用上具有可行性，为地下储粮结构的研究探讨提供了一种新型的的理念和技术，同时也对地下储粮结构的推广和应用起到积极的作用.但由于虚拟模拟试验自身的局限性，试验结果还需具体的真实工程来进行验证.

［1］朱江.BIM 在铁路设计中的应用初探.铁道工程学报［J］.2010（10）∶104－108.

［2］高永刚，李光金.基于BIM 可视化技术在杭州东站中的应用［J］.土木建筑工程信息技术，2010，2（4）∶55－58.

［3］张建平，李丁，林佳瑞，等.BIM 在工程施工中的应用［J］.施工技术，2012（16）∶10－17.

［4］李红学，郭红领，高岩，等.基于BIM 的桥梁工程设计与施工优化研究［J］.工程管理学报，2012（6）：48－52.

［5］National Institute of Building Sciences，United States National Building Information Modeling Standard，Version1-Part 1［S］.