文章来源：华信咨询设计研究院有限公司

    基于BIM技术的单管塔模块化设计研究

    秦阔，姚云龙，黄兴，胡桂彬

    摘要：目前BIM技术在通信工程中的应用较少，通过使用Revit软件进行单管塔模块化设计探索，表明基于BIM技术的单管塔模块化不仅能完成各分部构件的参数化绘制，将构件组装成立体三维模型进行检查校核，还能形成构件族库，形成系统性的参数化应用。基于BIM技术的模块化设计模式，相较于传统二维平面绘图模式也有着诸多优势，研究成果对于BIM技术在其他塔桅结构上的模块化应用具有参考意义。

    关键词：单管塔；模块；Revit族；构件库；参数化

    1、前言

    在中国，BIM概念的引进由来已久，BIM技术在实际工程中的应用也越来越多，在效率上，多专业配合的情况下，使用BIM技术进行工程设计相对于传统各专业分工绘图模式有着巨大优势。通信基站中的塔桅结构形式多样，为迎合城市发展，其中运用占比最多的就是单管塔。单管塔具有结构简单，造型美观，施工安装方便，造价成本低等优点，是目前通信基站建设中的主流塔型。研究在通信单管塔设计中使用BIM技术，突破传统的平面绘图模式，提升各个流程的效率，对实际工程建设具有较大意义。

    2、现状及BIM运用

    在现今的设计流程中，经过塔桅结构有限元软件计算并输出计算结果，确定设计参数之后，均使用CAD等辅助设计软件进行杆塔施工图绘制。CAD制图软件除在有特殊需要时进行三维建模渲染外，通常情况下只用于绘制二维平面施工图。二维平面施工图方案在修改量较少时比较简便，但如若修改量较大时，就容易导致错漏或者前后内容不一的情况。若使用BIM设计软件进行绘制，可将方案中各个构件的尺寸、材质等进行三维参数化定义，并将构件组装成项目，在方案需要修改或者变更时，可直接修改参数以修改构件，实时查看方案修改后的实际效果，若有错漏之处即可马上发现，及时纠正。

    BIM技术在塔桅设计中的运用还在探索阶段，如何在BIM技术基础上使单管塔的设计和建设更有效率，简化变更修改流程，需要进一步探究。

    3、单管塔模块构成和模块创建

    通信基站工程与常见的工业与民用建筑工程相比，其体量非常小，涉及的功能也较为单一，因而在软件的采用上，常用的AutodeskRevit即可满足。经过多年的运用和发展，Revit已成为建筑、结构、水暖电多专业全方位的BIM工具，成为全球知名的三维参数化BIM设计平台。AutodeskRevit包含RevitArchitecture、RevitStructure、RevitMEP三部分，可分别实现机房的建筑、结构、暖通、电气的三维信息模型建立。通信基站中的单管塔类型，体量小，构件少，三维信息模型建立主要使用RevitStructure部分功能。

    通信单管塔由塔身、塔基、天线支架、避雷针、地脚锚栓等主要构件以及美化外罩和爬钉螺栓等附属构件组成，每个构件均可视为一个模块，根据现已发布的建模标准【1】，以上构件均可以在RevitStructure中实现三维建模及参数化定义，并形成单管塔模型构件库。单管塔的构件类型及参数化内容见表1。

    表1单管塔构件类型及参数化内容

    3.1塔基

    单管塔塔基多用单桩基础，如图1，如遇到软土地基会使用多桩承台基础，部分复杂的地质例如有浅层岩石或地下水位较浅，难以深挖的情况会用到独立基础，如图2。单管塔基础造型简单，建模容易，可将可能会使用到的基础类型尽量多的添加至构件库，以便在进行设计时能够快速调用。

    图1单桩基础

    图2独立基础

    3.2地脚螺栓

    单管塔塔身依靠地脚螺栓与基础连接，地脚螺栓的尺寸规格及数量根据规范方法计算后【2】，对照螺栓通用图集进行选取。地脚螺栓通常配合以定位板使用，其中的定位板为圆环片，在Revit建模中使用拉伸命令进行绘制。假设以自然地面为参照标高，则定位板建立在参照标高以下，使用空心拉伸命令绘制空心圆进行定位板上的螺栓开孔，将螺栓孔数量添加为参数，可随时进行调整。

    3.3塔身

    塔身截面形式一般采用圆形和正多边形，少数美化杆塔采用异形截面，为直杆或变直径杆。与圆形截面不同，正多边形截面的直径定义为正对两条边的距离。在Revit中进行建模时，塔身长杆的绘制可采用融合命令实现，依次进行实心融合与空心融合操作绘制多边形来实现薄壁的效果。

    3.4避雷针

    避雷针主杆为一根长度3m或5m的圆管，底部与塔身采用法兰连接，顶部为自由尖端。尖端部分的绘制使用旋转命令实现，选定直角边为旋转轴，以三角形为横截面旋转构成实心尖头形状。

    3.5天线支架

    通信单管塔上通常设置2~3层天线支架平台，每层天线支架由3根或6根?74的圆钢管组成，钢管使用槽钢圈与塔身连接形成天线平台。

    连接塔身与天线支架的槽钢圈，需要使用Revit中的旋转命令实现，槽钢截面两端凹角及端部均为有一定角度的圆弧，如图3，这在建模过程中需要较为精细的定义和绘制。用于挂载天线的支架圆管沿槽钢圈圆周均匀布置，使用径向阵列命令实现天线支架的放置。

    图3槽钢截面几何关系

    3.6构件组装

    单管塔各部分构件族创建完成，添加至构件库中作为样板，即可开始新建项目，进行构件组装。

    （1）建立坐标轴网：单管塔形式简单，组装所用的轴网竖向上只需建立一条单线轴，作为单管塔中心轴，在每个套接段底端位置设置标高线，标高线亦作为套接位置的参照线。

    （2）构件组装：从构件库中提取塔身、塔基、避雷针、天线支架、地脚螺栓等构件样板族载入至新建的Revit项目中，在高度上从下至上依次进行组装。以30m单管塔为例，塔身由3段塔体套接而成，依次使用塔身样板族修改两端直径和壁厚之后进行套接。若单管塔为内法兰连接，则连接法兰的边缘切坡口，在竖向上法兰的中心线与管身中心线一致，保证组装位置正确。地脚螺栓头部伸出基础顶面约300mm，可在标高-0.300m处设置标高或绘制参照面，作为基础顶面的参照，地脚螺栓定位板中心轴与基础中心轴保持一致。单管塔的组成构件如图4。

    图4单管塔组装过程及组成构件

    4、构件库应用

    通过对组成单管塔各部分构件的样板族创建，可以形成单管塔构件族库，进行样板族的系统性管理和使用，提高设计效率。在对构件库中样板族的选用过程中，可实时对样板族进行修改更新。按照单管塔的组成特点，将构件库分为五个大类：塔基、地脚螺栓、塔身、避雷针、附属构件。每个大类根据造型、材质、属性、规格、连接方式等不同再往下分成多个小类。构件库分类及内容见表2。

    表2构件库分类

    通过构件库的建立，在确定设计数据的基础上，施工图绘制模式将有极大的改变。首先根据构件分类，在构件库中查找和选取样板族，载入到项目中后进行参数的修改和使用，直接进行单管塔的三维组装。在组装的过程中可实时查看组装效果，检查设计参数是否正确，若出现错误则继续修改参数，再次组装。组装完成即可输出各角度视图的二维施工图，大大提高了单管塔施工图设计效率，节省了时间和人力成本。构件库的应用流程如图5。

    图5构件库应用流程

    5、参数化应用

    在创建构件的过程中，将构件的尺寸和材质等元素进行了参数化定义，参数化不仅使构件的各项设计数据更具体明确，通过参数的修改，还能快速进行同种构件不同规格的绘制，且能够立即查看三维立体效果，这也是BIM技术的精髓所在。姚云龙等研究了基于BIM技术的云计算信息园全生命周期参数化管理【4】，为单管塔的参数化应用提供了参考。

    鉴于单管塔工程体量小的特点，在单管塔设计中的参数化应用可以体现在对构件的名称、使用功能和使用时间的定义上，实现以上几个方面的参数化管理。

    （1）名称参数化：单管塔中不同种类以及同种类重复使用的构件很多，为便于区分和管理，可对各构件的名称进行分级参数化定义和编号。某部位螺栓逐级名称参数设置如表3，此螺栓构件编号为3-5-11-2。

    表3某部位螺栓名称分级参数化

    （2）使用功能参数化：各构件的使用功能不同，如法兰、螺栓、槽钢圈为连接件，开孔加强圈为加强件，天线支架为设备挂载件等。对各构件使用功能参数化定义，能对各构件的使用情况进行参数记录，当某构件使用功能参数异常时，可及时发现异常部位并进行构件的修复或替换。

    （3）使用时间参数化：单管塔不同部位，不同功能的构件使用的时间不同，通过对使用时间的参数化，可以得知构件处于使用周期中的哪个时间段，为构件的维护、替换或者重新设计和制作提供时间参数信息。

    6、结语

    通过运用基于BIM概念的Revit软件进行单管塔模块化设计，相较于传统的二维平面图纸设计模式，具有构件系统化、信息参数化、三维可视化三大优点。直接进行立体三维图像的绘制，使设计人员对构件的理解能更清晰更准确，一定程度上能减少因错误而返工修改的几率，而强大的参数化功能为繁琐的设计过程和变更修改节省了大量时间。可视化能让人们对项目的设计效果和实施流程有更形象和更实体的理解，不只靠思维想象。

    基于BIM技术的单管塔设计相比于传统的CAD二维图纸设计有诸多优点，但并不代表BIM设计模式能取代CAD设计模式，它是基于CAD进行的更高效更准确，并实现实时三维转换技术的探索，任何设计人员均不可忽略对CAD技术的掌握和熟练运用，有着CAD技术的坚实基础，在BIM技术上的运用才能游刃有余。

BIM技术是未来的趋势，学习、了解掌握更多BIM前言技术是大势所趋，欢迎更多BIMer加入BIM中文网大家庭（http://www.wanbim.com），一起共同探讨学习BIM技术，了解BIM应用！