基于BIM模型的大跨鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

徐大為 金少惷 楊子明 潘 峰 蔡大偉

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

相對(duì)于其他建材，鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、整體性能好等顯著的優(yōu)點(diǎn)，故被大量應(yīng)用于大跨度、超高層項(xiàng)目中[1-5]。由于大體量的原因，鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等方面也面臨著越來越多的難題，這時(shí)引入BIM技術(shù)就可以很好地解決這些問題。

BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用可以分為4個(gè)階段：規(guī)劃階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)維階段[6-9]。本文結(jié)合工程實(shí)例，闡述BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)、施工階段的運(yùn)用方法。

1 工程概況

聯(lián)合國(guó)全球地理信息管理德清論壇會(huì)址項(xiàng)目，位于浙江省德清縣武康鎮(zhèn)地理信息小鎮(zhèn)中心，是集科技展覽、會(huì)議等于一體的現(xiàn)代化、多功能、綜合性的國(guó)際化會(huì)議中心，其建筑面積為37 948 m2，建筑高度為31.10 m，地下1層，地上3層。建筑主體為混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋蓋為曲面鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，表面為玻璃和不銹鋼幕墻（圖1）。

圖1 整體項(xiàng)目鳥瞰效果圖

屋蓋最大跨度達(dá)127.765 m，由22榀尺寸不同的橢圓形鋼拱架、鋼連梁、V形鋼柱、鋼柱及水平系桿組成，單件最大質(zhì)量為22 t。鋼結(jié)構(gòu)總量為2 300 t，材質(zhì)為Q235B與Q345B鋼材。

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的BIM應(yīng)用

2.1 三維建模

本項(xiàng)目的殼型屋面鋼結(jié)構(gòu)呈鵝蛋形外殼，拱架由緩和曲線鋼架與藝術(shù)飄帶組成，鋼結(jié)構(gòu)形式有圓管柱、圓管枝杈柱、箱形枝杈柱等，梁由箱形、箱形變截面緩和曲線鋼梁、管形緩和曲線鋼架等組成，連接接頭品種多，連接形式較為復(fù)雜。

該工程就其鋼結(jié)構(gòu)采用BIM的Xsteel軟件進(jìn)行三維建模（圖2）。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)三維模型示意

2.2 三維放樣

鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的核心是節(jié)點(diǎn)放樣，需結(jié)合制作加工工藝、運(yùn)輸堆放條件、安裝方案等因素進(jìn)行考慮。放樣前，需確定鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的施工方法。高空拼裝法、整體安裝法、高空滑移法是常用的3種鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工方法。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙以及工程所在地，本工程鋼結(jié)構(gòu)以散件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，采用滿堂操作架、主桁架地面分段拼裝，再通過塔吊或汽車吊吊裝就位，連接桿件高空散裝的施工方案進(jìn)行施工。

放樣時(shí)，屋面鋼結(jié)構(gòu)連接接頭（圖3）因構(gòu)件角度、位置不同，放樣工作量極大且正確率難以保證。

例如：緩和曲線鋼架頂部與鋼柱樹杈狀銷軸連接，鋼柱與鋼架梁連接處形成角度，制作時(shí)需注意連接板的角度及方向位置；屋面拱梁之間連接系桿、水平支撐全部為焊接連接，由于屋面呈鵝蛋形外殼，系桿正交拱梁，加上水平支撐斜交呈雙曲角度，因此，在制作組裝時(shí)需要放樣確定二者之間的連接角度，要求在圖紙深化與制作時(shí)引起高度重視。

本工程在Xsteel軟件中，通過嚴(yán)格控制各構(gòu)件控制點(diǎn)在三維視圖中的正確設(shè)置，得到了放樣之后的詳細(xì)節(jié)點(diǎn)（圖4）。

圖3 屋面鋼結(jié)構(gòu)連接接頭

圖4 屋面鋼結(jié)構(gòu)連接三維模型

2.3 節(jié)點(diǎn)深化

Xsteel軟件可在詳細(xì)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上得到切割完成的三維模型（圖5），進(jìn)而得到鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)深化圖紙。有了具體構(gòu)件的信息，將之導(dǎo)入相貫線切割機(jī)就可直接進(jìn)行切割下料，省略了傳統(tǒng)制圖的相貫線出圖環(huán)節(jié)。

圖5 鋼桁架構(gòu)件三維模型及相貫面示意

3 設(shè)計(jì)與施工協(xié)同工作

3.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的碰撞

在以往工程中，設(shè)計(jì)與施工單位往往不能協(xié)同工作，造成鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)構(gòu)配件碰撞問題。設(shè)計(jì)碰撞又稱為幾何碰撞，在二維模型中往往是因?yàn)椴豢梢暬a(chǎn)生錯(cuò)誤判斷所造成的。施工碰撞往往體現(xiàn)為因工作面不足等而無法施工的情況。本工程通過建立可視化的三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)碰撞。利用BIM對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行虛擬建造，解決施工碰撞問題。

3.2 施工過程BIM模擬

以東區(qū)屋面拱架安裝為例，將東區(qū)鋼屋蓋分為8段，通過BIM模型模擬施工流程。

東區(qū)屋面拱架安裝具體施工流程如下：安裝第1段樹枝柱及V柱→安裝第1段拱架（圖6）→安裝第2段樹枝柱及V柱→安裝第2段拱架、第1段拱架系桿及連梁（圖7）→安裝第3～8段的樹枝柱、V柱、拱架系桿及連梁（圖8）。

圖6 安裝第1段拱架

圖7 安裝第2段拱架、第1段拱架系桿及連梁

4 鋼結(jié)構(gòu)施工的BIM應(yīng)用

4.1 吊裝、拼接的誤差控制

鋼屋架由不同規(guī)格管材會(huì)交的網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)組成空間體系。拼裝過程中空間各點(diǎn)的定位測(cè)量以及焊接過程中的收 縮，都可能給最終的設(shè)計(jì)幾何形狀帶來超規(guī)范的偏差。此外，大跨度主梁需考慮施工起拱度，要保證整個(gè)鋼屋架的標(biāo)高在施工臨時(shí)支架卸載后符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 屋蓋吊裝完成

為了解決屋蓋拼裝的誤差問題以及考慮施工起拱度，在BIM建模時(shí)考慮合理的增量值，現(xiàn)場(chǎng)組焊時(shí)既要保證合理的接口縫隙，又要保證節(jié)點(diǎn)距離符合相關(guān)要求，將構(gòu)件的彎曲矢高、跨中垂直度和屋面鋼梁撓曲控制在允許偏差范圍內(nèi)。

對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的吊裝，將本網(wǎng)殼在BIM模型中分成若干條狀單元塊，各單元塊的長(zhǎng)度尺寸和吊點(diǎn)設(shè)置位置均要考慮其剛性不受損傷和破壞，具有足夠的剛度，并保證自身的幾何不變性。為保證構(gòu)件的吊裝定位，需考慮相應(yīng)的焊接收縮量和時(shí)段環(huán)境溫差的影響，總拼時(shí)應(yīng)選擇合理的焊接工藝順序，以減少焊接變形和應(yīng)力。

擬吊裝鋼結(jié)構(gòu)均位于鋼筋混凝土的地下室頂部，履帶吊或汽車吊受制于地下室頂板的承載能力，且部分構(gòu)件的長(zhǎng)度大、吊裝質(zhì)量大、高空就位高度較高。針對(duì)本工程的特點(diǎn)，在施工階段根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)通過BIM平臺(tái)模擬實(shí)際施工，從而得到最優(yōu)施工方案：吊裝采用位于建筑物外側(cè)的3臺(tái)塔吊作為主吊裝機(jī)械；對(duì)于部分質(zhì)量較大的構(gòu)件，則采用120 t汽車吊吊裝；對(duì)于汽車吊需在地下室頂部作業(yè)的部位，對(duì)頂部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，對(duì)不滿足承載力要求的則反饋到BIM中進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。

本工程在空間結(jié)構(gòu)拼接時(shí)，工程測(cè)量控制是重中之重。為保證結(jié)構(gòu)安裝誤差在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)安裝時(shí)需采用全站儀定位空間坐標(biāo)，激光經(jīng)緯儀等進(jìn)行軸線測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)共享于BIM平臺(tái)，通過鋼結(jié)構(gòu)BIM模型數(shù)據(jù)校核虛擬施工數(shù)據(jù)，保證安裝精度。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)施工偏差處理

一般工程的建造環(huán)境是復(fù)雜多變的，復(fù)雜氣候環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接的影響較大。如何確保在復(fù)雜氣候條件下鋼結(jié)構(gòu)焊接的質(zhì)量是保證工程順利實(shí)施、處理施工誤差的重要環(huán)節(jié)。

本工程根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和環(huán)境特點(diǎn)，制定了有針對(duì)性的各種環(huán)境下（冬季、雨季）的焊接質(zhì)量控制方案，加強(qiáng)質(zhì)量控制。定期對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，形成反饋并輸入BIM平臺(tái)，擬合數(shù)據(jù)信息形成對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工的修改。為提高焊接效率，在下部結(jié)構(gòu)焊接時(shí)可采用氣體保護(hù)焊；在上部結(jié)構(gòu)受風(fēng)影響較大的情況下，設(shè)置了專門的焊接防風(fēng)棚，以保證焊接質(zhì)量。

4.3 施工過程的記錄及反饋

在BIM平臺(tái)上記錄的工程數(shù)據(jù)資料有：工程施工進(jìn)度計(jì)劃、材料進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)記錄、鋼結(jié)構(gòu)制作幾何尺寸檢查記錄、鋼網(wǎng)架零部件加工及安裝記錄、單層鋼結(jié)構(gòu)有關(guān)安裝構(gòu)件幾何尺寸測(cè)量記錄。該記錄包含設(shè)計(jì)后、施工前的檢驗(yàn)記錄，及施工后、設(shè)計(jì)變更前的反饋記錄。

本工程通過對(duì)工程數(shù)據(jù)及施工要點(diǎn)的研究和控制，使得鋼結(jié)構(gòu)的竣工時(shí)間比計(jì)劃提前1個(gè)月，并榮獲中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)“金獎(jiǎng)”和上海市金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)質(zhì)工程“金鋼獎(jiǎng)”。

5 結(jié)語

本工程采用BIM技術(shù)建立三維模型，更為直觀地反映出工程鋼結(jié)構(gòu)曲面、曲線鋼構(gòu)件、復(fù)雜連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)情況，并結(jié)合制作加工工藝、運(yùn)輸堆放條件、安裝方案等因素，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放樣，得出具體詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)深化圖。

通過建立可視化三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)碰撞分析，并進(jìn)一步將鋼結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行BIM三維模擬，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，減少了因設(shè)計(jì)影響而產(chǎn)生的施工問題。

在BIM平臺(tái)中考慮可能影響鋼結(jié)構(gòu)吊裝、拼接、焊接質(zhì)量的因素，將施工中產(chǎn)生的相關(guān)質(zhì)量問題反饋在平臺(tái)上，并給出處理措施。同時(shí)，通過BIM平臺(tái)控制工程進(jìn)度，為該工程獲取中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)“金獎(jiǎng)”和上海市金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)質(zhì)工程“金鋼獎(jiǎng)”提供了強(qiáng)有力的支撐。