基于BIM模型的大跨鋼結構屋蓋設計與施工技術

徐大為 金少惷 楊子明 潘 峰 蔡大偉

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

相對于其他建材，鋼結構具有強度高、質量輕、整體性能好等顯著的優點，故被大量應用于大跨度、超高層項目中[1-5]。由于大體量的原因，鋼結構在設計、施工、運營等方面也面臨著越來越多的難題，這時引入BIM技術就可以很好地解決這些問題。

BIM技術在鋼結構工程中的應用可以分為4個階段：規劃階段、設計階段、施工階段和運維階段[6-9]。本文結合工程實例，闡述BIM技術在鋼結構工程設計、施工階段的運用方法。

1 工程概況

聯合國全球地理信息管理德清論壇會址項目，位于浙江省德清縣武康鎮地理信息小鎮中心，是集科技展覽、會議等于一體的現代化、多功能、綜合性的國際化會議中心，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構，屋蓋為曲面鋼結構網殼，表面為玻璃和不銹鋼幕墻（圖1）。

圖1 整體項目鳥瞰效果圖

屋蓋最大跨度達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，單件最大質量為22 t。鋼結構總量為2 300 t，材質為Q235B與Q345B鋼材。

2 鋼結構設計的BIM應用

2.1 三維建模

本項目的殼型屋面鋼結構呈鵝蛋形外殼，拱架由緩和曲線鋼架與藝術飄帶組成，鋼結構形式有圓管柱、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，連接形式較為復雜。

該工程就其鋼結構采用BIM的Xsteel軟件進行三維建模（圖2）。

圖2 鋼結構三維模型示意

2.2 三維放樣

鋼結構深化設計的核心是節點放樣，需結合制作加工工藝、運輸堆放條件、安裝方案等因素進行考慮。放樣前，需確定鋼結構網架的施工方法。高空拼裝法、整體安裝法、高空滑移法是常用的3種鋼結構網架施工方法。根據設計圖紙以及工程所在地，本工程鋼結構以散件運輸到施工現場，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行施工。

放樣時，屋面鋼結構連接接頭（圖3）因構件角度、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引起高度重視。

本工程在Xsteel軟件中，通過嚴格控制各構件控制點在三維視圖中的正確設置，得到了放樣之后的詳細節點（圖4）。

圖3 屋面鋼結構連接接頭

圖4 屋面鋼結構連接三維模型

2.3 節點深化

Xsteel軟件可在詳細節點的基礎上得到切割完成的三維模型（圖5），進而得到鋼結構節點深化圖紙。有了具體構件的信息，將之導入相貫線切割機就可直接進行切割下料，省略了傳統制圖的相貫線出圖環節。

圖5 鋼桁架構件三維模型及相貫面示意

3 設計與施工協同工作

3.1 鋼結構設計與施工的碰撞

在以往工程中，設計與施工單位往往不能協同工作，造成鋼結構設計與施工時經常出現構配件碰撞問題。設計碰撞又稱為幾何碰撞，在二維模型中往往是因為不可視化而產生錯誤判斷所造成的。施工碰撞往往體現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行設計碰撞。利用BIM對鋼結構模型進行虛擬建造，解決施工碰撞問題。

3.2 施工過程BIM模擬

以東區屋面拱架安裝為例，將東區鋼屋蓋分為8段，通過BIM模型模擬施工流程。

東區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 鋼結構施工的BIM應用

4.1 吊裝、拼接的誤差控制

鋼屋架由不同規格管材會交的網殼節點組成空間體系。拼裝過程中空間各點的定位測量以及焊接過程中的收 縮，都可能給最終的設計幾何形狀帶來超規范的偏差。此外，大跨度主梁需考慮施工起拱度，要保證整個鋼屋架的標高在施工臨時支架卸載后符合設計要求。

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建模時考慮合理的增量值，現場組焊時既要保證合理的接口縫隙，又要保證節點距離符合相關要求，將構件的彎曲矢高、跨中垂直度和屋面鋼梁撓曲控制在允許偏差范圍內。

對于施工現場的吊裝，將本網殼在BIM模型中分成若干條狀單元塊，各單元塊的長度尺寸和吊點設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。為保證構件的吊裝定位，需考慮相應的焊接收縮量和時段環境溫差的影響，總拼時應選擇合理的焊接工藝順序，以減少焊接變形和應力。

擬吊裝鋼結構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，且部分構件的長度大、吊裝質量大、高空就位高度較高。針對本工程的特點，在施工階段根據施工組織設計通過BIM平臺模擬實際施工，從而得到最優施工方案：吊裝采用位于建筑物外側的3臺塔吊作為主吊裝機械；對于部分質量較大的構件，則采用120 t汽車吊吊裝；對于汽車吊需在地下室頂部作業的部位，對頂部結構進行了結構驗算，對不滿足承載力要求的則反饋到BIM中進行設計變更。

本工程在空間結構拼接時，工程測量控制是重中之重。為保證結構安裝誤差在規范允許的范圍內，鋼結構安裝時需采用全站儀定位空間坐標，激光經緯儀等進行軸線測量，并將測量數據共享于BIM平臺，通過鋼結構BIM模型數據校核虛擬施工數據，保證安裝精度。

4.2 鋼結構施工偏差處理

一般工程的建造環境是復雜多變的，復雜氣候環境對鋼結構焊接的影響較大。如何確保在復雜氣候條件下鋼結構焊接的質量是保證工程順利實施、處理施工誤差的重要環節。

本工程根據當地的氣候條件和環境特點，制定了有針對性的各種環境下（冬季、雨季）的焊接質量控制方案，加強質量控制。定期對施工數據進行收集，形成反饋并輸入BIM平臺，擬合數據信息形成對鋼結構設計及施工的修改。為提高焊接效率，在下部結構焊接時可采用氣體保護焊；在上部結構受風影響較大的情況下，設置了專門的焊接防風棚，以保證焊接質量。

4.3 施工過程的記錄及反饋

在BIM平臺上記錄的工程數據資料有：工程施工進度計劃、材料進場檢驗記錄、鋼結構制作幾何尺寸檢查記錄、鋼網架零部件加工及安裝記錄、單層鋼結構有關安裝構件幾何尺寸測量記錄。該記錄包含設計后、施工前的檢驗記錄，及施工后、設計變更前的反饋記錄。

本工程通過對工程數據及施工要點的研究和控制，使得鋼結構的竣工時間比計劃提前1個月，并榮獲中國鋼結構“金獎”和上海市金屬結構優質工程“金鋼獎”。

5 結語

本工程采用BIM技術建立三維模型，更為直觀地反映出工程鋼結構曲面、曲線鋼構件、復雜連接節點的設計情況，并結合制作加工工藝、運輸堆放條件、安裝方案等因素，對鋼結構連接節點進行放樣，得出具體詳細的節點深化圖。

通過建立可視化三維模型進行設計碰撞分析，并進一步將鋼結構施工過程進行BIM三維模擬，有效指導了現場施工，減少了因設計影響而產生的施工問題。

在BIM平臺中考慮可能影響鋼結構吊裝、拼接、焊接質量的因素，將施工中產生的相關質量問題反饋在平臺上，并給出處理措施。同時，通過BIM平臺控制工程進度，為該工程獲取中國鋼結構“金獎”和上海市金屬結構優質工程“金鋼獎”提供了強有力的支撐。