探討BIM技術在超高層建筑復雜鋼結構中的應用

竇鴻賓

上海錦萌建筑工程有限公司 上海 201112

引言

提升超高層建筑復雜鋼結構設計工作效率，確保鋼結構設計質量，理應結合周邊環境與相關標準，全面引進BIM技術，構建三維建筑模型，合理規劃建筑施工方案，做好鋼結構空間設計工作，確保鋼結構的穩固性。

1 建立完善的三維建筑模型

確保超高層建筑復雜鋼結構設計施工質量，促進鋼結構施工方案和所處地質結構的有效對接，加強鋼結構穩固性，則需要借助BIM技術構建三維建筑模型。三維模型是一項重要的作業。在構建三維建筑模型的過程中，設計師應準確獲取施工參數和鋼結構圖，認真瀏覽細致的施工圖紙，對所獲取的數據進行整合與全面分析。構建模型的主要目標是對超高層建筑鋼結構構造形態、結構構造關系和內部所有相關屬性的變化狀況展開可視化分析，了解建筑環境，以此設計更科學的超高層復雜鋼結構施工方案。運用BIM技術對建筑鋼結構模型相關數據資料進行分析，結合分析結果將二維剖面圖轉化成三維立體化結構模型，這樣方能直觀化展示復雜的鋼結構。通過三維建筑模型分析，設計師能夠和施工技術人員能進行深度交流，全面理解復雜的鋼結構組合，在后期施工中規避相關風險。在建立三維建筑模型時，需要謹遵建模標準要求，運用BIM技術在二維橫坐標和縱坐標上，適當增加空間坐標系，然后，正確運用插值法預估復雜的空間坐標。在Bentley平臺上，運用BIM建模軟件開展三維建筑建模工作時，應發揮土木工程工具和克里金方法的作用，準確模擬大量的空間數據，這樣能夠設計好復雜的鋼結構模型。因為所有參數信息和獲取的數據處于統一管理工作狀態，所以在構建三維建筑模型時會自動生成完整的三維建筑圍合面。其次，因為圖形環境和BIM文件轉換格式均是統一的，所以在建立三維地質模型時會建立統一的坐標系，同時，發揮BIM建模軟件的參考連接功能，促進超高層建筑和三維模型的有效對接，使三維建筑模型最終能夠體現出超高層建筑復雜的鋼結構組合與表征[1]。

2 做好超高層建筑鋼結構測量工作

2.1 控制好鋼管柱的位置

在超高層建筑鋼結構測量工作中，首先要重視量化建筑鋼結構的施工秩序，其標準施工流程大致分為以下十三步。

2.1.1 做好建筑鋼管柱的安裝工作。在具體安裝中，應先精準校對標高，結合三維建筑模型做好位移的校對工作，最后，要對鋼管柱的垂直度偏差實施相應的微調。

2.1.2 運用BIM技術所搭建的三維模型做好測量校對管理工作。

2.1.3 做好首層框架梁的施工處理作業。

2.1.4 做好二層框架梁的施工處理工作。

2.1.5 做好測量工作。

2.1.6 對螺栓進行初擰。

2.1.7 做好首層次梁和小梁的施工作業。

2.1.8 對二層壓型鋼板進行科學堆放處理。

2.1.9 做好二層次梁和小梁的施工作業。

2.1.10 運用BIM技術所設計的三維建筑模型實施精準地測量校對。

2.1.11 對高強度的螺栓進行終擰。

2.1.12 做好壓型鋼板的鋪設工作。

2.1.13 做好鋼筋混凝土結構的施工作業。

其次，要充分利用BIM技術對測量裝置予以全面改進。不可忽視的是，核心筒內屬于異形結構，其操作空間也比較小，如果每在建筑樓層板開展施工，就很難架設測量儀器。對此，需要在鋼板墻上固定好特制全站儀支架，用它來替代常規情況下所使用的三腳架，這樣也能夠提供良好的測量放樣條件。測量工作人員應正確使用全站儀極坐標測量法實施鋼管柱測量定位工作，準確把握三項基本要點：第一，運用全站儀準確定位超高層建筑鋼管柱的中心點坐標，精確計算坐標的參數，將該坐標視作建筑塔樓鋼管柱的測量控制點。然后，依次對其他樓層鋼管柱的中心坐標所處位置實施精準定位，認真參考設計圖紙，按照標準尺寸準確計算鋼管內控制點控制和把控軸線之間的位置關系。第二，在控制點上架設萊卡全站儀（英文簡稱TS06），謹遵整平對中的架設方案，這樣方能對控制鋼管柱的軸線徑向位置實施精準測量與定位。第三，如果超高層建筑的核心筒呈弧形，在架設全站儀和進行測量時，就需要在樓層板上錨固一塊 厚度為10mm的鋼板，使這塊鋼板能夠延伸出核心筒以外50cm的區域，這樣能夠在架設全站儀腳架的支腿區域形成一個牢固的支撐點，滿足鋼管柱坐標的精準放樣需求。

2.2 做好鋼管柱的安裝測量工作

在鋼管柱的安裝測量工作中，需要在鋼管構件安裝的定位測量工作之前，充分利用BIM技術所搭建的三維模型精確校對鋼管柱、鋼管梁、鋼管支撐等重要結構尺寸和中線位置進。然后，按照施工工序的劃分和鋼管柱的吊裝工作順序，按照鋼管原來的位置，在要進行吊裝的鋼管柱上面標注軸線和中心線，用紅色三角進行標記，這樣能夠為校測工作提供便利。在安裝之前，應認真校對和測量鋼管柱的長度和截面幾何尺寸[2]。在定位復測工作中，需要在建筑基礎混凝土的面層上做好第一節鋼管柱的安裝工作，在正式安裝前，必須認真檢查并科學調整鋼管柱地腳螺栓位置，將誤差控制在±1 mm范圍內。在澆搗混凝土的過程中，需要在地腳螺栓的反射片中心位置坐標設置全站儀進行測量，這樣方便采取全方位動態監測工作，準確獲取反射片的中心位置坐標數值，及時了解偏差問題，將誤差控制在標準范圍內。對于鋼管柱的垂直度校正工作，需要把兩臺全站儀分別穩固安置在相互垂直的軸線控制網之上，做好精確的整平對中處理工作。等到鋼柱校準之后，測量人員就要通知焊接技術人員開展鋼管柱焊接工作，以此確保鋼管結構的穩定性。

3 啟用基于BIM的復雜節點深化技術

超高層建筑復雜的鋼結構由大量的節點與構件組成，這些節點與構件也給建筑鋼結構施工帶來了不容小覷的難度，對此，則需要啟用基于BIM的復雜節點深化技術，準確把握復雜的鋼結構施工難點，處理好各種復雜的問題[3]。從整體框架來看，超高層建筑鋼結構施工難度主要體現在九個方面：

第一，平面布置工作難度。超高層建筑的周邊環境通常非常復雜，所處施工場地面積、范圍狹小，施工過程中涉及眾多專業，需要使用大量的不同專業材料，成品保護工作有很高的難度，必須對各種材料應用進行合理跟蹤與協調管控，盡量減少大量施工材料的堆積。

第二，機械選型工作難度。超高層建筑現場結構的平面都非常狹小而且多變，有大量不同種類的鋼構件，這些構件的重量存在較大的差異，而鋼結構的吊裝工期都比較緊，在具體工作中還須兼顧塔吊的拆裝與爬升，因此，工作難度很高。

第三，深化設計工作難度。在超高層建筑鋼結構中，各種節點的形式具有復雜性，這些鋼結構節點經常和土建作業、機電工程作業、幕墻施工作業存在大量的交叉點，很難在短時間內進行有效協同。對此，需要做好深化設計工作，面對多種難度，不僅要設計精確細致的圖紙，確保圖紙的全面性、準確性、局部完整性、操作可行性，而且要重視盡快出圖，確保圖紙設計工作效率。

第四，復雜構件的加工難度。超高層建筑復雜的鋼結構有眾多節點，組合形式非常復雜，不少構件的構造存在多變性，其內部有大量的不規則組合零件，結構空間定位非常復雜，這給構件的加工作業與質量檢驗工作帶來了不容小覷的難度。

第五，鋼結構安裝工作流程復雜。因為超高層建筑鋼結構組合復雜，并存巨型結構、異型結構、傾斜結構和桁架結構，它們的重量都比較大，空間位置非常復雜，給高空定位和吊點選擇工作帶來諸多困難。

第六，測量精度控制工作難度。因為超高層建筑鋼結構的形式具有復雜性，其巨柱的截面積非常大，有很多對接位置，鋼結構的重量也很大，在施工過程中，鋼結構很容易受到日照、外在溫度和風荷載、日照和溫度等氣候變化的影響，這樣就很難控制測量精度。

第七，焊接質量控制工作難度。超高層建筑鋼結構的施工周期一般都很漫長，期間必然要經過寒冷的冬季和雨季，而建筑鋼結構對焊接質量有很高的要求，因為，鋼結構材料在有大量的超厚板，所以焊接質量控制工作也有很高的難度。

第八，安全防護管理工作難度。大多數超高層建筑所處環境復雜，位于繁華市區，需要做好高空作業、機電作業、動火作業和臨邊作業，這樣就存在很多安全隱患因素，給安全防護管理工作帶來諸多困難。對此，應準確評估施工風險，制定完善的解決對策，及時消除安全隱患因素。

第九，垂直吊裝工作難度。當代超高層建筑的工期都比較緊張，涉及大量的不同專業，這給塔吊的選型和布置工作帶來了很高的難度，因而，很容易導致塔吊爬升期間的工作效率低下，施工資源比較緊張。然而，必須注意的是，因為大型鋼結構構件的體量非常大，所以要著重提高塔吊的吊裝效率，克服很多困難。

此外，在應用BIM技術解決難點問題的過程中，需要精確模擬建筑鋼結構下料工作，借助BIM軟件來控制精確的排版，如果弧形零件存在扭曲現象，就需要采用BIM軟件放樣來構建實體模型，對板塊的分割進行優化，從而得到有多個控制點的精確性空間坐標，這樣能夠有效解決復雜的節點問題，提高深化加工精度與效率，有效減少彎扭構件下料過程中的材料損耗問題。

4 啟用基于BIM的三維激光智能驗收技術

在超高層鋼結構施工中，大量的異形復雜組合節點因為空間位置存在多邊形，且截面形式非常復雜，隨意無法運用常規測量方法來檢驗外形的尺寸，對此，需要正確使用基于BIM的三維激光掃描智能驗收技術[4]。

5 結束語

綜上所述，確保超高層建筑復雜鋼結構設計施工質量，促進鋼結構施工方案和所處地質結構的有效對接，加強鋼結構穩固性，則需要借助BIM技術構建三維建筑模型，做好鋼結構測量工作，設計完善的鋼結構施工方案。