鋼結構深化設計與BIM技術的有機結合在中國博覽會會展綜合體工程中的應用

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1 工程概況

以四葉草為設計造型的中國博覽會會展綜合體，位于上海虹橋交通樞紐西側，建成后將擁有40 萬m2的室內凈展覽面積和10 萬m2的室外展場，成為世界上規模最大、最具水平、最具競爭力的會展綜合體。該項目總建筑面積147 萬m2，其中地上面積127 萬m2，地下面積20 萬m2。整個會展綜合體項目的鋼結構工程用鋼總量達11 萬t左右。但是給鋼結構的深化設計僅6 個月的時間。為了配合鋼結構的加工周期和現場吊裝順序，實際實施中有的單體的深化設計時間被壓縮到僅3 個月。

2 工程難點

該工程具有以下幾個難點：

（a）該項目體量大、單體多、界面復雜、工程進度緊。施工采取分塊、分段施工，分塊之間存在流水搭接、立體交叉施工。立體交叉作業是工程施工的重大危險源。

（b）工程涉及到土建、屋面、幕墻、機電安裝、電梯、自動扶梯、展廳專用設備等。需協調的單位眾多，僅土建單位就3 家，屋面單位4 家，幕墻單位4 家。

（c）項目北塊是上海建工集團的施工范圍，項目南塊是中建的施工范圍，涉及的承包商不同，施工的進度也不同，有部分單體的鋼結構互相交錯。

3 鋼結構三維建模和BIM技術相結合在深化階段及時解決的問題

由于本工程單體眾多，不同的單體是由不同的設計師來進行設計的，同時各個專業之間的協調也不夠充分，所以出現了各種各樣的碰撞問題和干涉問題，在這種情況下需要進行三維模型建立，通過BIM技術來進行檢查，及時發現問題、及時反映問題、及時解決問題。

我們根據不同的工作內容由各專業單位進行各自的建模工作，如鋼結構深化單位進行鋼結構主體三維模型的建立，BIM小組進行混凝土部分三維模型的建立[1]，屋面施工單位進行屋面系統三維模型的建立，幕墻施工單位進行幕墻系統三維模型的建立，還有機電的各種管道和強、弱電系統三維模型的建立。最后由BIM小組再進行模型的合并建立建筑信息模型（Building Information Modeling），通過仿真模擬建筑物所具有的真實信息可以可視化即“所見即所得”的形式，構件形成一種三維的立體實物圖形展示在人們的面前便于檢查出結構間的軟碰撞、硬碰撞及各工種配合的合理性，并對實施過程提出相應的優化建議。

3.1 同一單體內不同工種間的碰撞檢查與協調[2-4]

E1單體的鋼結構支撐系統與混凝土內外圈的墻體的施工軟碰撞協調。E1地下室混凝土內外圈墻體的高度標高范圍為－6.95～－0.10 m，此范圍附近有鋼結構柱和支撐（圖1）。支撐有鋼結構的箱型支撐和抗震消能的BRB支撐兩種不同的形式。鋼結構的箱型支撐與柱的連接節點是四面全焊接，而且焊縫的等級是全熔透一級焊縫。抗震消能的BRB支撐與柱的連接形式是螺栓連接（圖2）。鋼結構支撐的上端是與標高+7.9 m的柱連接。鋼結構的進度遲于混凝土墻的進度。如果墻體先施工，則鋼結構的箱型支撐安裝節點無法安裝。抗震消能的BRB支撐必須在結構全部施工完畢后最后安裝的。如果E1的混凝土內外圈的墻體不施工那么結構又無法施工完畢，該如何解決這矛盾體？首先我們協調鋼結構、土建、原設計和監理等各部門，利用整體模型可視化進行會商，各施工部門考慮現場的施工順序，而設計師所考慮的是構造及其安全性。各方通過BIM模型非常直觀地進行溝通、討論、決策。最后定下的施工方案是：混凝土墻體可以先施工，通過BIM模型精確定位柱與支撐連接節點處預留鋼結構的操作空間的洞口尺寸。待鋼結構安裝完畢后再將預留洞進行補缺。

圖1 混凝土墻和鋼結構柱及支撐

圖2 BRB支撐與柱的螺栓連接形式

3.2 不同單體之間不同工種間的碰撞檢查與協調

通過BIM的檢查發現各單體交界處的鋼柱與鋼柱、鋼柱與混凝土柱的距離太近，最近的柱與柱之間的尺寸只有100 mm。

由于考慮到鋼柱長度的運輸，需要對鋼柱進行分段，由此導致現場需進行柱的對接焊工作。后施工的鋼柱現場對接焊接時，靠近鄰柱一側的操作空間不夠。

此時需考慮各單體柱的現場施工前后狀態定下施工方案。后安裝的柱對接處開人孔，人孔開設位置在與鄰柱軟碰撞面的對面，并且在軟碰撞面側的柱對接剖口需開在內側（圖3），施工人員從開人孔的一側進入柱內側進行焊接，最后施工人員退出后蓋上后蓋板進行最后的焊接。

圖3 柱對接處開人孔

3.3 鋼結構與屋面的碰撞檢查與協調

展廳的屋面幾何造型比較新穎，是通過雙曲面的交匯構成整個屋面。同時構成屋面的相互關系也比較復雜，有天溝排水系統、檁條系統及保溫、防水、裝飾面板等組成。如果不是通過前期的BIM模型的檢查很難發現問題。所以在項目啟動階段就進行BIM模型建立和檢查，從這一過程當中暴露出很多問題，通過檢查結果提前與各相關單位進行協調，雖然協調花費很多時間和精力，但是能夠確保在深化設計階段將問題予以解決，大大提高了深化圖準確性，不將問題留到現場，同時現場的安裝速度也極大地得到保障。鋼結構與屋面的碰撞主要有：E2屋蓋主結構與天溝碰撞，主結構屋架梁與屋面系統外包鋁板的龍骨梁碰撞，主結構的主檁條穿入天溝，B1單體的檁條伸到B0單體后與主結構間互相碰撞，等等。

3.4 主結構與機電等專業的碰撞檢查與協調

通過BIM模型的檢查發現機電專業的管道、橋架與結構預留空位存在偏差，兩者之間碰撞嚴重及管線走向不盡合理等問題3 600 個點。各方工程師根據BIM的檢查報告科學、全面、合理地完成相關的調整和修改，同時在不影響建筑效果和結構安全的前提下使機電系統的管線布置最為優化。使相關專業在施工前將問題盡可能予以解決，大大降低返修成本，也提高了工程質量。

4 結語

借助BIM建筑信息模型平臺，通過鋼結構、幕墻、屋面、機電安裝三維空間模型檢查構件的幾何尺寸、構件碰撞、工藝尺寸等解決了空間碰撞等問題。將施工中可能發生的問題在深化設計階段全面解決。各相關專業單位會提前介入，把與鋼結構相關的連接節點事先深化完成，在鋼結構深化設計圖紙上反映，并在加工制作廠內完成。做到了深化設計、加工制作、施工三者一體化。之后借助BIM對信息化模型進行預拼裝，對鋼結構、幕墻、屋面、機電安裝、內裝飾的加工制作進行預檢和自檢，確保現場安裝精度以及對現場人力資源、施工進度、設備等得以進行施工全過程管理。利用BIM模型協調各分包承建商的工作，協調各個分包承建商的工作界面、施工順序、工序和工程驗收，避免了無謂失誤而造成資源的浪費和工期的滯后，為工程的順利完成立下汗馬功勞。