鋼結構深化設計與BIM技術的有機結合在改造項目中的創新應用

顧 濤

上海機施建筑設計咨詢有限公司 上海 200072

2018年第一屆中國國際進口博覽會主會場的改造是本次中國博覽會會展綜合體場館提升改造項目的重點。主會場包括2 000人左右的會議大廳、迎賓大廳、休息前廳及配套會議、辦公等功能用房。

主會場改造（亦稱：F3改造）涉及室內功能改造和室外立面改造兩大施工區，包含了主體結構改造、內外裝飾更新和聲光多媒體配套等眾多專業工作。主會場改造涉及面積超30 000 m2，鋼結構總量超3 000 t，留給鋼結構深化設計的時間僅為1個月（圖1）。

由于設計圖紙還不完善，與其他專業的配合比較多，為了將機電、裝飾、聲光多媒體配套等技術條線和鋼結構有機地融合到吊頂層內部，有些部位的鋼結構深化設計時間僅一周。

圖1 主會場整體空間效果圖

1 工程概況

本次主會場改造的雙層小展廳F3位于大展廳A1與D1之間的中軸通道上，如圖2所示。小展廳平面呈切角的三角形，橫向最大寬度170.9 m，東西向通道縱向總長271.1 m。屋頂最高點高度為35 m，16 m標高平面和屋頂結構采用鋼桁架體系。

2 工程難點

該工程的施工難點如下：

1）該項目工期緊、主體鋼結構拆除及改造工程量大，新老結構的有機結合界面多。施工采取立體交叉作業、拆除與加固同步進行，立體交叉作業和拆除是施工現場的重大危險源。

圖2 小展廳F3典型樓層平面

2）涉及眾多專業，例如土建、機電安裝、內外裝飾、聲光多媒體、電梯、自動扶梯等。鋼結構深化時必須與它們密切配合，無縫銜接。

3 深化階段通過鋼結構三維建模和BIM模型整合的創新性應用，及時解決問題

本工程涉及眾多專業，根據不同的工作內容由各專業單位進行各自的建模工作，如鋼結構深化單位對新增、加固等鋼結構進行建模，混凝土結構由BIM小組進行建模，機電深化單位對各種管道和強、弱電系統進行建模，裝飾深化單位對內外裝飾系統進行建模[1-2]。最后由BIM小組根據各專業提交的模型進行整合，建立BIM信息模型。通過BIM信息模型可以直觀地檢查出結構的錯誤、遺漏、碰撞等問題，還能檢查各專業配合的合理性，適時提出相對應的優化方案。

3.1 基于鋼結構BIM模型平臺對新老結構有機結合的管理及解決問題

從收到擴初圖開始，對新增、加固等結構進行建模，然后整合BIM模型。基于鋼結構BIM模型平臺，對拆除及加固構件進行統計和分類；評估新建結構對既有結構的影響；分析既有結構拆除部分對整體（或局部、周邊）結構安全的影響。最后，還對拆除構件二次利用的可行性進行分析。

由于BIM模型中含既有結構、拆除結構、新建結構、加固結構，深化時在BIM模型中將這幾類構件的利用狀態和顏色進行區分，例如將既有結構的顏色用深灰色表示，拆除結構用黃色表示，加固結構用綠色、深紅色表示，新建結構用藍色表示，樓梯用棕色表示等。這樣既便于深化過程中的管理，也方便了現場施工技術人員的查詢，信息一目了然。

例如本工程中需要拆除的構件有600多根，這些構件分布無規律、位置相對分散、地方非常廣，現場已分布眾多的墻體、管道、線槽和裝飾物等，施工時僅通過圖紙來尋找確定是很耗費時間和人力的，而且很容易出現差錯。在施工準備期間，技術人員可以利用BIM模型，根據設定的顏色快速找到構件及其所處位置。

通過查看模型中的構件外形特征、幾何尺寸以及相鄰構件關系，既能快速確定施工方案，又能準確估算施工持續時間（圖3）。

圖3 局部模型示意

3.2 鋼結構與機電、消防等專業的碰撞與協調，合理調整設計方案

通過BIM模型的檢查，發現13號鋼樓梯穿過會議大廳與機房隔墻，14號鋼樓梯穿過迎賓大廳與機房隔墻，這2個鋼樓梯都跨越了2個防火分區，而且14號鋼樓梯還存在凈高不足的問題。為此，通過與各相關單位協調，機電深化設計通過壓縮管道高度，增加管道寬度，保證管道通風不受影響。鋼結構深化設計建議在隔墻上開設防火門，解決消防問題。

考慮到此樓梯僅用于檢修，創造性地采用將13號鋼樓梯改為鋼樓梯加爬梯的形式（圖4），來解決樓梯局部空間過小而無法布置的問題（圖5）。

圖4 鋼樓梯加爬梯形式示意

圖5 鋼樓梯凈高不足

3.3 基于BIM模型平臺的多專業協同設計，優化設計吊頂轉換層，提出合理改造方案

為了配合裝飾吊頂龍骨的安裝，屋頂桁架下弦需要增設轉換層鋼梁。初期方案是將轉換層鋼梁下表面與下弦桿下表面齊平，這樣可以將上部有效使用空間變大，還可使龍骨豎向吊桿變短。

但在與BIM模型合模后發現，下弦平面內布置有眾多的系桿、水平支撐，鋼梁與它們發生了碰撞。由于桁架豎向腹桿水平間距均為3.1 m，正好符合轉換層鋼梁的定位要求，于是將轉換層上移，鋼梁下表面與屋頂桁架下弦的上表面基本齊平，鋼梁腹板背靠在桁架豎向腹桿側邊，然后施焊。次梁（方鋼管）直接擱置于鋼梁上方。

吊頂層內部不僅布置有轉換層鋼梁、馬道、聲光多媒體設備吊掛平臺，還有暖通、消防、強弱電等眾多的管道。通過BIM模型的檢查，我們發現了許多問題，例如：機電管道與鋼梁碰撞、機電管道穿過馬道、機電管道與提升支架碰撞、裝飾吊頂與鋼結構龍骨模數不匹配、設備吊桿與裝飾吊頂凹槽碰撞等問題（圖6）。

圖6 機電管道與鋼梁、提升支架碰撞

經過與各相關專業溝通，通過采取優化鋼梁截面和布置，使鋼梁局部下沉，調整管線布置，改變管道形狀（如將圓管改為矩形管），調整聲光多媒體吊點位置等方法，解決了這些問題。

3.4 根據現場實際施工情況提出免拆除、無支撐、形式多樣的創新型加固方案

3.4.1 多種形式的加固方法，有效提升了鋼梁承載力

由于23 m新增了鋼平臺，按照設計圖要求，16 m標高樓層中就需要替換12根位于新增立柱下方的鋼梁。如果按照圖紙施工的話，就需要先鑿除大面積的樓板，再置換鋼梁。這將會造成現場的拆除工作量巨大，且使施工通道無法暢通，進而影響后道工序開始施工的時間，施工周期將加長。

為此，深化設計通過多種方案對比后，提供2種創新型的加固方案。對于部分受力較大的6根鋼梁，將既有樓層梁作為加固桁架上弦，通過增加下弦和斜撐的形式來對此梁進行加固（圖7）。

圖7 加固桁架示意

對于部分受力較小的6根鋼梁，采用樓層梁加T型鋼的方式進行加固（圖8）。

圖8 T型鋼加固梁示意

上述加固方案免除了樓板大面積的鑿除，避免了二次樓板澆筑、養護和施工通道不通暢等不利影響，方便了現場施工，還能樓上樓下同步施工，縮短施工周期，從而加快了工程進度。

3.4.2 無支撐形式的鋼梁創新型減高法

23 m標高新增樓層由于凈空不足，需要將26.5 m標高夾層中的6根主梁高度降低100 mm。設計圖紙中要求必須替換鋼梁，如果這樣施工的話，這就意味著不僅要鑿除此層半數以上面積的樓板，還要對30多根原有次梁進行頂托固定，這樣才能置換鋼梁。如此狹小的地方，這樣施工不僅造成工作量成倍增加，而且效果還不好。

由于此夾層為設備機房，施工中設備和機器并未移走，考慮到下方正在進行23 m標高鋼平臺的施工作業，亦欲將對機器設備的不利影響降到最低，在無先例的情況下，深化設計創造性地提出在鋼梁下方增加2條加固鋼板，間隔1 m加設加勁板，并在鋼梁跨中1/3處加設斜撐，然后割除鋼梁下翼緣。通過驗算，結構安全性完全滿足，下方樓層凈高也滿足建筑要求（圖9）。

圖9 鋼梁加固貼板示意

4 結語

鋼結構深化設計過程中，借助鋼結構BIM模型，使新老結構有機結合。通過BIM建筑信息模型整合，很好地解決了鋼結構、機電、裝飾等專業之間的錯、漏、碰等諸多問題。充分發揮主觀能動性，通過與原設計密切配合，提出了很多合理的改造方案和創新型加固方案，將施工中可能發生的問題在深化設計階段解決，為現場施工提前完工奠定了基礎。

隨著時代的發展，建筑物的內在功能已不能滿足人們日益增長的物質和文化需求，老舊場館和建筑的功能提升改造項目將會越來越多，鋼結構深化設計和BIM技術有機結合將以其良好的綜合優勢得到更廣泛的運用。