鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)與BIM技術(shù)的有機(jī)結(jié)合在中國(guó)博覽會(huì)會(huì)展綜合體工程中的應(yīng)用

上海機(jī)施建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司 上海 200072

1 工程概況

以四葉草為設(shè)計(jì)造型的中國(guó)博覽會(huì)會(huì)展綜合體，位于上海虹橋交通樞紐西側(cè)，建成后將擁有40 萬(wàn)m2的室內(nèi)凈展覽面積和10 萬(wàn)m2的室外展場(chǎng)，成為世界上規(guī)模最大、最具水平、最具競(jìng)爭(zhēng)力的會(huì)展綜合體。該項(xiàng)目總建筑面積147 萬(wàn)m2，其中地上面積127 萬(wàn)m2，地下面積20 萬(wàn)m2。整個(gè)會(huì)展綜合體項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)工程用鋼總量達(dá)11 萬(wàn)t左右。但是給鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)僅6 個(gè)月的時(shí)間。為了配合鋼結(jié)構(gòu)的加工周期和現(xiàn)場(chǎng)吊裝順序，實(shí)際實(shí)施中有的單體的深化設(shè)計(jì)時(shí)間被壓縮到僅3 個(gè)月。

2 工程難點(diǎn)

該工程具有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

（a）該項(xiàng)目體量大、單體多、界面復(fù)雜、工程進(jìn)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(yè)是工程施工的重大危險(xiǎn)源。

（b）工程涉及到土建、屋面、幕墻、機(jī)電安裝、電梯、自動(dòng)扶梯、展廳專用設(shè)備等。需協(xié)調(diào)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(xiàng)目北塊是上海建工集團(tuán)的施工范圍，項(xiàng)目南塊是中建的施工范圍，涉及的承包商不同，施工的進(jìn)度也不同，有部分單體的鋼結(jié)構(gòu)互相交錯(cuò)。

3 鋼結(jié)構(gòu)三維建模和BIM技術(shù)相結(jié)合在深化階段及時(shí)解決的問(wèn)題

由于本工程單體眾多，不同的單體是由不同的設(shè)計(jì)師來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，同時(shí)各個(gè)專業(yè)之間的協(xié)調(diào)也不夠充分，所以出現(xiàn)了各種各樣的碰撞問(wèn)題和干涉問(wèn)題，在這種情況下需要進(jìn)行三維模型建立，通過(guò)BIM技術(shù)來(lái)進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、及時(shí)反映問(wèn)題、及時(shí)解決問(wèn)題。

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

3.1 同一單體內(nèi)不同工種間的碰撞檢查與協(xié)調(diào)[2-4]

E1單體的鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)與混凝土內(nèi)外圈的墻體的施工軟碰撞協(xié)調(diào)。E1地下室混凝土內(nèi)外圈墻體的高度標(biāo)高范圍為－6.95～－0.10 m，此范圍附近有鋼結(jié)構(gòu)柱和支撐（圖1）。支撐有鋼結(jié)構(gòu)的箱型支撐和抗震消能的BRB支撐兩種不同的形式。鋼結(jié)構(gòu)的箱型支撐與柱的連接節(jié)點(diǎn)是四面全焊接，而且焊縫的等級(jí)是全熔透一級(jí)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(jié)構(gòu)支撐的上端是與標(biāo)高+7.9 m的柱連接。鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)度遲于混凝土墻的進(jìn)度。如果墻體先施工，則鋼結(jié)構(gòu)的箱型支撐安裝節(jié)點(diǎn)無(wú)法安裝。抗震消能的BRB支撐必須在結(jié)構(gòu)全部施工完畢后最后安裝的。如果E1的混凝土內(nèi)外圈的墻體不施工那么結(jié)構(gòu)又無(wú)法施工完畢，該如何解決這矛盾體？首先我們協(xié)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)、土建、原設(shè)計(jì)和監(jiān)理等各部門，利用整體模型可視化進(jìn)行會(huì)商，各施工部門考慮現(xiàn)場(chǎng)的施工順序，而設(shè)計(jì)師所考慮的是構(gòu)造及其安全性。各方通過(guò)BIM模型非常直觀地進(jìn)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(guò)BIM模型精確定位柱與支撐連接節(jié)點(diǎn)處預(yù)留鋼結(jié)構(gòu)的操作空間的洞口尺寸。待鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢后再將預(yù)留洞進(jìn)行補(bǔ)缺。

圖1 混凝土墻和鋼結(jié)構(gòu)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(xié)調(diào)

通過(guò)BIM的檢查發(fā)現(xiàn)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(zhǎng)度的運(yùn)輸，需要對(duì)鋼柱進(jìn)行分段，由此導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)需進(jìn)行柱的對(duì)接焊工作。后施工的鋼柱現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊接時(shí)，靠近鄰柱一側(cè)的操作空間不夠。

此時(shí)需考慮各單體柱的現(xiàn)場(chǎng)施工前后狀態(tài)定下施工方案。后安裝的柱對(duì)接處開人孔，人孔開設(shè)位置在與鄰柱軟碰撞面的對(duì)面，并且在軟碰撞面?zhèn)鹊闹鶎?duì)接剖口需開在內(nèi)側(cè)（圖3），施工人員從開人孔的一側(cè)進(jìn)入柱內(nèi)側(cè)進(jìn)行焊接，最后施工人員退出后蓋上后蓋板進(jìn)行最后的焊接。

圖3 柱對(duì)接處開人孔

3.3 鋼結(jié)構(gòu)與屋面的碰撞檢查與協(xié)調(diào)

展廳的屋面幾何造型比較新穎，是通過(guò)雙曲面的交匯構(gòu)成整個(gè)屋面。同時(shí)構(gòu)成屋面的相互關(guān)系也比較復(fù)雜，有天溝排水系統(tǒng)、檁條系統(tǒng)及保溫、防水、裝飾面板等組成。如果不是通過(guò)前期的BIM模型的檢查很難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。所以在項(xiàng)目啟動(dòng)階段就進(jìn)行BIM模型建立和檢查，從這一過(guò)程當(dāng)中暴露出很多問(wèn)題，通過(guò)檢查結(jié)果提前與各相關(guān)單位進(jìn)行協(xié)調(diào)，雖然協(xié)調(diào)花費(fèi)很多時(shí)間和精力，但是能夠確保在深化設(shè)計(jì)階段將問(wèn)題予以解決，大大提高了深化圖準(zhǔn)確性，不將問(wèn)題留到現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的安裝速度也極大地得到保障。鋼結(jié)構(gòu)與屋面的碰撞主要有：E2屋蓋主結(jié)構(gòu)與天溝碰撞，主結(jié)構(gòu)屋架梁與屋面系統(tǒng)外包鋁板的龍骨梁碰撞，主結(jié)構(gòu)的主檁條穿入天溝，B1單體的檁條伸到B0單體后與主結(jié)構(gòu)間互相碰撞，等等。

3.4 主結(jié)構(gòu)與機(jī)電等專業(yè)的碰撞檢查與協(xié)調(diào)

通過(guò)BIM模型的檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)電專業(yè)的管道、橋架與結(jié)構(gòu)預(yù)留空位存在偏差，兩者之間碰撞嚴(yán)重及管線走向不盡合理等問(wèn)題3 600 個(gè)點(diǎn)。各方工程師根據(jù)BIM的檢查報(bào)告科學(xué)、全面、合理地完成相關(guān)的調(diào)整和修改，同時(shí)在不影響建筑效果和結(jié)構(gòu)安全的前提下使機(jī)電系統(tǒng)的管線布置最為優(yōu)化。使相關(guān)專業(yè)在施工前將問(wèn)題盡可能予以解決，大大降低返修成本，也提高了工程質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

借助BIM建筑信息模型平臺(tái)，通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)、幕墻、屋面、機(jī)電安裝三維空間模型檢查構(gòu)件的幾何尺寸、構(gòu)件碰撞、工藝尺寸等解決了空間碰撞等問(wèn)題。將施工中可能發(fā)生的問(wèn)題在深化設(shè)計(jì)階段全面解決。各相關(guān)專業(yè)單位會(huì)提前介入，把與鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的連接節(jié)點(diǎn)事先深化完成，在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)圖紙上反映，并在加工制作廠內(nèi)完成。做到了深化設(shè)計(jì)、加工制作、施工三者一體化。之后借助BIM對(duì)信息化模型進(jìn)行預(yù)拼裝，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、幕墻、屋面、機(jī)電安裝、內(nèi)裝飾的加工制作進(jìn)行預(yù)檢和自檢，確保現(xiàn)場(chǎng)安裝精度以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人力資源、施工進(jìn)度、設(shè)備等得以進(jìn)行施工全過(guò)程管理。利用BIM模型協(xié)調(diào)各分包承建商的工作，協(xié)調(diào)各個(gè)分包承建商的工作界面、施工順序、工序和工程驗(yàn)收，避免了無(wú)謂失誤而造成資源的浪費(fèi)和工期的滯后，為工程的順利完成立下汗馬功勞。