隨著國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電低風(fēng)速區(qū)域的迅速發(fā)展，其塔架輪轂高度呈現(xiàn)出向100?m以上的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的鋼制塔筒在增加高度的同時(shí)也面臨著運(yùn)輸、制作成本的限制，在此背景下鋼－混凝土混合風(fēng)電塔筒（以下簡(jiǎn)稱混合塔筒）應(yīng)運(yùn)而生。混合塔架其下部由鋼制塔筒改為混凝土塔，其混凝土塔筒又可根據(jù)施工工藝要求，拆分為構(gòu)件在預(yù)制廠生產(chǎn)，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝安裝，上部仍采用鋼制塔筒，形成裝配式風(fēng)電混合塔筒。混合塔筒綜合了混凝土和鋼材的優(yōu)勢(shì)，可進(jìn)一步提升輪轂高度廣泛應(yīng)用于100?m以上的塔筒。

通過裝配式建筑信息化能有效發(fā)揮信息共享和集成優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化與信息化的深度融合。BIM技術(shù)在裝配式結(jié)構(gòu)中具有天熱的優(yōu)勢(shì)，得到了大量應(yīng)用。但BIM技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用極少，本文以某裝配式風(fēng)電混合塔筒項(xiàng)目為依托，討論了BIM技術(shù)在其預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用。 

1　工程概況與特點(diǎn)

本工程位于河北省廊坊市，由46臺(tái)2.2?MW電勵(lì)磁風(fēng)電機(jī)組組成，總裝機(jī)容量為100?MW，風(fēng)機(jī)輪轂高度為120?m，由下部高30.01?m混凝土塔筒和上部高89.99?m的鋼塔筒組成，其中下部混凝土塔筒由9段預(yù)制塔筒構(gòu)件組成，上部鋼塔筒與與下部混凝土塔筒通過法蘭連接。

下部混凝土塔筒采用分段、分片的預(yù)制構(gòu)件工廠化生產(chǎn)，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后先拼接成整環(huán)，再依次將整環(huán)向上吊裝，并用預(yù)應(yīng)力鋼索（鋼絞線）連接而成。其混凝土塔筒部分預(yù)制分段見表1。

表1　混凝土塔筒預(yù)制分段

2　BIM在塔筒構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)踐 

2.1　創(chuàng)建預(yù)制塔筒構(gòu)件模型  

預(yù)制塔筒構(gòu)件模型建立是后續(xù)預(yù)制塔筒生產(chǎn)場(chǎng)地布置、生產(chǎn)仿真模擬、構(gòu)件模具虛擬拼裝的模擬的基礎(chǔ)。在BIM軟件Revit中預(yù)制構(gòu)件模型以“族”形式出現(xiàn)，在Revit通過調(diào)整族類型和族參數(shù)，來反映各種類型的“族”，Revit中“族”與CAD中“塊”的概念有些類似，都是構(gòu)成模型的基本單元。基于Revit創(chuàng)建預(yù)制塔筒構(gòu)件關(guān)鍵是將表1中的塔筒構(gòu)件模型信息定量化，使其成為任意調(diào)整的參數(shù)。對(duì)于變量化參數(shù)賦予不同數(shù)值，就可得到不同大小和形狀的塔筒構(gòu)件模型。

Revit創(chuàng)建參數(shù)化預(yù)制塔筒構(gòu)件族的流程為：選擇族樣板文件（本項(xiàng)目為公制常規(guī)模型）→設(shè)置族類別和族參數(shù)→設(shè)置族類型→創(chuàng)建塔筒預(yù)制分段模型→族類型參數(shù)與模型關(guān)聯(lián)→族文件測(cè)試。圖1為創(chuàng)建的參數(shù)化預(yù)制塔筒構(gòu)件族及其控制參數(shù)。

（a）

（b）

圖1　預(yù)制塔筒族及參數(shù)（計(jì)算機(jī)截圖）

（a）預(yù)制塔筒族；（b）參數(shù)

當(dāng)族的類型過多時(shí)，本項(xiàng)目中預(yù)制塔筒族類型由9個(gè)（1~9段），逐個(gè)的編輯塔筒族類型參數(shù)的話工作量大且容易出錯(cuò)，加載到項(xiàng)目中會(huì)占用很大的內(nèi)存，Revit響應(yīng)速度變慢，這種情況下通過創(chuàng)建類型目錄文件方法來解決。類型目錄是一個(gè)外部文本文件（TXT），列出了族中所有類型和各類型參數(shù)和參數(shù)值。類型目錄文件可通過手動(dòng)創(chuàng)建TXT文件（在Excel中輸入數(shù)據(jù)，另存為逗號(hào)分隔的CSV文件，將文件后綴改為txt），預(yù)制塔筒族類型目錄內(nèi)容如下，表2為類型目錄語法說明。

,頂壁厚t2##LENGTH##MILLIMETERS,

底壁厚t1##LENGTH##MILLIMETERS,

塔段高H##LENGTH##MILLIMETERS,

頂外半徑R2##LENGTH##MILLIMETERS,

底外半徑R1##LENGTH##MILLIMETERS

2段塔筒,414,380,4200,3431,3618

3段塔筒,446,414,3840,3260,3431

4段塔筒,474,446,3400,3109,3260

表2　族類型目錄語法說明

2.2　預(yù)制塔筒構(gòu)件生產(chǎn)場(chǎng)地布置 

傳統(tǒng)的施工場(chǎng)地布置，多以平面布置圖作為工程成果展示和設(shè)計(jì)意圖傳遞途徑，不能清晰、直觀地展現(xiàn)施工過程。而借助BIM技術(shù)的可視化、模擬性等特點(diǎn)，可對(duì)預(yù)制塔筒構(gòu)件生產(chǎn)場(chǎng)地的對(duì)場(chǎng)地道路、構(gòu)件生產(chǎn)區(qū)、構(gòu)件存放區(qū)、材料加工區(qū)、物資存放區(qū)等進(jìn)行預(yù)先布置及預(yù)演，提前布置施工機(jī)械的位置和行進(jìn)路線，從而保證各個(gè)生產(chǎn)過程順利進(jìn)行。BIM技術(shù)在預(yù)制塔筒構(gòu)件生產(chǎn)布置中的流程為：收集項(xiàng)目信息→建模（基于族庫文件）→構(gòu)件生產(chǎn)場(chǎng)地布置→場(chǎng)地布置模擬→調(diào)整。

在Revit文件中族是構(gòu)成的基礎(chǔ)元素，Revit中有系統(tǒng)族和外載入族兩種族類型系統(tǒng)。本項(xiàng)目預(yù)制塔筒生產(chǎn)所需族以外載入族創(chuàng)建，其涉及的族主要分為：預(yù)制塔筒構(gòu)件族、預(yù)制塔筒模具族、施工機(jī)械族、臨建設(shè)施族等。設(shè)計(jì)人員在工作中通過BIM族庫的建立（圖2），匯總構(gòu)件族的種類和規(guī)格，逐步構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的族。在預(yù)制塔筒構(gòu)件生產(chǎn)場(chǎng)地布置時(shí)，通過調(diào)用族庫，簡(jiǎn)單編輯族的參數(shù)，快速進(jìn)行其場(chǎng)地布置。

圖2　BIM族庫

2.3　預(yù)制塔筒構(gòu)件生產(chǎn)仿真模擬

生產(chǎn)仿真模擬是以虛擬環(huán)境為基礎(chǔ)，運(yùn)用BIM技術(shù)，在時(shí)間、空間等不同維度對(duì)實(shí)際施工項(xiàng)目方案進(jìn)行可視化和施工仿真模擬。生產(chǎn)仿真模擬基于 “先試后建”的理念進(jìn)行，即在項(xiàng)目開始前，先運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行構(gòu)件生產(chǎn)仿真模擬，由技術(shù)管理人員從專業(yè)角度對(duì)施工方案的可行性進(jìn)行分析，又或者對(duì)復(fù)雜的項(xiàng)目進(jìn)行提前預(yù)演、模擬分析其施工過程，進(jìn)而對(duì)項(xiàng)目實(shí)際施工過程進(jìn)行指導(dǎo)。預(yù)制塔筒構(gòu)件生產(chǎn)仿真模擬技術(shù)體系流程如圖3所示，在體系架構(gòu)中，建立三維模型和設(shè)置虛擬施工環(huán)境主要在Revit中進(jìn)行，設(shè)置施工順序和位置關(guān)系及施工模擬主要在Navisworks中進(jìn)行。

圖3　仿真模擬流程

預(yù)制塔筒構(gòu)件生產(chǎn)過程涉及的步驟繁多且工序復(fù)雜，在生產(chǎn)前期可整個(gè)過程進(jìn)行合理的安排和規(guī)劃。通過虛擬仿真模擬，可將復(fù)雜的預(yù)制塔筒構(gòu)件生產(chǎn)工藝進(jìn)行三維、四維、甚至N維度可視化展示，使原材進(jìn)場(chǎng)、勞動(dòng)力與機(jī)械臺(tái)班配置等各項(xiàng)工作安排的更加經(jīng)濟(jì)合理，有效提高生產(chǎn)效率。

預(yù)制塔筒生產(chǎn)工藝流程為：承臺(tái)制作→模板拼裝、校核→預(yù)埋件安裝→鋼筋綁扎→隱蔽工程驗(yàn)收→塔筒混凝土澆筑→拆模→塔筒構(gòu)件養(yǎng)護(hù)。預(yù)制塔筒生產(chǎn)仿真模擬由BIM軟件Revit建立其預(yù)制塔筒生產(chǎn)模型細(xì)節(jié)、深化預(yù)制塔筒生產(chǎn)模型信息，再由Navisworks軟件進(jìn)行生產(chǎn)仿真模擬。

圖4為預(yù)制塔筒生產(chǎn)仿真模擬過程，通過對(duì)預(yù)制塔筒的生產(chǎn)仿真模擬，可以提前發(fā)現(xiàn)并避免在實(shí)際生產(chǎn)中可能遇到的各種問題，如鋼筋之間的碰撞、鋼筋與橡膠抽拔棒的碰撞、埋件安裝錯(cuò)位等（圖4），以便指導(dǎo)生產(chǎn)和制訂最佳生產(chǎn)工藝方案，從整體上提高預(yù)制塔筒的生產(chǎn)效率，確保生產(chǎn)質(zhì)量，有助于提高預(yù)制塔筒生產(chǎn)效率。

（a）     （b）

（c）     （d）

圖4　預(yù)制塔筒生產(chǎn)工藝流程

（a）承臺(tái)制作；（b）模板拼裝；

（c）鋼筋綁扎、橡膠棒安裝；（d）混凝土澆筑

2.3　預(yù)制塔筒模具虛擬拼裝

預(yù)制塔筒構(gòu)件為三維曲面構(gòu)件，各段塔筒構(gòu)件的尺寸各不相同，需定制加工定型模具。預(yù)制塔筒構(gòu)件模具除應(yīng)滿足承載力和整體穩(wěn)定性要求外，還應(yīng)滿足預(yù)制塔筒生產(chǎn)工藝、模具安裝拆、預(yù)埋件的安裝定位要求。由于模具制造、拼裝安裝的精度直接關(guān)系到塔筒的構(gòu)件質(zhì)量，因此其模具應(yīng)有足夠高的精度。

本項(xiàng)目采用的裝備化模具由模板、支撐及連接配件組成，其中模板有外模、內(nèi)模、底模、頂模組成，支撐由中心鋼柱、水平支撐、斜支撐組成，配件有對(duì)拉桿、螺栓、定位銷、耳板等組成。該模具精度高、拆裝便捷、構(gòu)造科學(xué)合理，便于拆裝周轉(zhuǎn)使用，且能夠保證預(yù)制塔筒構(gòu)件的預(yù)制精度和澆筑品質(zhì)，其生產(chǎn)階段的模具拼裝流程為：底模安裝找平→頂模與底模校核預(yù)應(yīng)力孔道→中心鋼柱安裝校核→內(nèi)模安裝校核→外模安裝校核→頂模板安裝→模板拼裝整體驗(yàn)收。內(nèi)外模板之間鋼筋綁扎穿插其內(nèi)進(jìn)行。

基于BIM技術(shù)的模具虛擬拼裝分為深化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)階段的虛擬拼裝。前者的預(yù)拼裝主要是檢查深化設(shè)計(jì)的精度，而后者的預(yù)拼裝主要反映生產(chǎn)中的實(shí)際偏差信息，其結(jié)果反映在實(shí)際生產(chǎn)中從而對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而提高模具生產(chǎn)和拼裝的質(zhì)量。本項(xiàng)目模具出廠階段的虛擬拼裝（圖5）。

（a）     （b）

（c）     （d）

（e）（f）

圖5　預(yù)制塔筒模具虛擬拼裝

（a）底模安裝校核；（b）頂模底模預(yù)應(yīng)力孔道校核；（c）中心鋼柱安裝校核；（d）內(nèi)模安裝校核；（e）外模安裝校核；（f）頂模安裝校核

預(yù)制塔筒預(yù)應(yīng)力孔道的位置精確與否，是預(yù)制塔筒安裝階段預(yù)應(yīng)力鋼束能否從上到下順利穿過的關(guān)鍵。預(yù)制塔筒模具上預(yù)應(yīng)力孔道是在加工階段預(yù)留在頂模和底模上的，由于模具在運(yùn)輸和使用過程可能發(fā)生變形，因此運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)的頂模底模在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程需對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道進(jìn)行校核。即第N段底模安裝校核后，需第N-1段的底模預(yù)期對(duì)拼[圖5（b）]，并對(duì)個(gè)別偏差的孔道進(jìn)行調(diào)整。頂?shù)啄？椎赖男：苏{(diào)整，是預(yù)制塔筒模具拼裝的質(zhì)量控制點(diǎn)，直接關(guān)系到塔筒安裝質(zhì)量和效率。

中心鋼柱安裝后，通過斜支撐可調(diào)螺桿調(diào)整中心鋼柱的垂直度[圖5（c）]，中心鋼柱通過投線儀引下部中心點(diǎn)到上部。內(nèi)模應(yīng)按設(shè)計(jì)文件依次安裝，通過水平支撐進(jìn)行對(duì)其安裝位置的調(diào)整。為保證模板順利拆模，內(nèi)模分為3種類型，其中尺寸最小的為早拆模塊，早拆模塊在內(nèi)模安裝中最后安裝，在模板拆模中最先拆模[圖5（d）]。外模安裝時(shí)其上下端部通過對(duì)拉桿與內(nèi)模連接成整體，模具周轉(zhuǎn)使用時(shí)可按2個(gè)半環(huán)外模進(jìn)行快速拆裝，提高作業(yè)效率[圖5（e）]。頂模的安裝預(yù)先場(chǎng)地組拼成整體，整體吊裝安裝到內(nèi)模模板間[圖5（f）]。

在實(shí)際預(yù)制塔筒生產(chǎn)過程中，利用BIM技術(shù)對(duì)預(yù)制塔筒模具虛擬拼裝，可商討其拼裝過程的可行性，預(yù)先判斷存在的問題。同時(shí)BIM技術(shù)可將通過創(chuàng)建的模型、效果圖、實(shí)時(shí)漫游等手段對(duì)施工人員進(jìn)行可視化交底，便于其理解工作內(nèi)容，使交底明確直觀生動(dòng)，方便對(duì)工程的質(zhì)量控制。

3　結(jié)束語

通過將BM技術(shù)引入到裝配式風(fēng)電塔架預(yù)制塔筒的生產(chǎn)過程中，可提供更加直觀便捷的工作方式。對(duì)于預(yù)制塔筒構(gòu)件的生產(chǎn)過程中的模型建立、生產(chǎn)線布置、生產(chǎn)仿真模擬、虛擬拼裝等工作內(nèi)容，BIM技術(shù)可以發(fā)揮其參數(shù)化、三維可視化、仿真模擬的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制塔筒構(gòu)件精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。采用BIM技術(shù)對(duì)預(yù)制塔筒構(gòu)件模具虛擬拼裝的優(yōu)勢(shì)是可在虛擬的環(huán)境中模擬模具的拼裝順序及其合理性，使模具的拆裝最大限度地滿足實(shí)際預(yù)制塔筒生產(chǎn)的需要。

摘自《建筑技術(shù)》2021年6月，董龍鋒，孫巖波，閻明偉，武興亮