“新基建”及智慧建造背景下工程施工技術理論應用與發展
——基于復雜鋼結構工程施工

魏鑫，歐德欣，包尊杰

（1.中海宏洋鹽通公司，江蘇 鹽城 224001；2.東南大學土木工程學院，南京 210096）

1 引言

本文選擇對目前國內已經使用和正在研究的相關智能化施工技術在鋼結構施工過程中的應用，包括裝配式、大跨度、空間復雜的鋼結構工程項目，來對智慧建造背景下的工程施工技術理論及方法的應用做簡要總結。針對這些施工技術的應用現狀和發展目標，對今后的研究和應用前景做出相關展望。

2 裝配式鋼結構施工技術

裝配式鋼結構與傳統鋼結構相比具有施工工期短、節約成本、低污染等優點，它是重要的綠色建筑布局形式，國家也在大力推進裝配式鋼結構的發展。與此同時，裝配式鋼結構施工在很多方面與智能建造技術契合，也符合目前的智慧建造趨勢。

鋼結構的組成構件種類主要包括鋼柱、梁鋼、鋼桁架、鋼屋架等，可以廣泛用于體育館、民用設施、工業廠房等裝配式鋼結構中。但是，在現有裝配式鋼結構的全壽命建造過程，從構件生產出廠到現場吊裝的環節，存在信息不對稱現象，如現場的裝配工人由于缺乏專業知識或相關培訓，使得遠程裝配效果大大折扣，容易出現錯裝、漏裝等現象，既不能保證施工質量，又缺乏安全保障。基于上述裝配式鋼結構施工的常見問題，目前國內有學者提出了基于二維碼識別的構件智能裝配輔助系統，即通過與互聯網技術結合的為現場裝配工人提供信息幫助，實現更全面地智能化裝配過程[1]。

3 智能測量和監測傳感技術

在鋼結構施工過程的不同階段中，都需要用到結構測量和監測技術，用于對施工高精度的把控和施工質量、效率的提升。特別是復雜和大跨度鋼結構，在安裝過程中對偏差的敏感性極強，測量精度對質量和安全有重大影響。

3.1 智能測量技術

目前，鋼結構的智能測量技術主要包括地面拼裝、高精度三維測量控制網布設、精準空中智能化快速定位、變形檢測等施工環節。針對這幾種不同的施工測量技術，目前在工程測量專業的儀器設備、數據傳輸處理等方面已經研發出更加智能精確的測量技術。測量儀器從傳統的水準儀、經緯儀等已經發展到三維激光掃描儀、智能全站儀、無人機測量和衛星定位系統等，在數據傳輸方面已經實現基于IoT 技術的無線傳輸技術，測量數據處理系統已經從單一源升級到多源信息相融合的處理模式[2]。

鋼結構的具體測量技術也在逐步向智能高效的方向在發展，主要采用了包括三維激光掃描技術、智能全站儀、近景攝影測量、多源數據整合等關鍵測量技術。以2019 年正式完工的北京大興國際機場航站樓為例，其采用了BIM 全站儀、CORS、三維激光掃描、多源數據融合等測量技術，保障了該特大鋼結構工程在施工安裝時的高精度實時檢測與調整。在整體的安裝測量中，主要解決了通過高精度三維激光掃描技術來檢測復雜構建的外形尺寸等重要指標，進而進行節點的三維快速定位，最終利用該技術得出結構的合龍過程中各分區空間的安裝狀態誤差，實現了鋼網架安裝全過程的可視化效果。

3.2 智能監測傳感技術

監測傳感技術與測量技術之間有相似之處，但該技術主要是對鋼結構在施工安裝過程中的安全和質量狀態進行監測，在復雜鋼結構的施工過程中應用更甚。在該技術領域的研究進展中，李惠等[3]利用了焊接式光纖光柵應變傳感器對國家游泳中心鋼結構的施工及卸載過程進行應力應變的監測；錢嫁茹等[4]使用了BGK4000 型振弦傳感器對北大體育館屋蓋進行了應力及變形等監測。但是這些研究都局限于對結構不利位置的直接監測，在可視化和智能化方面研究不足。基于這些研究結果，本文以紅島國際會展中心登錄大廳鋼結構施工過程中應用到的目前比較先進的智能傳感技術為例，對智能監測傳感技術進行簡要敘述。

該結構包括了屋面管桁架以及外圈箱形懸挑梁2 部分，東西向長168 m、南北寬153 m，屬于典型的大跨度鋼結構。以鋼桁架的監測系統為例，主要分為傳感器設備和數據傳輸采集設備兩大部分。傳感器中，弦式應變計用于測量桿件應力，靜力水準儀測量桁架內部的節點豎向位移；無線監測系統還包括了密封機箱、自動采集箱和無線傳輸模塊等數據處理部分。在對監測桿件進行測點的布置之后，通過卸載過程及方案的分析實施，利用數據傳輸系統輸入最新的有限元分析軟件中進行數據處理，得到不同階段卸載張拉完成的有限元模擬分析結果。通過對比張拉卸載過程中的實測結果可知，計算結果與實測結果十分吻合，也驗證了現有智能控制技術的準確性。此外，該整體的智能監測傳感系統還能夠對結構的安全狀態和質量狀態進行評估，具有應用價值和研究前景。

4 BIM技術在鋼結構施工過程中的應用

新基建的發展也離不開BIM 技術的支持。BIM 通過在工程的設計、建造、管理方面融入數字化方式，為施工過程提供了協同工作的基礎，從而達到提高生產效率、節約建造成本和縮短工期的目標。

4.1 建筑專業BIM應用

在鋼結構的建筑設計、施工領域，可以通過最新的一些BIM 軟件對鋼結構方案設計初期進行模擬，呈現真實環境下的外觀效果，幫助施工過程中進行布局把控。同時，使用Revit、SAP 2000 等軟件的結合，可以搭建出復雜的空間鋼結構網架模型。例如，對建筑結構進行相應的參數化調整，可以通過軟件的自動更新功能實現鋼結構標高值的修改，在施工現場也能實時把控結構與模型的布局對比。

4.2 結構專業BIM應用

鋼結構工程的施工難點很大程度上取決于具體的內部結構復雜度。例如，大型鋼結構網架施工，為了保證中心網格結構計算模型的準確性，可以將Revit 模型單線圖導入SAP 2000中進行整體計算，從而確定中心網格的結構桿件截面尺寸。如在福建省龍巖會議中心B3#樓施工案例中，通過計算分析采用圓形截面桿件從而避免方形桿件各向異性的應力集中現象，同時降低了節點間的焊接難度。除此之外，BIM 軟件在有限元分析模擬中也大有作為。

4.3 機電專業BIM應用

在一些涉及機電專業建造的鋼結構施工過程中，利用相應的軟件進行機電專業建模，可以使BIM 模型和二維施工平面圖同步完成。

在生成BIM 模型的同時可以生成軸測圖，對于比較復雜、關鍵節點角度的鋼結構工程而言，在完成平面2D 繪圖的同時，通過三維立體的效果圖，可對已繪制好的內容進行碰撞檢測，檢查哪些節點位置可能出現碰撞，以及對這些碰撞點的精確定位，這對于鋼結構的施工過程尤為重要。此外，在完成模型調整和優化改進之后，可以在BIM 三維圖中看到調整后的效果，實時地對調整是否合適做出及時的判斷。

除卻上述BIM 專業在鋼結構工程施工進程中的應用，BIM 建造還能針對超高層鋼結構實現全專業的協同設計，如土建一體化、機電一體化等。目前，在物流倉儲鋼結構智能建造的應用案例研究分析中，提到了關于BIM+VR 技術在鋼結構工程中的應用。以京東集團亞洲一號天津東麗物流園項目為例，該技術主要應用在施工過程對鋼結構吊裝進行輔助模擬驗算，采用Tekla 軟件對主要鋼結構及維護結構進行現場的深化設計，同時應用3D 打印技術對復雜精確度要求高的構件進行預拼裝，對于施工精度和生產效率提高都有巨大幫助[5]。

在施工過程中，為保障施工質量，還可以提高VR 沉浸式虛擬驗收技術對應用板件進行三維的空間測量、兩點凈空測量等實測方法，及時發現不同結構或專業中存在的問題，利用移動終端數據模型進行構件數據和問題照片的實時動態查詢，輔助施工驗收人員的驗收。同時，還可以進行現場的施工人員安全教育，幫助他們虛擬使用鋼結構相關的施工器具，使得施工過程更加規范化和安全化。

5 未來展望

首先，是數字孿生技術。數字孿生技術的發展也是國家目前對推動交通運輸基礎設施的新要求。對于鋼結構在交通領域的應用，最主要的對象就是鋼結構橋梁，也屬于典型的大跨度結構。數字孿生技術雖然最早是由美國在航天飛行器的健康檢測領域所提出的，但是其原理在于通過虛實信息交互的接口將實際的物理模型與虛擬的數字模型關聯起來，從而使得實際的模型變化映射到虛擬的數字模型中，建立起與物理實體完全等價的信息模型，可以基于數字孿生體對物理實體進行仿真分析和優化。

其次，是空、天、地一體化的泛在感知技術。該技術依賴于通過各類先進傳感裝置，構建空、天、地多維度的泛在感知網絡，為區域鋼結構工程施工、監測、預警、安全提供廣覆蓋、多層次、全維度數據基礎。作為目前智能監測和測量技術的數據升級，泛在感知技術可以突破單一維度感知的信息盲區，為大跨度鋼結構智慧建造提供全面、精準的數據支持，同時配合項目施工的材料、設備、人員動態感知數據庫，推動區域建造的智能施工、結構監測、危險預警、安全生產的一體化以及精準化發展。

最后，針對鋼結構的智能施工技術在很大程度上也是可以和傳統的木結構、鋼筋混凝土結構相結合的。例如，無人機、監測傳感、大數據技術等，都可以實現在諸如水利設施、高地站房、綜合管廊、電力設施等建設領域中的應用。將某一建筑領域的智慧建造技術推廣到整個建筑業中去，才能真正實現智慧基礎設施的美麗愿景。