BIM在鋼結(jié)構(gòu)安裝施工中的應(yīng)用

高超，陳翔，丁飛

（1.中國(guó)建筑股份有限公司，北京 100176；2.中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100176；3.中建-大成建筑有限責(zé)任公司，北京 100176）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)是當(dāng)前我國(guó)建筑領(lǐng)域應(yīng)用較廣的一種結(jié)構(gòu)形式，其在應(yīng)用過(guò)程中主要是利用鋼材制作構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝，在進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)拼裝階段之后，工作人員可以采用特定的連接方式對(duì)其構(gòu)件之間進(jìn)行連接。從整體來(lái)看，其有較多的優(yōu)勢(shì)，例如，有著良好的抗震性能以及力學(xué)性能等，與此同時(shí)，其還能夠在原有的基礎(chǔ)上加快施工進(jìn)程，外形也能展現(xiàn)出一定的美觀性，鋼結(jié)構(gòu)還能夠?qū)崿F(xiàn)回收，這便提升了材料的利用率。因此，當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件廣泛應(yīng)用到大型廠房以及高層建筑等領(lǐng)域，并取得了諸多成果[1]。

結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際情況來(lái)看，我國(guó)針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工已經(jīng)建立起了相對(duì)較為完善的標(biāo)準(zhǔn)和要求，并在實(shí)踐過(guò)程中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)積極提升設(shè)計(jì)和施工的相關(guān)技術(shù)，推動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。但現(xiàn)如今在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝的過(guò)程中依然面臨著諸多不利因素，例如，若是設(shè)計(jì)方案存在偏差便會(huì)在一定程度上增加鋼材的使用量，并加大成本，與此同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用到施工中之后難以起到參考作用，無(wú)法真正提升生產(chǎn)和管理效率，所以有必要亟待積極引入BIM技術(shù)，為鋼結(jié)構(gòu)安裝施工提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

2 BIM在鋼結(jié)構(gòu)安裝施工中的實(shí)踐應(yīng)用

2.1 案例分析

2.1.1 工程概況

本鋼結(jié)構(gòu)天幕工程的上部和下部分別是空間桁架、平面桁架和鋼管柱支撐，天幕整體的構(gòu)成包括H形側(cè)向支撐、鋼管柱、平面桁架以及空間桁架等，總共由17個(gè)折面所組成，總長(zhǎng)度為512 m，其最高和最低處同地面之間的距離分別是49.1 m和27 m，該鋼結(jié)構(gòu)天幕工程主要?jiǎng)澐殖赡稀⒈眱蓚€(gè)分區(qū)，工程整體所使用的鋼材總量在2 300 t左右。其中鋼結(jié)構(gòu)南區(qū)天幕的構(gòu)成為8個(gè)折面，其長(zhǎng)度為207 m，其天幕最高的位置同地面之間有著44 m的距離，桁架的最大跨度為51.8 m。本工程南區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的安裝使用的為履帶吊和塔吊相結(jié)合的形式，二者按照從北向南的方式實(shí)施吊裝，并通過(guò)汽車吊和現(xiàn)場(chǎng)塔吊的手段開展現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作。

2.1.2 工程重難點(diǎn)

1）吊裝困難

工程施工階段在吊裝環(huán)節(jié)面臨一定的難度，天幕鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中處在中間的部位，管桁架最大的跨度為52 m，與此同時(shí)其還有著較高的高度，構(gòu)件本身有著極大的質(zhì)量，并且數(shù)量較多。在施工階段，其北區(qū)的結(jié)構(gòu)基本上已經(jīng)完成封頂，所以能夠?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)安裝提供必要的條件。鋼結(jié)構(gòu)所處位置在建筑工程整體的中間部位，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)于其下部分混凝土連廊的施工，但受到塔吊長(zhǎng)度限制，難以在相應(yīng)的部位實(shí)現(xiàn)順利進(jìn)出。

2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜

本文所闡述的天幕鋼結(jié)構(gòu)工程本身是一個(gè)折板式空間結(jié)構(gòu)體系，主要是由規(guī)格各不相同的鋼管相互拼裝而形成的，每一個(gè)構(gòu)件無(wú)論是在形態(tài)、尺寸還是在連接方法方面都呈現(xiàn)出了一定的差異性，不利于高效加工和組裝。

3）較高的精度要求

該項(xiàng)目在實(shí)際進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)安裝施工階段不可避免地會(huì)用到大尺寸桁架，而該類桁架的安裝工作在精度方面有著相對(duì)較高的要求，所以工作人員應(yīng)當(dāng)在實(shí)際安裝的過(guò)程中嚴(yán)格把控好相關(guān)工藝數(shù)據(jù)，規(guī)范制作行為，最大限度地減少誤差的產(chǎn)生，這樣便可以盡量提升構(gòu)件安裝的準(zhǔn)確性和有效性。鋼管桁架所使用的是全位置焊接形式，這使得其在施工階段存在著一定的困難，整體有著相對(duì)較大的工作量，工作人員需結(jié)合實(shí)際情況掌握好變形以及焊接應(yīng)力，特別是要加強(qiáng)對(duì)于鋼板對(duì)接焊縫的重視。

該工程所開展鋼結(jié)構(gòu)工程采用的是規(guī)格不一的鋼管，所以構(gòu)件安裝在精度的把控方面存在困難，是需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

2.2 空間定位測(cè)量

安裝施工對(duì)于精確度和協(xié)調(diào)性有著較高的要求，傳統(tǒng)的安裝方式大多依靠工作人員自身經(jīng)驗(yàn)，而BIM技術(shù)則能夠幫助工作人員更加科學(xué)地對(duì)各個(gè)步驟和要點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，切實(shí)保障計(jì)算結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確性，進(jìn)而為后續(xù)安裝施工的開展提供數(shù)據(jù)參考。合理使用BIM技術(shù)可以工程參建方提供更多的便利條件，以往大多是利用經(jīng)緯儀和全站儀等設(shè)備展開二維平面圖紙放樣工作，而在BIM技術(shù)的支持下則能夠在BIM放樣機(jī)器人的移動(dòng)終端中實(shí)現(xiàn)對(duì)于BIM模型的導(dǎo)入，并設(shè)置放樣原點(diǎn)，放樣機(jī)器人可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪、放樣，并對(duì)安裝工作進(jìn)行指導(dǎo)，相對(duì)于固有的放樣儀器和方式來(lái)說(shuō)，BIM放樣機(jī)器人的應(yīng)用能夠在極大程度上減少誤差的出現(xiàn)，并減少工作量，同時(shí)達(dá)到縮短工期的效果。

該鋼結(jié)構(gòu)工程本質(zhì)上是一種異形結(jié)構(gòu)，其在安裝的過(guò)程中，涉及多種構(gòu)件的應(yīng)用，而BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠通過(guò)建立三維模型更加精確地實(shí)現(xiàn)空間定位測(cè)量。所以在實(shí)際開展測(cè)控工作的過(guò)程中需要嚴(yán)格遵循相應(yīng)的原則，加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)部位的合理把控，并嚴(yán)格按照先整體后局部的順序進(jìn)行實(shí)施，工作人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)有條件完成高程控制網(wǎng)以及平面控制網(wǎng)的建立，并確保其具有較高的精度[2]

工作人員需要對(duì)下部土建結(jié)構(gòu)控制網(wǎng)展開科學(xué)合理的復(fù)核工作，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用BIM技術(shù)構(gòu)建起平面以及高程控制網(wǎng)。上述控制網(wǎng)的建立應(yīng)當(dāng)能夠同土建結(jié)構(gòu)控制網(wǎng)之間形成各自獨(dú)立又相互統(tǒng)一的關(guān)系。在高程控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行高程測(cè)量，同時(shí)還要在BIM模型上對(duì)具體的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行標(biāo)記，以便后續(xù)使用全站儀就近引測(cè)，工作人員需通過(guò)懸吊鋼尺法以及直接量尺法的應(yīng)用針對(duì)標(biāo)高控制展開豎向引測(cè)工作。

此工程天幕鋼結(jié)構(gòu)有著相對(duì)復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，各個(gè)桿件在尺寸上各不相同，難以支撐起高空安裝，不利于更加精確地對(duì)傾斜角度和定位進(jìn)行計(jì)算，與此同時(shí)，在空間桁架上并沒有將鋼柱以及上弦桿充分連接起來(lái)，制約了空間測(cè)量放樣工作的高質(zhì)量開展。基于此，工作人員需要將全站儀和三維模型有機(jī)結(jié)合起來(lái)，提高空間定位測(cè)量精確性。空間定位測(cè)量如圖1所示。

圖1 空間定位測(cè)量

工作人員可以利用BIM技術(shù)建立三維實(shí)體模型，對(duì)施工過(guò)程中的精確高程以及坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行明確，通過(guò)對(duì)高精度全站儀的應(yīng)用能夠在極大程度上提升測(cè)量工作的準(zhǔn)確性，同時(shí)還能為高空安裝工作提供方便，盡可能縮短后續(xù)在調(diào)整和返工方面所花費(fèi)的時(shí)間，此舉有助于縮短安裝工期，以達(dá)到減少材料和人工成本的效果。在桁架標(biāo)高方面，工作人員需要在三維模型的基礎(chǔ)上對(duì)該點(diǎn)的具體標(biāo)高值進(jìn)行合理測(cè)量，同時(shí)依據(jù)桁架自身的分段情況落實(shí)標(biāo)記，按照順序使用高精度水準(zhǔn)儀進(jìn)行引測(cè)，直至相應(yīng)的固定點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記之后方便后續(xù)參考。對(duì)下弦控制節(jié)點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)位的具體標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)比較設(shè)計(jì)標(biāo)高明確二者之間的高差值，對(duì)其進(jìn)行合理控制，確保其能夠維持在±5 mm范圍之內(nèi)。

2.3 安裝施工

2.3.1 桁架組成

桁架組成如圖2所示，鋼結(jié)構(gòu)在施工階段所設(shè)置的拼裝場(chǎng)地總共是7個(gè)，其長(zhǎng)度和寬度分別是30 m和5 m。針對(duì)小部分長(zhǎng)桁架而言，在對(duì)其進(jìn)行拼裝工作時(shí)，工作人員可以綜合考慮各方面影響因素基于BIM模型對(duì)現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)拼裝場(chǎng)地展開適當(dāng)?shù)耐卣梗囱b場(chǎng)地尺寸如圖3所示。

圖2 桁架組成圖

圖3 拼裝場(chǎng)地尺寸

鋼結(jié)構(gòu)拼裝場(chǎng)地基本上處在地下室的頂板之上，所以有必要在適當(dāng)位置采取相應(yīng)的加固措施。

2.3.2 拼裝過(guò)程

本工程規(guī)模相對(duì)較大，所以對(duì)于天幕鋼桁架桿件的數(shù)量有著較多的要求，在施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)小型汽車吊機(jī)的使用實(shí)現(xiàn)對(duì)其的拼裝。為了能夠切實(shí)保障其拼裝的實(shí)際成效，在正式進(jìn)入拼裝環(huán)節(jié)之前，工作人員需要利用BIM技術(shù)進(jìn)行動(dòng)畫仿真模擬，以全方位梳理鋼桁架桿件，充分結(jié)合各種數(shù)據(jù)信息制訂拼裝計(jì)劃，強(qiáng)化對(duì)于各個(gè)環(huán)節(jié)的合理把控。對(duì)于BIM技術(shù)來(lái)說(shuō)，動(dòng)畫仿真模擬是其比較主要的功能之一，靈活應(yīng)用這一技術(shù)能夠幫助人員對(duì)構(gòu)件拼裝施工的全過(guò)程進(jìn)行模擬，工作人員早在進(jìn)行施工準(zhǔn)備時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行4D動(dòng)畫模擬，將三維模型和項(xiàng)目進(jìn)度時(shí)間有效結(jié)合起來(lái)，立足于施工組織設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際施工進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上制訂更加科學(xué)可行的拼裝方案。除此以外，技術(shù)人員還需要將預(yù)算和成本等信息融入其中建立5D模型，以高效落實(shí)成本控制。在運(yùn)營(yíng)期間也可以利用動(dòng)畫仿真對(duì)緊急情況進(jìn)行模擬，分析各種處理方式的應(yīng)用成效，進(jìn)而確定最佳應(yīng)急處理方案。在吊裝工作的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)使用相關(guān)儀器展開對(duì)其的測(cè)量工作，這樣便能夠?yàn)闂U件拼裝合理性以及精確度的提升創(chuàng)造良好的條件。在開展空間桁架拼裝工作的過(guò)程中，工作人員需要先確保拼裝胎架搭設(shè)的合理性，同時(shí)保障下弦桿準(zhǔn)備就緒，并完成兩根上弦桿的準(zhǔn)備工作，接下來(lái)便可以對(duì)腹桿以及橫向腹桿進(jìn)行安裝，按照相應(yīng)的順序拼裝空間桁架。

2.3.3 吊裝方案確定

在正式開展天幕鋼結(jié)構(gòu)施工之前，工作人員需要綜合施工現(xiàn)場(chǎng)以及施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的各方面情況對(duì)施工方案進(jìn)行初步確定。與此同時(shí)，還需全面詳細(xì)分析機(jī)械設(shè)備吊運(yùn)的能力，通過(guò)對(duì)于3D MAX軟件的應(yīng)用，在明確障礙物以及現(xiàn)場(chǎng)施工情況的基礎(chǔ)上開展三維建模工作。

工作人員可以在分析三維模型的過(guò)程中更加科學(xué)有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)于起重吊裝方案的分析和驗(yàn)證工作，這樣便能夠保障起重設(shè)備在各種情況下都能夠發(fā)揮出其應(yīng)有的吊裝能力，并且還要盡可能減少在運(yùn)行過(guò)程中所面臨的同建筑物等相互碰撞的現(xiàn)象，進(jìn)而更加科學(xué)合理地對(duì)最優(yōu)吊裝方案進(jìn)行確定[3]。吊裝所使用的履帶吊性能如表1所示。

表1 履帶吊性能表

工程中圓管鋼柱以及空間桁架與塔吊的位置相距較遠(yuǎn)，所以工程人員選用履帶吊對(duì)二者進(jìn)行吊裝，而塔吊則吊裝其余的部分。在正式進(jìn)入吊裝環(huán)節(jié)之后，工作人員需要先采用分段的形式對(duì)圓管鋼柱實(shí)施吊裝，接下來(lái)再進(jìn)行鋼柱間空間桁架的吊裝工作，然后便可以對(duì)臨時(shí)支撐進(jìn)行搭設(shè)，并進(jìn)行平面桁架的吊裝，最終便要按照相關(guān)要求進(jìn)行側(cè)向外撐以及外懸挑桿件的安裝工作。天幕鋼結(jié)構(gòu)工程施工安裝的三維仿真模擬如圖4所示。

圖4 三維仿真模擬圖

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，靈活使用BIM技術(shù)能夠從各個(gè)環(huán)節(jié)著手提升鋼結(jié)構(gòu)安裝施工的合理性和有效性，對(duì)于建筑工程的高質(zhì)量建成有著積極的促進(jìn)作用。因此，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)在明確工程建設(shè)實(shí)際要求的基礎(chǔ)上強(qiáng)化引入BIM技術(shù)，這樣便能夠從技術(shù)層面著手為安裝施工的高效進(jìn)行提供必要的支持，進(jìn)而推動(dòng)工程整體綜合效益的進(jìn)一步提升。