唐哲
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摘要：随着我国工业化进程的逐步加快，对各行各业基础设施建设的综合要求也与日俱进。化工行业，作为中国工业化进程中一个较为典型的代表，在最近几十年得到了长足的发展。其设计手段也逐渐从二维平面设计过渡到三维协同设计。在本文中，作者通过介绍一个生产框架结构设计中三维模型应用的案例，详细描述了三维模型在结构设计中的应用点及相应的注意事项。
关键词：多层工业厂房；结构设计；三维模型
引言：
作为甲醇装置的核心生产框架之一的甲醇精馏合成框架，结构空间体系复杂且不规则，在平面上各个设备布置错综复杂，在空间上各种管线纵横交织。对它的成功的设计，要求各专业必须协同配合、协同设计，稍有不慎就会发生大面积的碰撞，引起大面积修改甚至返工。在当今总承包、EPC成为市场主流趋势的时候，这些大面积的修改对于质量、进度、费用等目标的控制有极为严重的影响。在过去，往往通过图纸上的管线综合来发现碰撞，耗时耗力且效果不佳。自从BIM概念提出以后，三维模型成为化工设计中解决碰撞问题的得力助手。同时，随着三维正向设计的发展，借助于完善的模型，各专业模型直接出图、提取工程量等应用手段也随之普及开来。
整体而言，借助于三维模型进行结构设计，根据不同的模型深度大体上分为30%、60%、90%、100%，分别大体上对应于结构方案设计阶段、计算设计阶段、施工图设计阶段、竣工图阶段。
1.结构方案设计阶段（30%模型深度）
在这个阶段，结构专业需要确定竖向构件和主要的水平构件，主要包含框架梁、框架柱、柱间支撑的布置。它们的布置对结构设计可谓牵一发而动全身，直接影响整个结构的计算结果、尤其是各计算指标是否能够满足规范要求，后期对它们的调整会造成较大工作量的返工。因此，为了尽可能减少后期不必要的修改工作，必须在第一时间确定它们的布置方案，并通过30%深度模型反映出来，让上游的布置、管道、设备等专业心中有数，尤其做到对柱间支撑的位置有直观的认知。一些需要在楼层间横向穿行的大型管线、跨轴线设备，应跟柱、柱间支撑所在位置相互避开。由此，形成结构方案模型。此时，结构各元素的作用是空间占位，并不反应实际的截面尺寸。
2.结构计算设计阶段（60%模型深度）
2.1在这个阶段，结构专业需要根据各专业的条件并结合上一步中完成的结构方案模型来完成结构计算模型，并由此进行结构计算分析。由于在方案设计阶段框架梁、框架柱、柱间支撑的位置及形式都已经初步确定，因此在结构计算阶段这方面需要考量的就不是很多，我们需要把更多的精力放在更科学、更合理的布置次梁上。
2.2对于设备、管线如此密集的生产框架而言，次梁的布置不仅仅需要考虑各种荷载简洁而高效的传力路径，同时还要考虑对设备管口或人孔、穿楼面管线的避让，怎样布置水平支撑，人员的操作空间和设备的检修区域应如何预留等等一系列因素。而这些信息只靠某个单一专业的图纸不可能完全反应，从不同专业条件图上提取信息既繁杂又不直观，很容易造成关键信息遗漏。这就需要三维模型的集成平台，将各专业的条件集成到同一个平台上，再综合考虑次梁的布置方案。
2.3在结构计算完成后，设计人员需要将结构的计算模型同步到三维模型里，包含了所有的框架梁、柱、支撑的截面，次梁的定位和截面。同时，为了各专业的协同设计，还应同步增加厂房及设备的基础、地梁、楼板、设备和管道穿楼面开孔（?500以上）、楼面设备支座、 楼梯等的模型。
2.4在这个阶段，碰撞检查主导专业即可牵头组织实施碰撞检查，确保大型管线、设备与主体结构不发生碰撞，保证将来现场的正常施工。
3.结构施工图设计阶段（90%模型深度）
3.1当前国内主流的施工模式，二维的施工图纸依然是主流的设计成品交付方式。因此，笔者采取在60%深度模型里抽取平立面布置、再根据设计成果反向更新模型的方式来完成施工图设计。在更新完成后，再二次抽取施工版的平立面布置图作为最终版的施工图，确保模型和图纸的一致性。
3.2在基于设计内容、各专业需求更新模型的同时，尚需继续增加附属设施的模型，包括水池地坑、围堰、电缆沟、地沟、楼梯栏杆、设备检修平台、?500以下的楼面开孔等。
3.3至此，结构的主体模型完善至90%深度。一方面，是为了保证模型深度的达标和模型的完整性，另一方面，完善的模型也有助于工程量的快速统计、施工版平立面布置图的准确抽取。
4.结构竣工图设计阶段（100%模型深度）
由于工业建筑自身的特殊性，各专业都有较多根据现场实际生产需要而在施工阶段临时修改的内容。这些修改往往都以变更或联系单的形式存在。为了项目资料存档的完整性，也为将来的二次改造或生产运营提供相应信息，在基于这些修改内容完成竣工图设计的同时，有必要同步完成结构100%深度的模型。
结束语：
传统的设计流程中，结构的三维模型是靠建模人员基于施工图搭建而来，俗称“翻模”。由于图纸和模型的不一致、设计人员和模型人员的不一致，在这个过程中，经常出现各种原因导致的模型与图纸不一致的情况发生，三维模型的作用大打折扣。在这次设计过程中，笔者初步采取了利用三维模型进行正向设计的方式，图纸与模型可在较高程度彼此相符，可以切实减少现场的碰撞情况，提高工程项目的效率和经济效益。
尽管目前借助三维模型进行结构设计的过程中，还存在一些技术瑕疵和和问题需要解决。但是笔者编写此篇文章更大的用意在于抛砖引玉，希望工程师们在以后的设计过程中勤用三维模型、善用三维模型。三维模型是三维协同设计的基础，也是BIM的一个重要组成部分。在当前行业对设计速度、质量要求越来越高的趋势下，活用、善用各种设计工具将会是对设计师的一个常见要求。三维模型作为可以设计成果更为直观的载体，将来必在结构设计领域里有自己更为广阔的应用面和应用价值。
参考文献：
【1】 中国建筑信息模型标准框架研究 中国建筑工业出版社，2011
【2】 陈健陵 Tekla Structure在电站锅炉烟风道详图设计中的应用 中国钢结构协会锅炉钢结构分会年会，2012
【3】 周署宾 三维详图设计软件Tekla Structure的二次开发 城市建设理论研究，2013
【4】 高剑 Tekla Structure的二次开发在工程中的应用 施工技术，2018