基于BIM 的空間復雜鋼桁架施工技術分析

孟祥寬，尚士平

（1.山東黃河工程集團有限公司第一分公司，山東 濟南 250000；2.山東合晟建筑工程有限責任公司，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著城市化進程的加速和建筑技術的不斷創新，超高層建筑逐漸成為城市天際線的重要組成部分，鋼結構因其高強度、輕質化和良好的抗震性能，在超高層建筑中得到了廣泛應用。然而，隨著建筑高度的增加和功能的日益復雜，超高層建筑的鋼結構施工面臨著前所未有的挑戰，空間復雜鋼桁架作為超高層建筑的關鍵結構之一，其施工技術的研究與應用具有重要意義。近年來，BIM 技術以其強大的信息集成和共享能力，為空間復雜鋼桁架的施工提供了全新的解決方案。錢士元等[1]學者針對多層大跨復雜形式鋼結構的吊裝問題，利用BIM 技術對構件的吊裝進行全過程模擬，提高施工效率，保證吊裝精度。杜戰軍等[2]學者以某大跨鋼桁梁橋為例，提出了基于BIM 模型的參數化及精細化建模思路，并通過建立信息化平臺，實現施工進度的模擬和施工現場的信息化管理。余文成等[3]學者則結合具體工程背景，初步編制了鋼桁架橋梁的信息模型交付標準，為鋼桁架橋梁的信息化施工提供了依據。這些研究充分展示BIM 技術在空間復雜鋼桁架施工中的巨大潛力和應用價值，然而，目前的研究還存在一些不足，如BIM 技術在施工過程中的具體應用細節、施工效率與精度的提升策略等方面尚需進一步探討。因此，本文旨在深入研究基于BIM 技術的空間復雜鋼桁架施工技術，分析其在施工過程中的應用與效果，以期為解決超高層建筑鋼結構施工中的技術難題提供新的思路和方法。

1 BIM 在空間復雜鋼桁架施工工程中的可行性分析

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術在空間復雜鋼桁架施工工程中的可行性分析主要體現在其多專業協同作業、信息模型參數化、可視化和模擬功能上。BIM 軟件作為一種廣義的應用軟件，具有豐富的功能和靈活的應用方式，能夠有效支持鋼桁架施工工程的復雜性和精密性要求。BIM 技術的多專業協同作業功能使得各個施工專業能夠在同一個平臺上進行協同作業。在鋼桁架施工中，涉及結構、焊接、安裝等多個專業領域，BIM 技術可以將專業的數據集成到同一個模型中，實現協同設計和施工，減少信息傳遞和溝通的成本和錯誤。BIM 技術的信息模型參數化能夠對鋼桁架的構件進行精確的建模和參數化，通過BIM 軟件建立的三維模型能夠直觀地展現鋼桁架的形態和結構，幫助工程師和施工人員更好地理解和規劃施工流程，尤其是對于一些比較復雜的構件以及特殊的節點，采用BIM 技術進行二次深化，讓使用者對節點、零件等方面的問題有更多的重視，并能及時地對其進行修正和改進，提高施工精度和效率。BIM 技術的可視化功能能夠將數據直觀地呈現為可視化的模型，幫助工程師和施工人員更直觀地了解工程的情況，在鋼桁架施工中，BIM 技術可以將施工過程模擬為三維動畫，通過虛擬仿真功能優化焊接工藝、施工方案等，幫助解決加工、安裝等繁雜的難題，幫助工程團隊更好地規劃施工過程，預防和解決可能出現的問題，提高施工質量和效率。

2 基于BIM 的空間復雜鋼桁架施工技術

2.1 工程概況

本項目為100 層高的超高層建筑，共布置4 根桁架，在不同的樓層上。其中，F48M ～F51、F98 ～F100 兩個層次，具有代表性的有跨多層空間曲面轉換桁架、空間錐臺復合桁架，如圖1 所示，該復合桁架的交叉點為鑄鋼結構，由13 個不同截面的桿組成，相互交叉，形成形式非常復雜的結點。施工過程應重點關注如下問題：第一，深化設計。桁架鋼柱受力復雜，需進行精細化建模，而單根角鋼重量81t，且由300 片板件組合而成，其建模難度較大。在設計過程中需要特別注意鋼柱的空間傾斜度和扭曲程度，以及合理安排零件板的拼接方式，以確保鋼柱的穩定性和承載能力。環帶桁架的四面輪廓呈弧形內凹，因此對于桁架的四面輪廓要進行準確的建模和設計，在建模過程中，桁架的非常規形狀，使用適當的建模工具和技術進行模擬，以保證桁架的結構完整性和穩定性。第二，加工制作。空間椎臺復合桁架的匯交節點復雜，涉及大量異型不等截面的桿件，匯交桿件最多處達13 根，在設計階段，要對節點進行詳細設計和建模，確保匯交節點的穩定性和結構合理性，同時，錐臺復合桁架連接節點多，多為異形、不等截面構件，裝配精度難以控制，且焊接過程中存在熱量集中，容易引起變形，需要采用合理的加工與焊接工藝，在施工過程中要進行精確的調整和安裝。第三，焊接質量和安全防護。桁架構件均由厚板構成，現場焊接多為全熔透的對接焊縫，對焊接質量有較高的要求，尤其是空間錐臺形桁架的節點柱為鑄鋼結構，其吊裝和焊接工作在高空進行，并且大部分構件為異形截面，需要采取特殊的高空安全防護措施，確保施工安全。

圖1 桁架分布圖

2.2 BIM 軟件合理分段分節

針對F48M-F51 層轉換桁架的特殊性和復雜性，在設計初期，利用BIM 技術進行精確建模，可以全面考慮桁架的空間分布、結構構造和吊裝需求。考慮到道路運輸的限制，分段分節的首要原則是確保構件尺寸在可運輸范圍內，涉及對桁架進行精確的尺寸分析和計算，以確保每個分段都能順利運抵現場。同時，構件的重量也是一個關鍵因素，過重的構件可能會超出塔吊的吊裝能力，因此需要根據塔吊的性能要求來合理劃分構件的重量，在設計階段需要進行詳細的荷載分析和計算，確保每個分段的重量都在塔吊的可承受范圍內。除了尺寸和重量，要注重分節位置的選擇，方便現場施工操作，分節位置應盡量選擇在桿件對口處，減少現場焊接和連接的工作量，提高施工效率。通過BIM 軟件將F48M-F51 層轉換桁架分節后，具體構件信息如表1 所示。

表1 構建分節信息

2.3 桁架虛擬預拼裝、建造技術應用

2.3.1 跨多層空間曲面轉換桁架虛擬預拼裝

針對跨多層空間曲面轉換桁架結構，采用傳統的實體預制裝配方式，其工作效率低、造價高。為了克服這些問題，本項目采用3D 激光掃描和BIM 技術相結合的方法進行虛擬預制裝配，虛擬預組裝技術在零件的周圍建立若干個掃描點，能夠全面、精確地捕捉每個構件的幾何形狀和尺寸數據。當所有站點的數據匹配完成后，數據被導入到專用的數據處理軟件中，經過一系列算法處理，生成高度真實的三維模型。接下來，利用Qualify 軟件，在虛擬環境中進行預拼裝，不僅減少物理胎架的使用，還允許在拼裝過程中進行精細的調整和優化，從而確保最終的拼裝合格率。在加工階段完成后，對每個構件進行逐個掃描，確保采集到的是最準確、最完整的點云數據。

2.3.2 空間曲面環帶桁架虛擬建造技術

（1）多層空間曲面轉換桁架虛擬建造

F48M-F51 環形桁架，是最大的轉換桁架，多層空間表面的過渡，鋼桿與弦管、腹桿之間有大量的對接界面，都使得這一施工任務變得異常復雜。通過借助BIM 軟件的力量，對桁架進行合理化的分節，即便面對最大重達81t 的構件，也能游刃有余。通過虛擬建造，在虛擬環境中對構件的吊裝順序進行多次優化，直至找到最優解，同時，虛擬建造技術還可以實現高空操作平臺及安全防護的同步搭設，提前規劃好各工序的施工順序和安全防護措施，確保在實際施工過程中，各工序能夠安全有序地進行[4]。

（2）虛擬模型受力驗算

為保證F48M-F51 結構的安全穩定，以Midas/gen 為計算工具，對結構的受力進行細致的校核。在建模過程中，著重關注塔吊爬升框鋼梁安裝過程中影響較大的東側和南側外框柱，這些區域在桁架安裝過程中可能會受到較大的應力和變形。在荷載取值方面，考慮到鋼柱懸空狀態下的自重和風荷載，采用了1.2 的自重系數和0.4kN/m2的風荷載取值，能夠更全面地反映實際情況，為后續的受力驗算提供可靠的依據。經過midas/gen 軟件的計算分析，得到東側和南側鋼柱的受力及變形情況，從驗算結果來看，無論是東側還是南側鋼柱，其最大拉應力和最大壓應力均在可接受的范圍內，且變形量也在預期之內，在虛擬安裝過程中，鋼柱的受力及偏移均能夠滿足設計及規范要求。

（3）虛擬焊接順序

環帶桁架作為建筑結構的重要組成部分，其焊接質量直接關系到整個建筑的安全性和穩定性，考慮到F48M-F51 層跨多層空間曲面轉換桁架的特殊性，主要對其焊接流程進行詳細規劃和優化。桁架使用的Q390GJC 材質以及多種規格的板厚（30、40、60、80mm），特別是高達90%的厚板占比，使得焊接工作變得異常復雜和具有挑戰性[5]。為保證焊接質量，應首先對具有大收縮量和高拘束度的焊縫進行焊接，然后進行小收縮量和小拘束的焊縫，減少焊接過程中產生的應力，避免應力集中，從而更好地滿足焊接質量的要求。F48M-F51 層桁架的焊接首先從下弦桿開始，逐步進行上弦桿、斜腹桿、中弦桿的焊接。隨后，再依次進行一節鋼柱和二節鋼柱的焊接，直至整個桁架的焊接工作完成。

（4）空間錐臺復合桁架虛擬建造

空間錐臺復合桁架是一種復雜而精密的建筑結構，其建造過程需要經過精心策劃和嚴格執行，在虛擬建造的過程中，每一步都至關重要，必須確保每一步的準確性，以保證最終結構的穩定性和安全性。虛擬建造流程遵循從核心筒到外部桁架，從下到上，從內部到外部的邏輯順序。在拆完核心筒塔架后，首先要做的就是安裝角鐵節點及與之連接的下弦節點，以保證網架的穩定。待核心筒內剩余混凝土澆筑完畢后，立即進行下弦管和相連接的平面鋼梁的安裝，待下弦管完工后，再進行桁架柱的安裝，與之連接的弦管的安裝，以及上弦板和腹桿的安裝，使桁架的整體結構得到進一步的穩定[6]。隨后空間錐臺復合桁架的外層桁架鋼柱開始安裝，以及安裝內、外桁架相連的桿件單元，實現桁架內部和外部的有效連接。同一步驟中，通過安裝外桁架鋼柱、圓弧梁等構件，提高桁架的整體穩定性能和美觀性，并在此基礎上，安裝內外桁架間的腹桿，提高桁架的整體剛度與穩定性，將其他桿件安裝在上弦桿上，實現組合桁架主體結構的順利安裝。

2.4 桁架裝配化施工

在本工程中，桁架式鋼柱的構造尤其特殊，都是異型截面，且具有斜向彎折的特征，使其空間結構顯得格外復雜。以F48M到F51多層空間彎曲桁架為研究對象，其主要桿件數目多、體積大，通過BIM 對其進行精確拆分，發現20t 以上的主要桿件有96 個，最大的一個高達81t。除了重量因素，桁架四面輪廓的弧形內凹設計也增加了施工的難度，這種設計不僅要求施工團隊具備高超的空間定位能力，還需要他們掌握精確的測量方法，在這樣的背景下，BIM 軟件的應用顯得尤為重要，通過BIM 軟件，能夠在虛擬環境中對桁架進行詳細的模擬和分析，找出最佳的施工方案。在實際施工過程中，利用BIM 軟件對桁架進行精心的設計和規劃，通過加設吊耳、連接板以及卡碼等輔助設備，確保桁架的穩定性和安全性，以及采用螺栓臨時緊固的方式，使得桁架的裝配過程更加迅速和高效。吊耳的位置和數量都是根據BIM 軟件的模擬結果來確定的，以確保在吊裝過程中能夠均勻受力，避免產生過大的應力或變形。對于角框柱的吊裝，特別設計4 個吊耳，并使用6 組連接板進行緊固，確保角框柱在吊裝過程中的穩定性和安全性，如圖2 所示。

圖2 BIM 軟件設置吊耳

每個吊耳都經過精密計算和工程驗證，能夠承受角框柱的重量和吊裝過程中的各種力量，連接板的使用進一步增強吊裝系統的整體穩定性，有效防止角框柱在吊裝過程中發生不穩定或傾斜的情況。同時，還采用了雙面坡口焊接技術，將吊耳焊接在距柱頂150mm 的位置，保證焊接的牢固性，避免對柱體造成過大的熱影響。在構件吊裝就位后，通過螺栓進行緊固，確保各個部件之間的連接牢固可靠以及合理加設吊裝輔助措施，實現塔吊的快速摘鉤，進一步提高施工效率[7]。

3 結論

本文通過深入剖析了BIM 軟件在桁架分段分節、虛擬預拼裝以及虛擬建造等方面的應用，并通過具體案例展示了BIM 技術在施工過程中的實際效果。BIM 技術的應用使得空間復雜鋼桁架的施工過程更加精準、高效和安全，通過BIM 軟件的精確建模和虛擬仿真，施工團隊能夠提前發現并解決潛在問題，幫助施工團隊精確控制施工質量，確保每個施工環節都符合設計要求，從而提升整體施工質量。主要結論如下：

（1）BIM 技術在空間復雜鋼桁架施工中具有顯著優勢，能夠有效提高施工效率、確保施工質量和降低施工風險。

（2）通過BIM 軟件的精確建模和虛擬仿真功能，施工團隊能夠更好地理解和規劃施工過程，優化施工方案，提高施工精度和效率。

（3）BIM 技術的應用將有助于推動空間復雜鋼桁架施工技術的創新發展，提升建筑行業整體的施工水平和技術含量。