基于Tekla Structures的三维仿真技术应用研究

摘 要：【目的】针对复杂的装配式钢结构建筑，为了保证工程质量，提高施工效率，需要对三维仿真技术的工程应用进行研究。【方法】以郑州市某装配式钢结构工程为例，利用Tekla Structures内置的三维碰撞分析模块，对碰撞问题进行优化，并进行精细化三维仿真模拟，对屋面工程的第一榀～第四榀主桁架、次桁架的施工全过程进行仿真分析，确定合理的施工方案。【结果】发现一处钢梁加劲肋与水平支撑的碰撞问题，并进行了优化设计。通过三维仿真模拟，确定了合理的屋面桁架施工方案，保证了施工质量，明显加快了工程进度。【结论】三维仿真技术对于装配式建筑的发展具有重大意义，在施工过程中应加强三维碰撞分析、三维仿真模拟，从而确保工程质量和工期进度，研究成果可为类似工程的三维仿真技术应用提供一定的参考。

关键词：装配式建筑；钢结构；Tekla Structures；三维仿真

中图分类号：TU712" " "文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2024）14-0072-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.014

Research on the Application of 3D Simulation Technology Based on Tekla Structures

Abstract：[Purposes] In order to guarantee the engineering quality and improve the construction efficiency of complex prefabricated steel structure buildings， the engineering application of 3D simulation technology was studied.[Methods] Taking a prefabricated steel structure project in Zhengzhou as an example， three-dimensional collision analysis module built in Tekla Structures was used to optimize the collision problem. And the refined three-dimensional simulation was carried out， the whole construction process of the main truss and the secondary truss of the first to the fourth part of the roof project is simulated and analyzed， and the reasonable construction scheme is determined. [Findings] The collision problem between steel beam stiffener and horizontal support is found and optimized design is carried out. Through 3D simulation， the reasonable construction scheme of roof truss is determined， the construction quality is guaranteed， and the project progress is obviously accelerated.[Conclusions] 3D simulation technology is of great significance for the development of prefabricated buildings. 3D collision analysis and 3D simulation should be strengthened in the construction process to ensure project quality and schedule， which can provide certain reference for the application of 3D simulation technology in similar projects.

Keywords： prefabricated building; steel structure; tekla structures; three-dimensional simulation

0 引言

近年来，我国钢结构工程的建设发展迅速。钢结构工程属于装配式建筑，由预制钢构件进行装配和组装而成，在目前的建筑结构中比较常见［1］。例如，在一些工业厂房工程中，钢结构工程几乎已经成为主流的结构形式。随着钢结构工程的快速发展，一些复杂的钢结构工程对现场施工提出了更高的技术要求。由于传统的施工方式存在速度慢、易出错、精度差等问题，所以已经不能满足实际的需要。传统粗放式的施工方法和施工管理严重影响了装配式钢结构工程的施工进度和质量。特别是针对一些复杂的钢结构工程，粗放式施工的问题则更加明显。因此，基于信息化技术进行三维仿真模拟是必然趋势。通过精细化三维仿真模拟，可以大大提高施工质量和施工效率［2］。

目前，国内外关于装配式钢结构的相关研究主要以Tekla Structures为研究手段。潘升等［3］利用Tekla Structures，以国外某工程为例，在BIM5D的基础上，介绍了一种BIM6D技术。张红梅等［4］采用Tekla Structures和Auto Cad，分析了高层钢结构建筑优化设计的过程和方法。许伟江等［5］以某医院工程为例，采用Tekla Structures建立三维模型，对该项目的钢结构部分进行了优化设计，并对复杂钢结构节点进行了优化。Ma等［6］利用Tekla Structures软件、API接口和Revit进行相互转换研究，总结了一种更为高效的方法。许亚磊等［7］利用Tekla Structures和Revit，分析了通过IFC进行模型转换时的准确性。

综上所述，目前的研究主要集中在一些应用技术方面，而关于精细化三维仿真模拟技术的研究相对较少。本研究以郑州市某装配式钢结构工程为例，基于Tekla Structures平台进行三维仿真模拟。研究成果对加强现场施工管理、提升现场施工效率具有一定的积极作用。

1 工程概况及施工难点

1.1 工程概况

郑州市某装配式钢结构工程所在场地地形较为平整，交通较为便利。该钢结构厂房车间全长363 m，宽度为258 m，车间建筑高度为19.2 m，工程钢材总用量约为11 000 t。其中，主钢架包括框架柱、管桁架、附加梁及屋顶钢架，钢材选用Q355B钢。而冷弯墙皮、屋面檩条选用Q355钢。墙架柱钢材选用Q235B热轧H型钢，支撑、系杆等次要构件选用Q235B钢，桁架上下弦采用轧制H型钢。屋面采用Z型钢，墙皮采用C型钢。

该钢结构厂房施工工艺复杂，施工难度较大。其中，箱形柱最长为16 130 mm，最大重量为10 t（长度为12 330 mm）。桁架最长为28 m，平均重量约为6.5 t，最大重量为33 t。

1.2 施工难点

1.2.1 焊接工艺复杂。该工程主要采用箱型钢柱、H型钢、管桁架和H型钢梁等构件。主要涉及钢板的焊接工艺，并且要求复杂。因此必须从材料采购开始，确保材料满足相应规范标准的要求。

1.2.2 构件尺寸及加工精度高。由于钢构件之间全部为栓接，并且主要构件之间为高强螺栓连接。因此，高强螺栓的制孔精确度是本工程的重点，也是施工难点。针对施工难点，要确保高强螺栓孔位精度以及一次性穿孔率能够达到相关的标准要求。

1.2.3 各单位的协调工作复杂。该工程涉及的构件型号复杂且繁多，并且截面尺寸复杂。这就需要对加工图进行深化设计，并且在制作、运输和安装过程中，各单位要相互紧密协调、配合，保证钢构件的编号始终能够保持一致，避免错用钢构件。

1.2.4 构件加工的工艺复杂。该工程的箱形柱制作工艺比较复杂，截面尺寸相对较大。其中，最重构件约为28 t。屋面结构为桁架结构，构件截面尺寸最宽为5.8 m，最长为28 m。因此，该工程在钢构件制作和安装方面的难度较大。

1.2.5 吊装难度大且工期紧张。该工程吊装难度大，需要严格按照施工方案进行施工，否则极易出现施工差错。由于业主方的要求，本工程的钢结构加工制作和安装工期相对较短，施工工期非常紧张，因此需要采用精细化管理模式、信息化管理模式，从而提高工程项目管理的效率［8-9］。

2 建立精细化三维仿真模型

2.1 选取仿真平台

该工程施工工艺复杂、施工精度要求较高。因此，在施工过程中决定采用精细化、信息化的施工技术。目前在装配式钢结构工程中，相关的仿真软件主要有Tekla、Autodesk、Bentey、PKPM等。其中，Tekla Structures的应用更为广泛。该工程基于以往的工程经验及工程实际情况，最终决定采用Tekla Structures20.0软件为主要操作平台。

2.2 建立精细化仿真模型

本研究依据该钢结构工程的设计图纸，采用Tekla Structures20.0进行精细化三维仿真建模。建模详细过程如下：首先是新建工程，创建工程项目的轴网和轴线。在轴线、轴网创建完成之后，再创建平面视图，定义相应的视图名称和设置。其次，进行钢构件的创建和绘制，主要涉及钢柱、钢梁、檩条、系杆等构件。当构件创建和绘制完成后，需要对构件之间进行节点的创建。Tekla节点数据库中有大量默认节点，可以满足一般工程的使用，针对于一些复杂工程的复杂节点，则需要进行自定义节点，绘制符合实际情况的节点模型。定义螺栓和焊缝时需要选择和输入螺栓或者焊缝的具体参数。最终创建的精细化三维仿真模型如图1所示。

3 基于Tekla Structures的三维仿真模拟分析

首先进行碰撞校核分析。Tekla Structures碰撞校核和碰撞检查设置如图2所示。

在三维模型碰撞检查分析过程中，发现一处钢梁的加劲肋与水平支撑发生碰撞。此处节点相对较为隐蔽，在CAD平面图中不易被设计人员发现。针对此问题，利用Tekla Structures20.0手动调整钢梁加劲肋的位置。本研究通过碰撞检查校核，及时发现了质量问题，并对钢结构节点进行了优化，保证了工期进度。

本研究以钢结构桁架吊装施工为例，基于Tekla Structures平台进行精细化三维仿真模拟分析。通过三维仿真模拟，确保施工的精细化和准确度，可为现场的精细化施工提供参考依据。利用Tekla Structures对屋面桁架的吊装进行分析，同时利用三维可视化进行技术交底，确保现场施工人员能够正确施工。

屋面桁架的具体施工顺序为地面吊车等设备就位—设备检验—现场开始吊装—柱头连接—次桁架安装—现场检验—上下水平支撑—现场校正检验—固定安装—现场涂装—现场检验。在现场吊装时，采用单榀桁架进行整体吊装。

第一榀主桁架的施工吊装模拟具体三维仿真模型如图3所示。施工注意事项如下：在吊装施工之前，施工人员需要将井子架设置在钢柱处，并且绑扎牢固。吊车操作人员经确认无误后方可进行缓慢吊装，并且需要确保桁架中心对准安装位置中心。在吊装时，须注意绑扎点用软材料进行垫衬，防止钢构件的磨损。起吊过程中，施工人员需要拉紧端头两个方向的稳定缆绳，防止屋面桁架侧向晃动。临时固定施工时，应将主桁架的螺栓孔按照规范要求对准钢柱的连接板螺栓孔。

在第一榀主桁架安装完成时，确认固定后方可进行摘钩。第二榀主桁架仍然按照同样的施工方案进行施工，具体三维仿真模型如图4所示。在施工模拟时需要精细到钢构件的具体位置、螺栓孔的安装位置等，从而确保精细化施工。吊装施工注意事项与第一榀主桁架相同。采用同样的施工方法进行第三榀主桁架的吊装，具体三维仿真模型如图5所示。

将次桁架进行吊装和安装，三维仿真模型如图6所示。最后进行“封口”施工，即对第四榀主桁架进行吊装，三维仿真模型如图7所示。通过三维仿真施工模拟，确定了该工程的屋面桁架施工方案精准可行。

其余复杂部位的施工方案、吊装方案均可进行三维仿真施工模拟。利用Tekla Structures平台进行精细化施工模拟，确保了施工的可行性和精细化。经过三维模拟分析、三维模拟展示、三维技术交底，确保现场施工人员能够精准、快速施工。针对该工程施工复杂、施工难度大等问题，采用Tekla Structures精细化施工技术能够在一定程度上保证施工质量，大大提高了现场施工效率。

4 结论

本研究以郑州市某装配式钢结构工程为例，通过采取三维仿真模拟研究，优化了原设计方案、确保工程项目的施工精准可行。利用Tekla Structures进行精细化三维仿真模拟，对第一榀～第四榀主桁架、次桁架的施工全过程进行模拟分析。并利用Tekla Structures内置的三维碰撞分析模块，对加劲肋与水平支撑的碰撞问题进行优化。研究表明，利用Tekla Structures进行三维仿真模拟分析，能够保证施工质量，提高施工效率。研究成果可为类似复杂的装配式钢结构工程施工提供一定参考。

参考文献：

［1］丰元飞，席佳.BIM总承包项目管理问题研究［J］.绿色环保建材，2019（3）：214，216.

［2］王起台，任根立.钢桥施工与养护技术的应用研究［J］.河南科技，2022，41（15）：91-94.

［3］潘升，吴洪明，唐楚发，等.一种6D-BIM技术在建筑工程施工管理中的应用：以某海外建筑钢结构工程为例［J］.建筑结构，2022，52（S1）：1942-1944.

［4］张红梅，许伟江.高层钢结构深化设计流程应用［J］.建筑结构，2021，51（S2）：819-821.

［5］许伟江，余振权，傅蓉.TEKLA在多高层钢结构中的运用浅谈［J］.建筑结构，2021，51（S1）：1422-1424.

［6］MA J，DING S W，ZHANG D H. An automation tool for exporting structure models from Revit to Tekla Structure［J］.Journal of Physics： Conference Series，2021，1802（4）.

［7］许亚磊，曹辉发，宋理志.关于钢结构BIM中Tekla Structure模型导入Revit时数据信息完整性的分析［J］.建筑钢结构进展，2018，20（5）：104-108.

［8］毕克俊.建筑工程造价管理的困境及解决途径［J］.商品与质量，2022（37）：127-129.

［9］冯舒琪.基于数据包络分析的河南省水资源利用效率分析［J］.河南科技，2022，41（20）：25-29.