建筑平移中基于BIM技術(shù)的施工模擬研究與應用*

黃 超，陳蕃鴻，王依列，嚴順韜，葉 梅

(中建一局華江建設(shè)有限公司，北京 100161)

1 緒論

1.1 研究背景

近年來，隨著城市建設(shè)速度不斷加快，對城市用地以及原有建筑進行規(guī)劃已成為改善城市建筑合理布局的有效措施。對于某些原有的具有較大歷史價值或經(jīng)濟價值的建筑采取拆除或重建措施將會造成極大損失，因此，為實現(xiàn)城市建設(shè)規(guī)劃的順利進行，同時達到保護環(huán)境、節(jié)約資源的目的，對仍具有價值的建筑采取建筑平移技術(shù)從舊址移至新址，已成為現(xiàn)代化建設(shè)的趨勢。

在現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備的支持下，土木工程行業(yè)也在信息化、智能化的方向不斷發(fā)展進步。利用BIM相關(guān)技術(shù)為施工過程提供技術(shù)理論支撐，對建筑平移全過程進行施工模擬，完善施工手段，已成為建筑平移技術(shù)實施前的必要工作，對施工順利進行有很大的推進作用。

1.2 發(fā)展情況

1.2.1施工模擬概述

施工模擬這一概念我國早在20世紀90年代初就已經(jīng)初具雛形[1]。隨著科技不斷發(fā)展，在BIM技術(shù)的不斷完善下，模型的建立也逐漸多維化，從普通的三維模型拓展至四維、五維甚至多維模型[2]，對信息的處理技術(shù)也逐漸朝著實時、共享的方面提升，對于不同用戶的信息實現(xiàn)了實時交互的優(yōu)越性。

1.2.2傳統(tǒng)施工進度管理

我國現(xiàn)今已擁有一套完整的施工進度管理理論方法。一般采用橫道圖、里程碑圖、網(wǎng)絡(luò)圖或進度曲線圖進行施工計劃編制表示。對于施工總進度計劃，采用施工工期控制程序進行工期的事前控制、事中控制和事后控制來實現(xiàn)項目的工期目標；通過網(wǎng)絡(luò)計劃技術(shù)實現(xiàn)進度優(yōu)化[3]。趙淑紅[4]對多Agent協(xié)作機制進行了詳細分析，將Agent技術(shù)應用于施工進度優(yōu)化的過程中，并提出了利用Agent制定的進度管理策略及算法。吳曉紅[5]對Project軟件進行了深入研究，分析了運用軟件代替人工進行進度管理的可行性，并從不同角度介紹了Project技術(shù)在進度管理中的優(yōu)越性。袁家永[6]利用WBS(work breakdown structure)分解模式對某公園項目的進度計劃進行了重新編制和優(yōu)化，采用的新型分析模式對項目進度有良好的優(yōu)化效果。陳赟等[7]將柔性管理理論與關(guān)鍵鏈技術(shù)結(jié)合, 在某公路項目中優(yōu)化其施工進度計劃, 對傳統(tǒng)進度計劃的管理進行了補充，為以后的施工優(yōu)化方法提供參考。

1.2.3基于BIM的施工技術(shù)

目前，BIM技術(shù)已成為設(shè)計施工的主要手段，在施工建設(shè)的各階段都有廣泛應用。王愛娟[8]在對項目進度風險分析的基礎(chǔ)上，利用BIM建立了建設(shè)項目進度風險分析模型，利用模型對項目進度計劃的自動生成及其風險模擬分析進行研究，并提出了該模型的使用條件及解決策略。吳子昊[9]通過Navisworks對建立的建筑模型進行施工碰撞模擬，在施工前為施工提供可能在施工中出現(xiàn)的各種問題模擬，對實際施工進行預警，并采用Project編制施工進度安排，實現(xiàn)施工動態(tài)監(jiān)控。王心宇[10]使用蒙特卡洛仿真通過關(guān)鍵路徑法對項目施工進度進行仿真研究，同時使用魯班軟件進行施工量驗算，得出仿真模型在施工進度預測、修正及實施控制方面的有效性，能夠保證工程的高效、經(jīng)濟性。孫科[11]基于WBS，利用BIM技術(shù)對工程中傳統(tǒng)的進度計劃安排問題進行深入分析探討，采用相關(guān)軟件進行模擬分析，進行了施工安排的優(yōu)化設(shè)計，對提高施工效率及節(jié)約成本有較大推進。

1.3 研究內(nèi)容與技術(shù)路線

本文先對傳統(tǒng)施工進度管理與BIM施工技術(shù)進行研究[12-14]，而后重點研究了施工模擬技術(shù)在廈門后溪長途汽車站平移項目中的應用，基于4D模型與動畫漫游碰撞檢查，對采用BIM技術(shù)的施工模擬與傳統(tǒng)管理進行對比分析研究，得出BIM施工模擬的優(yōu)越性。

2 廈門后溪長途汽車站平移項目施工模擬研究

2.1 工程概況

2.1.1項目背景

廈門市集美區(qū)后溪長途汽車站主站房平移工程，總建筑面積達6.82萬m2，平移建筑面積達2.28萬m2，重達3.018萬t，對建筑進行旋轉(zhuǎn)平移90°，最遠端平移距離288.3m，是國內(nèi)乃至世界單體最重、建筑規(guī)模最大的建筑物旋轉(zhuǎn)平移項目。

2.1.2建筑環(huán)境及結(jié)構(gòu)概況

平移工程場地位于廈門北站西北側(cè)、圣果路與巖興路交叉口東南側(cè)。四周條件比較復雜，北側(cè)為巖興路，紅線緊鄰巖興路人行道，人行道下管線密布；西側(cè)為圣果路，紅線外19m范圍內(nèi)為綠化用地；北側(cè)巖興路、西側(cè)圣果路人行道離基坑較近，道路下存在電信、通信、供水、公安交信、廣電等管線；南側(cè)為中鐵四局工地，圓弧軌道外15m左右目前為中鐵四局CFG樁施工，可施工范圍為圓弧軌道外12～13m。

根據(jù)區(qū)域地震資料，廈門市轄區(qū)內(nèi)未發(fā)生過破壞性地震，遭受的震害來自外圍地區(qū)強震的波及。本場地位于廈門市集美區(qū)，擬建場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)防類別為丙類，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g。

平移站房主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋蓋形式為鋼結(jié)構(gòu)壓型鋼板屋面，基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)；基底樁端持力層為強風化花崗巖，基地承載力較大；地下水類型為潛水，對混凝土結(jié)構(gòu)有微腐蝕性，穩(wěn)定水位埋深3.9～8.2m；混凝土強度等級分別為：墊層C15，基礎(chǔ)C35，框架柱C40，梁與樓板C35和C40，圈梁、構(gòu)造柱、現(xiàn)澆墻帶、現(xiàn)澆過梁C25，預應力梁C40，后澆帶混凝土比兩側(cè)提高一個強度等級，且為補償收縮膨脹混凝土。

2.2 工程難點

主站房平移施工存在技術(shù)難度大，項目整體體量大、基坑深度大、場地有限、施工技術(shù)難度大、主站房平移工期緊張、涉及專業(yè)分包多、協(xié)調(diào)工作量大等難點。

1)主站房建筑平移的成功與否是關(guān)系本項目成敗的關(guān)鍵，需選取合適的平移方案。而且平移主站房裝修較多，且柱距較大，若選擇在首層切斷將會對裝修造成較大破壞，從何處切斷以保證被平移結(jié)構(gòu)的整體剛度是難點。

2)本工程為大體量建筑物旋轉(zhuǎn)平移，而且旋轉(zhuǎn)中心位于建筑物外。這種無固定軸的旋轉(zhuǎn)沿徑向的偏差難以控制和避免，需要采取特殊措施。旋轉(zhuǎn)到位后，就位連接的構(gòu)件為框架柱與剪力墻，對旋轉(zhuǎn)平移的就位精度要求較高，就位前需要精確糾偏對中調(diào)整。

3)基坑開挖深度達到12.3m，為一級基坑，在土方開挖及結(jié)構(gòu)施工期間，基坑支護體系的穩(wěn)定性直接影響項目順利實施。施工期間，對基坑支護體系監(jiān)測是確保基坑安全的重點。同時，基坑底板位于地下水位以下，雨季(尤其是臺風季節(jié))地下水位的變化直接影響基坑安全，如何采取有效的截水和降排水措施是工程一大難點。

4)平移體量大、距離長，如何實時監(jiān)測和了解平移過程中主站房各主要受力構(gòu)件的位移、變形、裂縫等情況，是確保平移成功的重要保證，也是工程難點。

5)平移主站房建筑物體量大，平面框架的平面內(nèi)剛度相對較弱，建筑物旋轉(zhuǎn)時各滑道頂推力與阻力的不協(xié)調(diào)將會引起建筑物整體及局部的累積變形，從而引起上部結(jié)構(gòu)及裝飾裝修的破壞。旋轉(zhuǎn)平移下滑道梁最長達300m，為保證上部結(jié)構(gòu)平移過程中的安全，須對下滑道的平整度有較高要求。如果下滑道的平整度超標，由此引起上托盤梁的強制位移將會導致房屋的開裂和損壞。

2.3 解決方案

1)建立EPC項目管理組織結(jié)構(gòu)，涉及項目勘察、設(shè)計、采購、施工各方面，配備完善的技術(shù)力量，確立在基坑支護、樁基、土方開挖、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工、主站房平移、結(jié)構(gòu)施工、裝飾裝修、機電安裝、室外工程等全過程的項目管理工作流程。

2)為確保安全和工期并取得較好的經(jīng)濟效果，采取在地下2層切割分離的方案，而且對主站房上部結(jié)構(gòu)和裝修的影響最小。采用上托盤梁桁架梁及頂升移動裝置對框架柱進行主動卸載，從而保證了在主站房切割及平移各工況的安全。

3)對于可能出現(xiàn)的沿旋轉(zhuǎn)中心的徑向偏差，本次步履式平移設(shè)備可以通過調(diào)整平移頂推方向起到糾偏作用，同時預設(shè)2條限位梁，雙向保險措施保證平移精確就位。當旋轉(zhuǎn)平移過程中發(fā)現(xiàn)建筑最大徑向累計偏差>50mm時通過調(diào)整步履行走器的頂力施加角度達到糾偏效果，確保就位連接前糾偏到5mm以內(nèi)。

4)基坑采用雙排圍護樁支護，中間采用二重管高壓旋噴樁施作止水帷幕，同時進行管井降水。為確保基坑開挖和地下結(jié)構(gòu)施工過程中的安全，必須按設(shè)計和規(guī)范要求對基坑進行監(jiān)測。在基坑樁頂布置水平位移監(jiān)測點，監(jiān)測點距離約為20m?；娱_挖到基底后連續(xù)監(jiān)測7d，每天1次，位移穩(wěn)定以后每3～7d監(jiān)測1次，直至基坑回填。整個施工過程中如出現(xiàn)異常情況或位移不穩(wěn)定時，需增加監(jiān)測次數(shù)。土方開挖和結(jié)構(gòu)施工期間采取有效的降排水措施，基坑邊砌擋水臺，防止場區(qū)雨水灌入基坑，基坑內(nèi)設(shè)排水溝和集水井，收集坑內(nèi)雨水，潛水泵抽水。

5)采用互聯(lián)網(wǎng)+遠程移位監(jiān)測系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動化、實時化和標準化，對移位過程中建筑物結(jié)構(gòu)變形、位移、裂縫變化等數(shù)據(jù)能實現(xiàn)自動實時采集，并按照標準格式進行存儲。監(jiān)測系統(tǒng)應能夠以直觀化的圖表形式對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時處理，并分析、判斷數(shù)據(jù)的可信度和數(shù)據(jù)代表的工程風險程度。遠程監(jiān)測系統(tǒng)可通過互聯(lián)網(wǎng)、手機短信等多種方式發(fā)布監(jiān)測信息和預警信息，使相關(guān)單位在第一時間能獲取數(shù)據(jù)信息，及時掌握結(jié)構(gòu)的安全狀況。

平移采用PLC移位計算機控制技術(shù)，精確控制各點的位移距離，通過反饋的位移信號自動精確調(diào)整各點位移量，保證整體位移協(xié)調(diào)和動態(tài)平衡，控制精度控制在2mm以內(nèi)，確保建筑物的線形及空間變形在彈性范圍內(nèi)變化。

6)由于下滑道的找平精度完全靠土建措施很難滿足要求，平移必須采用液壓懸浮滑動平移方式。當滑道不平整時，通過豎向千斤頂?shù)淖詣由扉L或縮短適應滑道的平整度，保證上部結(jié)構(gòu)的水平(最大調(diào)整高度±40mm)，從而避免由于下滑道不平整產(chǎn)生強制位移，而導致房屋損壞。

3 基于BIM技術(shù)的施工模擬

3.1 計劃安排與結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)項目施工流程編制相應的施工工期計劃表，在Project軟件內(nèi)生成橫道圖，并對施工進度進行合理安排調(diào)整。在進行施工模擬之前，首先需要建立3D模型，并導入結(jié)構(gòu)信息，而后才可將施工進度安排附加至模型中形成4D模型，進行施工模擬。廈門后溪平移工程項目在制定了確切的平移方案以及施工總進度計劃設(shè)計之后，即可進行建筑結(jié)構(gòu)建模，建模采用Revit軟件。使用Revit建立的爆炸模型如圖1所示，從圖中可以更加清晰并且直觀地看到結(jié)構(gòu)的細部狀況以及各結(jié)構(gòu)之間的連接情況。

圖1 平移結(jié)構(gòu)爆炸模型

在3D建模完成之后，還需要對建立的模型進行系統(tǒng)性檢查以及可行性分析，確保模型的正確性，為接下來的施工模擬提供可靠保障。

3.2 施工過程模擬

將從Revit導入的3D模型以及從Project導入的施工進度計劃圖進行一一關(guān)聯(lián)，制作成施工動畫，模擬每道施工工序，同時在右上角顯示相應的時間參數(shù)，有助于進行實際施工進度比較驗證完成情況。觀看模型的演示能夠更為直觀地發(fā)現(xiàn)原施工進度計劃中存在的可完善之處，并進行方案改進。在制作的施工模擬動畫中，可以更為簡單地對整體施工規(guī)劃有清晰認識，檢查各部件運動是否會產(chǎn)生沖突。

在平移項目第1次施工模擬中，結(jié)合施工進度規(guī)劃可以得出施工塔式起重機設(shè)置過多的結(jié)論，在施工中設(shè)置多余的塔式起重機會造成施工進度的延誤。將原來的6座塔式起重機減少到4座，將減少的2座塔式起重機替換為汽車式起重機。修改塔式起重機不僅減少了資源消耗，降低了工程造價，而且節(jié)約了設(shè)置以及拆除塔式起重機的時間，縮短了工期。

1)階段1(見圖2a) 2018年3月29日開始接收現(xiàn)場，進行測量放線，場地平整、圍擋、臨水臨電接駁、現(xiàn)場臨建施工；勘察單位進場進行勘察作業(yè)，4月20日開始基坑支護設(shè)計和樁基設(shè)計；6月6日—6月16日對原汽車站主站房結(jié)構(gòu)進行檢測；4月13日—5月9日，根據(jù)勘察結(jié)果，進行平移方案和改擴建方案設(shè)計、論證以及施工圖設(shè)計、報審。

2)階段2(見圖2b) 5月28日開始基坑支護體系施工，包括圍護樁、止水帷幕、降水井等；6月7日開始基礎(chǔ)樁施工；6月10日開始主站房地下2層非承重結(jié)構(gòu)及相關(guān)影響的設(shè)備、管線拆除。

3)階段3(見圖2c) 3月29日開始土方開挖作業(yè)；10月28日開始主站房與發(fā)車平臺地上地下結(jié)構(gòu)切割分離；10月5日開始抗拔錨桿及底板基礎(chǔ)施工。

4)階段4(見圖2d) 11月24日開始新建地下室底板及扇形平移區(qū)域滑道梁施工；10月5日完成原址地下2層滑道梁施工；12月17日完成抱柱梁、托換鋼桁架及滑動、頂推裝置施工；2019年2月21日完成地下2層墻、柱切割分離，進入主站房平移施工。

5)階段5(見圖2e) 2019年2月22日開始主站房平移施工，并確保于2019年3月31日前平移到位。

6)階段6(見圖2f) 2019年4月1日開始主站房新舊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)連接；2019年9月25日開始新建地下、地上結(jié)構(gòu)施工，并于2020年2月28日完成驗收；2019年11月16日開始地下室防水施工、土方回填施工。

7)階段7(見圖2g) 2019年10月20日開始裝飾裝修、機電安裝；2020年3月15日開始室外工程施工；2020年5月12日完成機電系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。

8)階段8(見圖2h) 2020年4月29日開始各專項驗收及項目整體預驗收；2020年6月30日完成項目竣工驗收。

圖2 最終施工模擬方案工序

3.3 施工碰撞檢查

對復雜施工進行動畫漫游能夠?qū)κ┕み^程中的關(guān)鍵部位進行細致查看，在進行碰撞檢查后，確保各部位構(gòu)件不會發(fā)生重疊碰撞，或距離小于安全距離。同時為使施工進度展示簡單明了，特設(shè)置1條觀摩路線，供甲方進行施工模擬觀摩。在對工程進行碰撞檢查后，并無發(fā)現(xiàn)問題，說明3D建模以及工程施工模擬的準確性得到保證，不會出現(xiàn)因為結(jié)構(gòu)尺寸計算錯誤造成模型結(jié)構(gòu)重疊碰撞，為實際施工提供了安全保障。

4 實際施工進度比較分析

在實際施工過程中，因不可抗力因素影響以及業(yè)主的自身原因，施工竣工時間推遲至2020年6月30日，總工期825天，同時，對施工進度模擬進行相應計劃修改。

實際施工建設(shè)階段起止時間如表1所示。將各階段時間與施工模擬動畫及對應時間進行比較，可以發(fā)現(xiàn)，各階段開始及完成時間，基本在動畫演示范圍之內(nèi)，由此看來施工模擬對實際施工階段預測有較好的模擬效果。

表1 實際施工階段時間

5 結(jié)語

5.1 結(jié)論

相較于傳統(tǒng)施工進度計劃控制，在施工模擬中運用BIM技術(shù)有以下優(yōu)點。

1)將信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為動畫施工圖，易于信息獲取 將局限于2D圖紙與文字的施工計劃安排與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D施工模擬過程，達到了信息可視化的效果，使信息更易理解，與他人進行信息交互更為簡便。

2)對發(fā)現(xiàn)問題與改進措施有更好效果 傳統(tǒng)施工管理模式僅僅為施工管理理論的應用，對于施工方案完善沒有較大幫助，通過BIM技術(shù)進行施工模擬則可通過動畫清晰展示施工過程并采取針對性改進措施，科學制定更為詳細的施工方案，以達到節(jié)約資源、降低造價、縮短工期的目的。

3)提供更為可靠的技術(shù)支持 對施工進行碰撞檢查漫游，能夠?qū)?nèi)部結(jié)構(gòu)進行更為細致的檢查，查看是否會發(fā)生模型碰撞，提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的安全問題并提前制定措施，以保證在施工時不會出現(xiàn)類似情況。

5.2 展望

1)由于理論知識與研究方法的不夠充分，對于施工模擬技術(shù)的研究存在些許漏洞，需要補充相應的理論知識與實踐經(jīng)驗，方可對漏洞進行修正。

2)本文僅僅介紹了BIM技術(shù)在施工模擬中的應用。貫穿于整個建筑周期中，BIM技術(shù)仍有許多應用方面需要進行深入研究。