BIM 技術在群塔作業的應用探索

李俊華，朱家宏

（1.廣州建筑股份有限公司，廣東 廣州 510030；2.廣州市第二建筑工程有限公司，廣東 廣州 510045）

0 引言

如今我國的城市住宅工程有三大特點。①規模大，動輒就是幾千戶超大小區項目工程。②建筑密度大、樓層高，城市用地寸土寸金，住宅容積率居高不下，在有限的建筑用地上排滿了多個建筑高樓。③施工工期緊張，城市建設強調效率，施工工期關系著小區業主、建設方、施工方等多方的利益。在這個前提下，科學高效的群塔作業方案變得尤為重要，也變得更加困難。

傳統群塔作業方案依據AUTOCAD 的圖紙信息，僅能滿足靜態二維平面上的布置要求，視角單一，難以分析全面，對塔吊隨施工進度頂升后安全距離的動態控制等要素考慮不足[1]。近年來的塔吊安全事故的統計次數的上升也側面說明了傳統群塔作業方案已經不足以滿足現在施工的需求。本文借助廣州市交通高級技工學校遷建工程，探索BIM 技術在群塔作業的應用可能，積累經驗，為建筑同行提供借鑒和參考。

1 工程概況與傳統群塔作業方案的不足

1.1 工程概況

廣州市交通高級技工學校遷建工程可研批復總建筑面積242040m2，建設內容包括教室及圖書室31638m2，實驗實訓場所65545m2，行政用房12000m2，學生宿舍及教師值班用房86912m2，食堂、生活福利及其他附屬用房18922m2，室內體育用房3747m2，地下室及架空層23276m2。

本工程每棟主樓相對獨立，基本采用1 棟主樓一臺塔吊的方式進行塔吊方案部署，布置塔吊時調整位置盡可能完全覆蓋主樓的周邊裙樓及地下室，以免后期出現材料二次搬運的情況，其中1 號樓與2 號樓塔吊相鄰大臂高差只有5m，2 號樓與3 號樓塔吊相鄰大臂高差只有4.7m，鋼絲繩+吊物長度需要嚴格控制，否則很大概率會發生碰撞。塔吊布置如圖1 所示。

圖1 塔吊布置

1.2 樓間距密、塔吊眾多

建筑單體施工高度超過規范要求，則需要設置塔吊附墻，塔吊附墻限制了塔吊安裝的位置，密集的建筑樓群客觀導致了密集的塔吊安裝布置，塔吊作業距離十分接近。為了追求工作效率，需要保證群塔的作業覆蓋面能夠覆蓋盡可能多的工程作業面與各種材料堆場，這就客觀上導致了不同塔吊扇形工作面的相互覆蓋重疊現象[2]。

1.3 工期緊張，作業面大

本工程總工期僅僅397 日歷天，為了如期完工，計劃整個作業面全部開展施工，施工隊伍眾多，塔吊作業盲區也多，有一定安全隱患，極大考驗了群塔作業的整體協調性。而且結構工期會遇到廣州臺風天氣，給塔吊作業帶來了很大的困難。

2 群塔BIM 模型的構建與靜態初步部署

2.1 模型要求

群塔作業方案需要在工程建設初期就擬定，塔吊平面位置選定之后，便一直進行定點作業，難以改變，實際工程要基坑開挖階段（主體施工階段之前）就完成一份塔吊整個運行周期內的完整方案。因此，建筑模型與塔吊模型的構建需要兼顧建模的速度與建模的精度。

本工程建筑結構模型構建時開始采用LOD300 的建模精度，發現建模速度緩慢，預計按照此標準完成全部模型，計算機也有很大的運行壓力。于是在實訓樓A1模型完成后，BIM 技術小組決定優化、簡化剩余模型的構建，對可能與塔吊發生碰撞的構件模型進行重點建模，簡化其余構件，形成單層簡化結構模型+外架范圍模型[3]。并按照流水段劃分，將每層拆分為若干流水段模型，如圖2 所示。經過本工程實踐輕量化的其他建筑模型與LOD300 的建模精度的實訓樓A1 模型在實際應用中效果是一致，此建模精度可供今后工程借鑒參考。

圖2 流水段模型

BIM 技術小組在載入塔吊族后，為了使得相鄰塔吊上下空間上碰撞情況更加直觀明了，按照規范：處于高位塔式起重機的最低部件與低位塔式起重機處于最高位置部件之間的垂直距離應＞2m，在塔臂上添加藍色90%透明安全范圍模型，該模型可隨塔臂上下移動，并且根據索具＋材料＋安全高度參數的不同，調節下安全范圍大小，塔吊添加安全范圍模型如圖3 所示。

圖3 塔吊添加安全范圍模型

2.2 靜態分析

群塔方案會在滿足靜態分析的前提下進行動態分析，根據分析過程中的碰撞中調整方案，不斷重復靜態分析→動態分析→碰撞檢查→方案優化的過程。

群塔作業方案的安全管控靜態分析內容如下。相鄰塔式起重機塔身距離分析、塔臂重疊區域分析、相鄰大臂高度差分析。相鄰塔式起重機塔身距離分析，在傳統二維平面上即可分析完畢。附加了透明安全范圍模型的塔吊模型上，相鄰大臂高度差分析變得一目了然。調整三維模型俯視圖觀看，也可借助塔吊透明安全范圍模型直觀看出塔臂重疊區域，重疊區域，顏色疊加，重疊越多，顏色越深。

靜態分析還包括塔吊對建筑結構的影響，看是否存在穿樓板、斷次梁的情況。在工程經驗中，地下室施工階段經常出現塔吊穿樓板的情況。穿樓板不可避免的情況下應做好預留洞口的防護與封堵措施，同時還要注意穿樓板的同時是否對結構梁產生沖突。假如各層結構平面變化較大，傳統方法需要逐張圖紙對照塔吊是否與結構梁發生碰撞，煩瑣又容易出錯，采用BIM技術可以進行碰撞檢測，高效準確的得出碰撞結果。

3 動態模擬，優化群塔作業方案

工程建設施工是一個動態的建設過程，建筑主體、外架等構造措施甚至周邊環境都一直在變化[4]。群塔方案的動態模擬是設置時間軸，在從塔吊基礎開始建設到塔吊拆除完畢的時間軸上模擬工程實體建設與塔吊的變化，在這個動態的過程中檢查有無塔吊與建筑主體（包括外架）的碰撞，塔吊高差之間的碰撞。在這個過程中從地下室進入主體階段、主體階段的外立面發生變化的節點容易發生塔吊與建筑主體（包括外架）的碰撞，塔吊的頂升過程容易發生塔吊高差之間的碰撞、塔吊的拆除過程則需要一定的空間需求。

3.1 塔吊頂升

在主體施工施工階段是群塔作業的重難點，塔吊隨著建筑主體升高隔幾天就需要做一次頂升，塔吊作業碰撞的概率最大。群塔的頂升會帶來塔吊之間的高差變化，需要整體協調統一避免塔吊的高差碰撞[5]。因此每一次頂升的碰撞檢查都十分重要。同時，塔吊的頂升關乎接下來的施工作業，必須安排好施工隊伍流水作業與塔吊頂升作業的配合，尋求效率與安全的雙贏[6]。

塔吊頂升計劃直接跟工程進度直接相關，是詳細施工進度安排里面必須認真考慮的一部分內容。塔吊的頂升計劃遵循高低位塔吊頂升原則，跟各流水段模型的豎向工程量指標密切相關，應該根據指標確定施工施工強度，結合施工內容，吊裝材料的不同，確定施工需要的吊裝次數，匹配相應的勞動力投入。塔吊頂升計劃安排不順利可能是一開始的塔吊初裝高度設置不合理導致塔吊高低順序，甚至可能是塔吊規格型號、數量不匹配施工進度安排。應該應用BIM 技術進行多次模擬，綜合考慮各項因素，多次調整找到最合適平衡的塔吊頂升計劃。

3.2 塔吊拆除

塔吊的拆除力求模擬真實拆除環境，確定塔吊拆卸場地與吊裝空間，驗證該空間進行塔吊拆除作業的合理性。在塔吊拆除經驗中，可能會出現建設后期，塔吊被周邊建筑物團團包圍，吊裝空間不足，起重臂無法直接吊至地面。塔吊拆除模擬可以嘗試空間拆解，經模擬驗證不可行，只能調整塔吊位置，重新分析調整后的方案。

4 方案不足思考

本工程周邊環境為平坦寬闊的市政道路和空地，基本不會對本工程的塔吊方案部署產生不利影響，在以往的項目中，出現了周邊建筑物與建筑用地十分靠近，項目依山而建，山體存在階梯狀邊坡設計，如圖4所示。項目在考慮垂直運輸的塔吊布置時還必須考慮邊坡高度的情況，階梯狀邊坡現場如圖5 所示。

圖4 階梯狀邊坡現場

圖5 某工程塔吊與邊坡位置關系

為形成更為成熟完善的BIM 技術在群塔作業的應用方案，在原有方案上補充周邊建筑模型，周邊地形模型進行綜合考慮，形成的最終的應用方案流程圖如圖6所示。

圖6 BIM 技術在群塔作業的應用方案流程

5 結語

傳統的群塔作業方案都是基于二維的CAD 圖紙，可視性差，僅能做好平面靜態分析，在空間維度上方案考慮不足，難以保障群塔作業的效率與安全。塔吊跟隨建筑實體施工進度實際一直在改變其工作路徑與工作高度，直到塔吊拆除過程都是需要與建筑實體相互協調的，因此，群塔管控是一個基本橫跨全施工周期、空間多維的、動態的過程[7]。本文重點探討塔吊安裝前通過BIM 技術動態模擬實現在群塔作業中的安全管控，但是并未直接用于輔助塔吊吊裝作業，仍有較大的開發空間，此處提出建議，望今后的工程在借鑒的同時能繼續開拓。