基于BIM技術(shù)控制大型鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工

【中圖分類號】 TU758.11

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A

0 引言

隨著工程建設(shè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，大型鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑和基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中扮演著越來越重要的角色。然而，大型鋼結(jié)構(gòu)的吊裝施工過程常常伴隨著高風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜性，需要精細(xì)的規(guī)劃、協(xié)調(diào)和監(jiān)控。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，工程管理領(lǐng)域需要尋找新的方法和工具來提高施工過程的效率和安全性。

BIM作為一種綜合性的數(shù)字化工具，已經(jīng)在工程管理中展示出巨大的潛力。本文旨在深入研究基于BIM技術(shù)控制大型鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工的方法和策略。將探討如何在施工前利用BIM技術(shù)創(chuàng)建精確的三維模型，并模擬吊裝操作以及排除可能發(fā)生的沖突和風(fēng)險(xiǎn)。為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提供更清晰的視覺化和模擬，幫助規(guī)劃和優(yōu)化施工流程，從而降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省成本，并提高工程質(zhì)量。

1 工程概況

位于四川省射洪市的四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院鋰電科技學(xué)院建設(shè)項(xiàng)目，其中圖書館占地面積 5538m² ，結(jié)構(gòu)呈圓形結(jié)構(gòu)，直徑 84.4m 。總共3層，房屋高度 19.5m ，見圖1。結(jié)構(gòu)形式：基礎(chǔ)形式為旋挖成孔灌注樁基礎(chǔ)，主體形式：鋼框架－支撐（BRB）結(jié)構(gòu)。建筑抗震設(shè)防烈度為6度。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級：乙級；建筑抗震設(shè)防類別：重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）；建筑物主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。

整個(gè)圖書館總重 2048.9t ，主要截面為焊接圓鋼管、焊接箱型以及焊接H型鋼。主要構(gòu)件重量值為：鋼柱重量區(qū)間值為 12～23t ，采用 50～80t 汽車起重機(jī)械常規(guī)吊裝，型鋼鋼梁單件重量區(qū)間值為 0.4～5t ，鋼桁架梁單件重 28t ，采 25～80 t汽車起重機(jī)械常規(guī)吊裝。

2 工程重、難點(diǎn)分析

2.1復(fù)雜結(jié)構(gòu)類型與施工難度

該項(xiàng)目圖書館采用鋼結(jié)構(gòu)，并且呈現(xiàn)出獨(dú)特的圓形結(jié)

圖1鋰電科技學(xué)院圖書館效果圖

構(gòu)，屬于大型圓形鋼結(jié)構(gòu)工程。這種結(jié)構(gòu)類型本身就帶來了較高的施工難度。由于圓形結(jié)構(gòu)的特殊性，構(gòu)件數(shù)量龐大且重量相對較大，給施工帶來了挑戰(zhàn)。

2.2復(fù)雜節(jié)點(diǎn)與焊接質(zhì)量的控制

圓形鋼結(jié)構(gòu)工程的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造往往較為復(fù)雜，而現(xiàn)場焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性往往難以確保。這是一個(gè)可能影響整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵問題。

2.3懸挑部分與精度要求

該項(xiàng)目圖書館的圓形結(jié)構(gòu)外周存在較大的懸挑部分，而這一部分的施工距離較大，需要保持高精度。而在傳統(tǒng)施工中，實(shí)現(xiàn)這種高精度的懸挑部分往往需要更多的時(shí)間和資源投入。其中，吊裝施工是最為重要、難度最大的環(huán)節(jié)，直接影響工程質(zhì)量及安全1，故吊裝施工方案的選擇應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況科學(xué)選擇[2]。

3 BIM技術(shù)

建筑業(yè)由于其項(xiàng)目的錯(cuò)綜復(fù)雜性，具有不確定性的特點(diǎn)[3］。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是一種有潛力解決建筑業(yè)挑戰(zhàn)的技術(shù)[4]。BIM 提供了一套旨在改善組織間協(xié)作的技術(shù)和解決方案，提高施工質(zhì)量、安全、可持續(xù)性和效率。此外，BIM還提高了生產(chǎn)力，改善了設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)實(shí)踐。從全過程的角度來看，BIM可以貫穿在造價(jià)管理、設(shè)計(jì)管理、施工管理、合同管理以及數(shù)字管理體系建設(shè)中的應(yīng)用[5]

BIM的采用必須是一致的和長期的，并考驗(yàn)項(xiàng)目參與者的BIM能力、BIM約定的可行性以及BIM主管的熟練程度[6]。BIM技術(shù)是一種激進(jìn)的、變革性的和顛覆性的創(chuàng)新，可以影響建筑項(xiàng)目各個(gè)階段的關(guān)鍵管理活動(dòng)，并促進(jìn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[7]

常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)吊裝根據(jù)設(shè)計(jì)藍(lán)圖進(jìn)行二維平面場地布置，對于施工過程中的各種鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的具體尺寸大小、重量難以全面綜合的掌握了解，全憑經(jīng)驗(yàn)和空間想象力，而基于BIM技術(shù)控制鋼結(jié)構(gòu)吊裝有下列特點(diǎn)。

3.1 直觀性

BIM技術(shù)具有可視化的特性，通過深化設(shè)計(jì)，可以直觀地反映各種大型鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)部做法，使吊裝方案的設(shè)計(jì)、決策均在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行。

3.2 模擬性

模擬性并不是只能模擬設(shè)計(jì)出的建筑物模型，還可以模擬在真實(shí)世界中進(jìn)行操作的事物。通過深化設(shè)計(jì)，BIM技術(shù)可以進(jìn)行模擬鋼結(jié)構(gòu)吊裝的一系列的操作過程。

3.3 協(xié)調(diào)性

協(xié)調(diào)是建筑業(yè)中的重點(diǎn)內(nèi)容，不管是施工單位還是業(yè)主及設(shè)計(jì)單位都在協(xié)調(diào)及相配合。BIM的協(xié)調(diào)作用并不是只能解決各專業(yè)間的碰撞問題，還可以解決鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的截面尺寸協(xié)調(diào)、外觀可視化效果的協(xié)調(diào)等內(nèi)容。

3.4 優(yōu)化性

BIM圖紙深化的過程就是設(shè)計(jì)方案、吊裝方案不斷優(yōu)化的過程。

3.5 可出圖性

通過深化的BIM模型不僅能繪制常規(guī)的建筑設(shè)計(jì)圖紙及構(gòu)件加工的圖紙，還能通過對建筑物進(jìn)行可視化展示、協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化，并出具各專業(yè)圖紙及深化圖紙，使工程表達(dá)更加詳細(xì)。

4基于BIM技術(shù)控制大型鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工

4.1 圖紙深化

利用Tekla軟件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的圖紙深化，細(xì)化并優(yōu)化出各種鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)，形成三維模型及二維平面見圖2～圖5。

在大型鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工中，BIM技術(shù)能夠通過三維模型的創(chuàng)建和管理，實(shí)現(xiàn)對施工過程的全面可視化。這為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員提供了一個(gè)共享的虛擬平臺(tái)，使得設(shè)計(jì)師、工程師、施工人員等各方能夠在同一個(gè)環(huán)境中協(xié)同工作，預(yù)先解決可能出現(xiàn)的沖突和問題。通過BIM技術(shù)，可以在施工前模擬不同的吊裝方案，并評估其安全性和可行性，從而降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，確保了吊裝過程的安全順利進(jìn)行。

圖2柱腳大樣

圖3GXL1與豎桿連接節(jié)點(diǎn)剖面大樣1

大

圖4GXL1與豎桿連接節(jié)點(diǎn)剖面大樣2

此外，BIM技術(shù)還可以在圖紙深化階段發(fā)揮關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)诒磉_(dá)復(fù)雜的空間關(guān)系和構(gòu)件之間的交互時(shí)存在一定的局限性，容易引發(fā)誤解和錯(cuò)誤。而借助BIM技術(shù)，可以將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為精確的三維模型，更清晰地展示各構(gòu)件之間的連接和相互影響，減少信息傳遞中的失真。這對于指導(dǎo)施工過程中的鋼結(jié)構(gòu)吊裝操作具有重要意義，有助于提高施工的精確性和可控性。

4.2吊裝模擬

圖5桁架弦桿與腹桿連接大樣1

鋼結(jié)構(gòu)具有體積小、性質(zhì)穩(wěn)定、可塑性以及剛度都較強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大型公用建筑施工[8]。其中，吊裝施工是最為重要、難度最大的環(huán)節(jié)，直接影響工程質(zhì)量及安全[9]。通過吊裝模擬能避免很多施工問題。

由項(xiàng)目BIM人員將模型導(dǎo)人利用BIMFILM軟件，組織鋼結(jié)構(gòu)吊裝單位及相關(guān)管理人員，對鋼結(jié)構(gòu)吊裝進(jìn)行模擬動(dòng)畫演示，見圖6～圖10，并根據(jù)演示進(jìn)行吊裝方案優(yōu)化和調(diào)整。在虛擬環(huán)境中可以模擬操作序列調(diào)度、裝配規(guī)劃、碰撞檢測、約束識(shí)別等一系列與裝配相關(guān)的活動(dòng)，輔助工程師作出更好的決策[10] 。

圖6分區(qū)吊裝模擬動(dòng)畫一

圖7分區(qū)吊裝模擬動(dòng)畫二

圖8分區(qū)吊裝模擬動(dòng)畫三

圖9分區(qū)吊裝模擬動(dòng)畫四

4.3確定吊裝方案

4.3.1 大體方案

圖11 鋼結(jié)構(gòu)吊裝分區(qū)

由于鋼梁大部分為H型，重量約為 0.5～5t ，整條制造同鋼柱配套運(yùn)輸至現(xiàn)場并安裝，安裝鋼梁需要具備的基本條件為鋼柱安裝就位并校正、臨時(shí)固定完成后。

外周長懸挑約 10m 寬范圍內(nèi)構(gòu)件需要搭設(shè)安裝支撐平臺(tái)，支撐平臺(tái)采用鋼管扣件式滿堂腳手架搭設(shè)：滿堂腳手架立桿間距 1.2m ，步距 1.5m ，搭設(shè)高度 17.4m 。滿堂腳手架搭設(shè)應(yīng)符合JGJ 130-2011 《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求。

吊車站位到外周長施工道路上予以吊裝：

（1）其鋼管外架用途為：待懸挑結(jié)構(gòu)吊裝完成后，用于校正、焊接的操作平臺(tái)，構(gòu)件本身不受全部荷載，滿堂腳手架為操作平臺(tái)和臨時(shí)支撐架。

（2）位置為：外周長 E-C～E-F 軸交 E-1～E-26 軸區(qū)域，具體參見平面示意圖11。

4.3.2 吊裝工況分析

主要機(jī)械選擇為：25t汽車吊， 50t 汽車吊， 80t 汽車吊

25t 汽車吊用于較近作業(yè)半徑，能滿足吊裝0.5～3t構(gòu)件吊裝以及卸車。

50t 汽車吊用于較近作業(yè)半徑，能滿足吊裝 3～5t 構(gòu)件吊裝以及卸車。

80t 汽車吊用于較近作業(yè)半徑，第5區(qū)和第6區(qū)鋼桁架梁吊裝，能滿足吊裝28t構(gòu)件吊裝以及卸車。

每個(gè)區(qū)域可依次完成，也可為2個(gè)組合體安裝（圖12）。

圖12鋼結(jié)構(gòu)吊裝方向

（1）第1區(qū)域和第2區(qū)域以E-1交E-D軸分別順時(shí)針和逆時(shí)針安裝

（2）第3區(qū)域和第4區(qū)域以E-13交E-D軸分別逆時(shí)針和順時(shí)針安裝。

鋼柱、鋼梁、鋼桁架梁吊裝方向示意，以及 50～80t 汽車吊站位點(diǎn)如圖13所示。

圖13鋼結(jié)構(gòu)吊車站位點(diǎn)

以 80t 吊裝最不利構(gòu)件進(jìn)行分析，選用 50t 雙頭鉤，吊鉤重 0.48t ，繩重預(yù)估1t，在吊裝時(shí)考慮1.2的動(dòng)載系系數(shù)，故有 23×1.2+0.48+1=29.08t 0

根據(jù)滿足的吊裝條件的主臂長度、工作半徑復(fù)核起重機(jī)額定起重量：查閱 80t 汽車吊的性能參數(shù)，選取工作半徑R=12m 、主臂長 L=34.2m ，配重 33.2t 時(shí)，對應(yīng)的額定起重能力為 29.5t，29.5tgt;29.08t ，所以選擇 80t 汽車吊可以滿足吊裝需求。

4.3.3 吊裝步驟

步驟一：安裝塊1模型（第1區(qū)域?yàn)椋?E-1～E-5 交E-A～E-D 軸），順時(shí)針施工：先吊裝E-1交 E-A～E-D 鋼柱，采用臨時(shí)纜風(fēng)繩和鋼斜墊塊校正穩(wěn)固后，再進(jìn)行E-2軸吊裝。如圖14所示。

步驟二：安裝塊2模型（第2區(qū)域?yàn)椋?E-26～E-21 交E-A～E-D軸），見圖15。

圖14吊裝步驟一模型截圖圖15吊裝步驟二模型截圖

步驟三：安裝塊3模型（第3區(qū)域?yàn)椋?E-13～E-9 交E-A～E-D 軸），見圖16。

步驟四：安裝塊4模型（第4區(qū)域?yàn)椋?E-13～E-19 交E-A～E-D 軸），見圖17。

圖16吊裝步驟三模型截圖圖17吊裝步驟四模型截圖

步驟五：安裝塊5模型（第5區(qū)域?yàn)椋?E-5～E-9 交E-A～E-D 軸），見圖18。

步驟六：安裝塊6模型（第6區(qū)域?yàn)椋?E-19～E-21 交E-A～E-D 軸），見圖19。

步驟七：防腐、防火涂裝，收尾。

整體完成效果模型見圖20。

圖18吊裝步驟五模型截圖圖19吊裝步驟六模型截圖

圖20吊裝步驟七模型截圖

4.4吊裝施工

通過上述對鋼結(jié)構(gòu)圖紙的深化設(shè)計(jì)、吊裝模擬、方案確定等工作，鋼梁吊裝前，應(yīng)清理鋼梁表面污物，對產(chǎn)生浮銹的連接板和摩擦面吊裝前進(jìn)行除銹[11]

5 結(jié)束語

本文以鋰電科技學(xué)院建設(shè)項(xiàng)目大型圓形鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工為背景案例，對其所面臨的安全與效率問題進(jìn)行了深入探討。通過BIM技術(shù)的運(yùn)用，有效解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)類型與施工難度、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)與焊接質(zhì)量的控制、懸挑部分與精度要求等鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工工作中的重難點(diǎn)問題，在構(gòu)件數(shù)量眾多且重的情況下，施工效率得以提升，并通過預(yù)制構(gòu)件和精確的數(shù)值模擬，有效地控制節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造復(fù)雜性，并且在工廠環(huán)境下進(jìn)行焊接，提高了焊接質(zhì)量的可控性，從而降低了風(fēng)險(xiǎn)。未來的研究可以進(jìn)一步完善各項(xiàng)策略，并借助更多實(shí)際案例進(jìn)行實(shí)證研究。期望能為大型鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工的安全與效率提升提供有益的學(xué)術(shù)參考，從而推動(dòng)該領(lǐng)域向著智能化與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)邁進(jìn)。

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