BIM技術在鋼結構超高層空中連廊的應用

夏呈馳 于兆波 李文虎 劉兆旭

【摘要】利用BIM技術，通過現有設計圖紙建立了項目鋼結構BIM模型。在建立BIM模型過程中，收集、整理圖紙問題提交設計院，輔助圖紙會審的進行。通過對BIM技術的應用，對鋼結構節點進行深化設計，拆分鋼結構構件、深化梁柱節點;編制合理的專項施工方案;對連廊提升進行安全驗算。達到節省工期、節約施工成本以及保障施工安全的目的。

【關鍵詞】BIM技術;鋼結構;空中連廊;工程應用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.28.071

1、引言

鋼結構空中連廊是工程項目的一個重難點，解決其施工難、體量大、提升高度大是項目部長久以來圍繞的話題。以國家（威海）創新中心項目為例，鋼結構空中連廊施工廣受社會關注，空中連廊的提升不容有失，通過公司層面的幫助，最終決定采用BIM技術來解決現場施工難題。BIM技術在工程項目已廣泛應用[1]，同時在公司內部也已推廣開來，通過Revit建立建筑結構模型與Tekla鋼結構模型進行整合，深化整合節點、模擬連廊拼裝提升，確保空中連廊能夠安全、穩定的提升至指定位置[2]。

2、工程概況

國家（威海）創新中心工程總建筑面積273721.58㎡，其中地下建筑面積55428.37㎡，地上建筑面積217473.41㎡，建筑用地面積79688㎡。鋼結構主要分布在2#樓，2#樓結構形式為型鋼混凝土框架+核心筒結構，地下1層，地上裙樓4層，A、B塔樓32層，建筑總高：148.5m。鋼結構連廊跨度60.9m，自身高度12.6m共3層，總重量約為1800t，提升高度至115.45m，由2榀縱向主桁架和其間次梁結構組成。鋼結構構件類型主要有十字型勁性鋼柱，H型勁性鋼柱，箱型鋼梁，連廊異形節點等。

3、BIM技術應用

3.1 模型建立

利用BIM技術，對項目建設內容，根據建筑施工圖，結構施工圖進行可視化模型設計，讓項目各參與方對建設項目設計階段細節了如指掌，結合建設單位，設計單位，監理單位的意見和想法，建立鋼結構模型，完善模型中構件截面，并對軸線以及標高進行復核。讓各參與方進一步加深對鋼結構設計和施工過程中的理解。圖1為鋼結構模型。

3.2 深化設計

利用Tekla軟件建立BIM模型，確定分段位置，對每根構件及節點進行深化設計，確認構件截面，對節點進行細化處理，明確節點連接處詳細構造，初步確定工程量。在現場施工有難度時，及時開會討論出優化方案，修改鋼結構深化出圖，給設計院報審。提前解決現場施工問題，保證進度。項目目前已開展多次專項討論會，效果明顯。

如圖6原設計節點模型重達35.4噸，構件體量大，運輸及吊裝困難，經深化拆分后分解為4個節點模型如圖7，大大減少施工難度，也解決了構件加工難題，降低了材料浪費，提高了現場安裝速度。

綜合考慮構件工廠預制化[3]、運輸、安裝等多個環節，對構件進行分段分節，根據細化后的模型，選擇構件如圖8，用BIM技術生成圖紙（構件圖、零件圖以及布置圖等）如圖9。最后調整圖紙，即可指導現場施工和工廠構件加工，通過提前出圖、提前利用數控機器進行精確加工保證鋼結構構件不間斷進場，節省工期。

3.3 鋼結構空中連廊安全性驗算

利用Midas gen2020安全計算軟件對鋼構模型及連廊提升過程進行應力應變分析計算，對受力不利位置，確定增加結構強度的方案，檢測完成后與設計溝通確認參數，對模型進行優化。

鋼連廊在其正下方投影向北偏700mm的地方放置，考慮鋼連廊起提時的應力及變形及鋼連廊自身發生的單擺運動。通過施工模擬可以有針對性的制定連廊提升安全方案，制定安全措施[4]。圖10為連廊起提應力云圖，圖11為塔樓變形云圖。

利用Midas gen2020軟件對連廊安裝后拼裝胎架對裙房頂的應力驗算，裙房懸臂梁受力情況分析如圖12。對懸臂梁回頂胎架進行施工驗算，了解其變形及應力變化，優化回頂方案如圖13。

3.4 鋼結構空中連廊施工模擬

國家（威海）創新中心項目在2#樓AB兩棟塔樓26到29層之間設置鋼結構連廊，連廊由兩榀縱向主桁架和其間次梁結構組成。連廊長60.9m，高12.6m，總重量1800t，提升高度至115.450m。連廊提升采用超大型構件液壓同步提升技術施工，利用3D MAX軟件對連廊提升進行施工模擬如圖14。

連廊提升施工工藝流程：

第一步，采用BIM技術，Tekla軟件對鋼結構連廊進行深化設計，建立三維模型，生成構件加工圖;對塔樓內超重節點進行深度優化，合理劃分成若干個節點，以滿足現場吊裝施工條件，分析復雜節點，輔助方案編制與交底，指導現場施工;

第二步，主體結構施工至連廊層時，連廊的預裝節點和鋼柱同步安裝。施工至提升位置時，安裝上吊點提升支架，提升支架由提升梁、斜拉桿、斜撐、上吊點牛腿、側向支撐桿及加固桿等組成，總共設置四個提升點;

第三步，連廊構件加工前實測實量塔樓預裝節點相對坐標，并根據實測數據調整Tekla三維模型;

第四步，現場拼裝放線，將鋼連廊安裝位置投影在裙房頂板上，在向北側偏移70公分的位置放線并且把柱和頂板梁的位置畫出，在柱的位置放置墊片，根據放線及頂板梁架設拼裝胎架;拼裝鋼連廊，在拼裝胎架上按照由西向東，由北向南，由下至上的順序將鋼連廊中的節點和組合梁焊接連接成整體;

第五步，安裝提升裝置和下吊點臨時吊具，每個提升點配置兩臺TLJ-4500型液壓提升器，共八臺。下吊點安裝在連廊兩榀桁架的上方，在提升上下吊點之間安裝專用底錨、鋼絞線和傳感器;

第六步，試提升，液壓提升裝置逐級加載至100%，連廊向南緩慢滑動70公分并離開拼裝胎架，穩定后繼續提升200mm，靜置12小時，全面檢查提升裝置，檢測提升過程中應力應變的變化;

第七步，正式提升，繼續提升至連廊上弦桿上表面距離預裝牛腿下表面約200mm，暫停提升，各提升吊點通過計算機系統的“微調、點動”功能，使各提升吊點均達到設計位置，滿足對接要求;

第八步，鋼結構連廊與主體結構預裝段焊接連接，形成整體，安裝連接桿，安裝后裝段增加穩定性;卸載，液壓提升器各吊點卸載，使鋼結構自重轉移至主結構上，拆除液壓提升設備。

結語：

綜上所述，BIM技術在鋼結構的應用所取得的效果是顯著的，BIM技術通過對鋼結構施工對成本、工期、安全、質量四個方面全方位精細化管理。BIM技術的應用比傳統方法大大減少了施工難度，同時提高現場施工的工作效率，為項目節省工期。隨著BIM技術廣泛推廣，BIM技術愈加成熟，對于超高層鋼結構、空中連廊等結構復雜的鋼結構工程項目帶來便利。BIM技術應用范圍將越加廣泛，也將為施工企業帶來更多的經濟效益及社會效益，BIM（Building Information Modeling）終將走向每一個施工項目。

參考文獻：

[1]趙亮.探究BIM技術在鋼結構工程中的應用[J].智能建筑與智慧城市，2018（01）：61-63.

[2]吳威濱.BIM技術在大跨度鋼結構中的應用研究[J].中國設備工程，2019（20）：189-190.

[3]劉李，汪廷秀，孫飛.BIM技術在預制構件生產管理領域的應用[J].建材世界，2019，40（01）：87-91.

[4]李凱，黃振邦，于培德.BIM技術在鋼結構施工方案優選中的應用[J].鋼結構，2015，11： 88-93+82.

作者簡介：

夏呈馳（1996.01.18-），性別：男，籍貫：江西宜春，民族：漢族，職稱：助理工程師，學歷：本科，研究方向：建筑工程、BIM技術應用。

于兆波（1986.03.29-），性別：男，籍貫：山東威海，民族：漢族，職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：建筑工程。

李文虎（1986.09.23-），性別：男，籍貫：江蘇徐州，民族：漢族，職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：建筑工程。

劉兆旭（1995.11.20-），性別：男，籍貫：山東淮坊，民族：漢族，職稱：助理工程師，學歷：本科，研究方向：建筑工程、BIM技術應用。