地鐵站上蓋建筑懸挑鋼結構施工中的BIM應用

張俊松

上海市北高新（集團）有限公司 上海 200436

1 工程概況

上海靜安43街坊項目地下2層、地上14層，總高度80 m，總用地面積5 705 m2，總建筑面積27 160 m2。項目西側鄰近軌交8號線曲阜路站，地下室結構與地鐵站臺結構最近水平距離2.2 m，地面現有使用中的4個3.5～5.5 m地鐵風井，以及2個地鐵人行出入口；北側鄰近軌交12號線區間隧道。

該工程主體采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構，樓面系統采用鋼筋混凝土井格梁板體系，外立面采用非透明幕墻與透明幕墻結合形式。2～4 層樓面采用整層鋼結構桁架懸挑（圖1）。

圖1 43街坊項目效果圖

2 施工難點

1）地塊緊貼軌交8號線曲阜路地鐵站臺結構，地下室結構與地鐵結構最近水平距離2.2 m。地鐵站地上還存在2處使用中的風井、2處人流密集的人行出入口，施工階段既不能影響地鐵的正常運營，同時又要確保地鐵乘客出入的安全。

2）施工場地面積狹小，塔樓懸挑鋼結構位于地鐵車站投影線正上方，已經與已有的地鐵風井重合，懸挑部位鋼結構吊裝沒有足夠場地停放汽車吊。

3）1層勁性鋼柱為Y形柱，高度達10.05 m，鋼柱定位、臨時固定要求高，支模難度大；鋼梁截面最大為H1 800 mm×800 mm×60 mm×60 mm，鋼結構鋼梁單件最大質量初步計算為32 t，遠超出現場塔吊的吊裝能力。

3 項目BIM應用特點

與CAD相比，BIM更加立體、直觀，并且綜合性更強，包含的信息更全面。其在整個周期包括設計、施工、維護、運營等各個環節都能夠廣泛應用，具有高度的共享性和傳遞性。并且能使不同類型的工作組別可聯合對建筑信息進行及時管理，把設計單位、建設單位、施工單位等各方聯系成有機整體，開展有效的合作，指導施工，提高了工作效率，節約了成本。

4 懸挑鋼結構BIM建模

該項目懸挑鋼結構采用Autodesk Revit Structure軟件結合整體結構建模，BIM模型應用主要包括結構構件以及整體結構2個層次的相關附屬信息，例如：結構建模和計算、規范校核、三維可視化輔助設計、工程造價信息、施工圖（加工圖）文檔、其他有關信息明細表等[1]。

在結構構件層次信息中，BIM模型存儲了構件的材料、截面、方位和幾何信息等，可即時進行顯示和查詢。軟件系統在節點設計時可自動判斷結構構件的非圖形數據，包括梁柱的定義、空間方位、截面尺寸等，通過程序實現自動識別梁柱等構件連接類型并配上對應的節點，達到三維實體信息核心的參數化和智能化。

在整體結構層次信息中，完整的三維實體信息模型提供基于虛擬現實的可視化信息，對高層鋼結構的施工提供指導，對施工中可能遇到的構件碰撞進行預測及檢測（圖2）。

圖2 BIM結構模型示意

5 BIM模型的鋼結構深化設計

BIM模型的鋼結構深化設計的本質就是利用軟件進行預拼裝，實現“所見即所得”的過程。BIM模型采用參數化的三維實體信息描述結構單元，以梁柱等結構構件為基本對象，取代了CAD圖紙中的點、線、面等幾何元素。BIM結構模型中復雜的結構節點具有真實構件的屬性和特性，因此能夠保持構件在真實世界的相互關系。

懸挑鋼結構共計4層，底層為Y形柱支撐，2～4層為結構層，懸挑鋼結構區域總構件數144個，總體積43.22 m3，總質量約339 t。最長懸挑鋼梁跨度17.8 m，質量32 t（圖3）。

該項目BIM模型的鋼結構深化設計除了考慮工廠的焊接和裝配工藝外，還須兼顧工地現場安裝過程中的情況，例如：安裝順序、安裝空間的預留、構件設計質量和重心位置、吊耳和手孔、鋼筋穿孔和連接等，均可通過BIM模型實現實體表現（圖4）。

圖3 懸挑鋼結構區域示意

圖4 勁性梁柱節點深化設計模型

6 鋼結構BIM碰撞檢測

6.1 碰撞檢測分類

該項目鋼結構部分的BIM碰撞檢測通過利用Revit軟件建立BIM模型，經由過程碰撞檢測體系，整合BIM的建筑、結構、機電等各專業模型，查找出模型中的碰撞點，包括結構與結構間的碰撞、結構與建筑間的碰撞、結構與機電設備間的碰撞等，形成碰撞檢測報告。

針對碰撞點進行分析并排除合理碰撞后，協調主要的建筑構件和系統管線，修改圖紙并完善模型，指導現場施工，通過提早發現沖突、解決問題，提高效率、減少浪費。

軟件所提供的檢測分為硬碰撞與軟碰撞（間隙碰撞）2種，硬碰撞是指實體與實體之間的交叉碰撞，用于檢查2個幾何圖形間的實際交叉碰撞；軟碰撞（間隙碰撞）是指實體間實際并沒有碰撞，但間距和空間無法滿足相關施工要求，用于檢查幾何圖形之間的特定距離。

6.2 碰撞檢測主要內容

6.2.1 結構碰撞檢測

該項目的主樓結構比較復雜，從內到外分別有混凝土核心筒、鋼結構樓層、內幕墻結構、外幕墻支撐和外幕墻。這些結構涉及多家安裝、加工企業，各項專業的深化設計工作也需要相互穿插進行。

結構碰撞檢測內容分為5項：混凝土核心筒與主樓鋼結構、主樓鋼結構與內幕墻、主樓鋼結構與外幕墻支撐、內幕墻與外幕墻支撐、外幕墻支撐與外幕墻。

碰撞檢查后主要存在3種碰撞原因：建模不精確、結構細節處理不合適、加工廠為了保證現場安裝的準確性而特意加長構件[2]。

施工圖設計階段幕墻顧問單位介入后，通過Rhino、CATIA、Dyanmo軟件繼續深化建筑外表皮模型，再與建筑專業、結構專業的BIM模型整合，檢查碰撞問題。各專業模型整合在Navisworks軟件中，用該軟件的碰撞檢查功能進行幕墻與其他專業的沖突檢查，并反饋到原始模型中優化調整。優化過程中將Rhino模型導出為sat格式并導入Revit中作為土建模型的修改參照基礎。

6.2.2 管線碰撞檢測

管線碰撞檢測重點包括：留洞核查、管井核查、凈高核查、防火卷簾核查、門高核查、風井吊板、雙層板核查、空調機位吊板、水管、風管、電纜橋架等。在Revit軟件中，碰撞可以有選擇地進行，如只檢查風管與結構的碰撞、風管之間的相互碰撞，或污水管與風管的碰撞等。NavisWorks軟件則在制作管線碰撞過程中可以為所有項目相關人員提供整體項目直觀的視圖，以促進設計決策、施工圖紙管理、施工情況預測與規劃，以及今后對設施的管理與運營。Revit軟件提供的碰撞檢查功能相對單一，主要檢查結構、管道之間的硬碰撞；軟碰撞條件更復雜，則導入到Navisworks軟件中進行。

經過碰撞檢測形成的43街坊項目沖突分析報告中，發現的主要沖突問題包括：套管未開洞、開洞有誤，墻梁板開洞錯誤或未開洞，相互碰撞或硬沖突，空間不足，圖紙錯漏等五大類。沖突分析報告發現問題共計108處，其中套管未開洞、開洞有誤18處，墻梁板開洞錯誤或未開洞13處，相互碰撞或硬沖突25處，空間不足11處，圖紙錯漏41處。

6.3 鋼結構BIM碰撞檢測實施流程

鋼結構BIM碰撞檢測從開始到實施可分為4個階段：

1）根據招標圖紙進行專業深化設計，在建筑、結構、機電模型基礎上，專業圖紙審批通過后進行各專業設備管線的建模，通過建模過程梳理各分系統內部的碰撞及錯漏問題，并提交設計方進行圖紙及模型修改。然后將各專業模型整合，結合空間要求及設計原則進行初步的管線排布。

2）基于第一階段模型進行BIM軟件系統自動碰撞檢查并輸出結果，撰寫并提供碰撞檢查報告，定義問題信息。設計方根據報告核對并回復意見，修改施工圖紙。

3）召開項目的設計例會、設計交底會、施工例會等會議時，以模型作參照、以視頻作交流，改“看圖說話”為“看模型說話”。與深化單位定制繪圖標準，實現最短時間達到“圖、模合一”，并保證與施工實際情況一致。設計例會各方共同檢查，模型再次驗證，進行修改優化；重復以上工作，直到無碰撞為止。

4）項目部對勞務分包單位進行BIM的可視化交底，重點復雜部位詳細解說安裝細節，體現為各專業平面、剖面交底等。安裝后由施工員進行現場參數復核，確保安裝數據與交底圖紙一致。

7 鋼結構BIM施工模擬

7.1 施工方案優化

BIM施工現場模擬是把BIM模型結合預定的施工方案和施工計劃進度，在Navisworks軟件中進行4D仿真模擬，借此分析可能存在的問題和矛盾。

針對該工程的起吊質量大、施工場地小、保護要求高的施工難點，經BIM施工模擬優化，整體施工方案調整為：地下部分鋼結構構件吊裝，使用汽車吊在棧橋上進行吊裝；剪力墻內鋼結構柱吊裝采用塔吊吊裝；地上部分鋼結構主要采取汽車吊進行吊裝；部分無法使用汽車吊進行吊裝的構件，則考慮使用鋼桅桿加卷揚機再加吊裝滑輪組進行。

其中，主要支撐構件Y形柱支模的施工工序為：未碰到地鐵風井時，Y形柱支模搭設排架→碰到地鐵風井時，Y形柱支模必須先對斜柱進行封模，槽鋼一側焊接在立柱的預埋鋼板上，另一側連接于斜柱兩側并加固。

施工過程中，在地鐵出入口正上方搭設硬隔離平臺，保證下方地鐵正常運營，防止焊接時火花濺射傷害過路行人。

7.2 BIM施工現場模擬

BIM施工現場模擬主要包括3項內容，即施工過程模擬、大型機械運行空間分析、施工虛擬預演和進度分析。具體步驟如下：

1）對現場布置進行模擬，針對地下結構、室外管線分別進行合理布置，更能直觀地表達現場情況，充分利用場地空間，規劃設備車輛進出通道。

2）對地下、地上結構進行施工模擬，合理地安排鋼結構施工流水，模擬吊車停放位置，考慮起吊質量、旋轉半徑等措施。

3）利用BIM技術模擬施工順序，并做好保護，滿足后續機電、幕墻吊裝施工條件。

施工現場模擬中包括鋼結構、重型機械、臨時支撐結構、臨時辦公樓、工地、圍墻、大門、地鐵風井、地鐵站人行出入口等，與現場實際情況保持一致。

8 結語

在市中心區域正在運行中的地鐵站上蓋進行大型懸挑鋼結構施工，對項目參與各方來說都是一項挑戰。該項目在設計和施工過程中全方位實施BIM技術，利用BIM三維建模及進行鋼結構深化設計[3-7]，整合各專業的信息數據，極大地提高復核與協調的效率和質量。并在建模及深化設計時注重碰撞檢測，快速查找模型中的沖突，解決碰撞問題；根據檢測結果對模型進行優化調整，借由三維可視化功能進行施工現場模擬，直接展現安裝順序、施工方案以及完成后的最終效果，并組織各方付諸實施，從而滿足設計施工規范、體現設計意圖，并能夠保證地鐵的正常運行。