BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)超高層空中連廊的應(yīng)用

夏呈馳 于兆波 李文虎 劉兆旭

【摘要】利用BIM技術(shù)，通過現(xiàn)有設(shè)計(jì)圖紙建立了項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)BIM模型。在建立BIM模型過程中，收集、整理圖紙問題提交設(shè)計(jì)院，輔助圖紙會(huì)審的進(jìn)行。通過對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，拆分鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、深化梁柱節(jié)點(diǎn);編制合理的專項(xiàng)施工方案;對(duì)連廊提升進(jìn)行安全驗(yàn)算。達(dá)到節(jié)省工期、節(jié)約施工成本以及保障施工安全的目的。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù);鋼結(jié)構(gòu);空中連廊;工程應(yīng)用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.28.071

1、引言

鋼結(jié)構(gòu)空中連廊是工程項(xiàng)目的一個(gè)重難點(diǎn)，解決其施工難、體量大、提升高度大是項(xiàng)目部長久以來圍繞的話題。以國家（威海）創(chuàng)新中心項(xiàng)目為例，鋼結(jié)構(gòu)空中連廊施工廣受社會(huì)關(guān)注，空中連廊的提升不容有失，通過公司層面的幫助，最終決定采用BIM技術(shù)來解決現(xiàn)場(chǎng)施工難題。BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目已廣泛應(yīng)用[1]，同時(shí)在公司內(nèi)部也已推廣開來，通過Revit建立建筑結(jié)構(gòu)模型與Tekla鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行整合，深化整合節(jié)點(diǎn)、模擬連廊拼裝提升，確保空中連廊能夠安全、穩(wěn)定的提升至指定位置[2]。

2、工程概況

國家（威海）創(chuàng)新中心工程總建筑面積273721.58㎡，其中地下建筑面積55428.37㎡，地上建筑面積217473.41㎡，建筑用地面積79688㎡。鋼結(jié)構(gòu)主要分布在2#樓，2#樓結(jié)構(gòu)形式為型鋼混凝土框架+核心筒結(jié)構(gòu)，地下1層，地上裙樓4層，A、B塔樓32層，建筑總高：148.5m。鋼結(jié)構(gòu)連廊跨度60.9m，自身高度12.6m共3層，總重量約為1800t，提升高度至115.45m，由2榀縱向主桁架和其間次梁結(jié)構(gòu)組成。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型主要有十字型勁性鋼柱，H型勁性鋼柱，箱型鋼梁，連廊異形節(jié)點(diǎn)等。

3、BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 模型建立

利用BIM技術(shù)，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容，根據(jù)建筑施工圖，結(jié)構(gòu)施工圖進(jìn)行可視化模型設(shè)計(jì)，讓項(xiàng)目各參與方對(duì)建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段細(xì)節(jié)了如指掌，結(jié)合建設(shè)單位，設(shè)計(jì)單位，監(jiān)理單位的意見和想法，建立鋼結(jié)構(gòu)模型，完善模型中構(gòu)件截面，并對(duì)軸線以及標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核。讓各參與方進(jìn)一步加深對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過程中的理解。圖1為鋼結(jié)構(gòu)模型。

3.2 深化設(shè)計(jì)

利用Tekla軟件建立BIM模型，確定分段位置，對(duì)每根構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，確認(rèn)構(gòu)件截面，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化處理，明確節(jié)點(diǎn)連接處詳細(xì)構(gòu)造，初步確定工程量。在現(xiàn)場(chǎng)施工有難度時(shí)，及時(shí)開會(huì)討論出優(yōu)化方案，修改鋼結(jié)構(gòu)深化出圖，給設(shè)計(jì)院報(bào)審。提前解決現(xiàn)場(chǎng)施工問題，保證進(jìn)度。項(xiàng)目目前已開展多次專項(xiàng)討論會(huì)，效果明顯。

如圖6原設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)模型重達(dá)35.4噸，構(gòu)件體量大，運(yùn)輸及吊裝困難，經(jīng)深化拆分后分解為4個(gè)節(jié)點(diǎn)模型如圖7，大大減少施工難度，也解決了構(gòu)件加工難題，降低了材料浪費(fèi)，提高了現(xiàn)場(chǎng)安裝速度。

綜合考慮構(gòu)件工廠預(yù)制化[3]、運(yùn)輸、安裝等多個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分段分節(jié)，根據(jù)細(xì)化后的模型，選擇構(gòu)件如圖8，用BIM技術(shù)生成圖紙（構(gòu)件圖、零件圖以及布置圖等）如圖9。最后調(diào)整圖紙，即可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工和工廠構(gòu)件加工，通過提前出圖、提前利用數(shù)控機(jī)器進(jìn)行精確加工保證鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件不間斷進(jìn)場(chǎng)，節(jié)省工期。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)空中連廊安全性驗(yàn)算

利用Midas gen2020安全計(jì)算軟件對(duì)鋼構(gòu)模型及連廊提升過程進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析計(jì)算，對(duì)受力不利位置，確定增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方案，檢測(cè)完成后與設(shè)計(jì)溝通確認(rèn)參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。

鋼連廊在其正下方投影向北偏700mm的地方放置，考慮鋼連廊起提時(shí)的應(yīng)力及變形及鋼連廊自身發(fā)生的單擺運(yùn)動(dòng)。通過施工模擬可以有針對(duì)性的制定連廊提升安全方案，制定安全措施[4]。圖10為連廊起提應(yīng)力云圖，圖11為塔樓變形云圖。

利用Midas gen2020軟件對(duì)連廊安裝后拼裝胎架對(duì)裙房頂?shù)膽?yīng)力驗(yàn)算，裙房懸臂梁受力情況分析如圖12。對(duì)懸臂梁回頂胎架進(jìn)行施工驗(yàn)算，了解其變形及應(yīng)力變化，優(yōu)化回頂方案如圖13。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)空中連廊施工模擬

國家（威海）創(chuàng)新中心項(xiàng)目在2#樓AB兩棟塔樓26到29層之間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)連廊，連廊由兩榀縱向主桁架和其間次梁結(jié)構(gòu)組成。連廊長60.9m，高12.6m，總重量1800t，提升高度至115.450m。連廊提升采用超大型構(gòu)件液壓同步提升技術(shù)施工，利用3D MAX軟件對(duì)連廊提升進(jìn)行施工模擬如圖14。

連廊提升施工工藝流程：

第一步，采用BIM技術(shù)，Tekla軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連廊進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，建立三維模型，生成構(gòu)件加工圖;對(duì)塔樓內(nèi)超重節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深度優(yōu)化，合理劃分成若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工條件，分析復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，輔助方案編制與交底，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工;

第二步，主體結(jié)構(gòu)施工至連廊層時(shí)，連廊的預(yù)裝節(jié)點(diǎn)和鋼柱同步安裝。施工至提升位置時(shí)，安裝上吊點(diǎn)提升支架，提升支架由提升梁、斜拉桿、斜撐、上吊點(diǎn)牛腿、側(cè)向支撐桿及加固桿等組成，總共設(shè)置四個(gè)提升點(diǎn);

第三步，連廊構(gòu)件加工前實(shí)測(cè)實(shí)量塔樓預(yù)裝節(jié)點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整Tekla三維模型;

第四步，現(xiàn)場(chǎng)拼裝放線，將鋼連廊安裝位置投影在裙房頂板上，在向北側(cè)偏移70公分的位置放線并且把柱和頂板梁的位置畫出，在柱的位置放置墊片，根據(jù)放線及頂板梁架設(shè)拼裝胎架;拼裝鋼連廊，在拼裝胎架上按照由西向東，由北向南，由下至上的順序?qū)撨B廊中的節(jié)點(diǎn)和組合梁焊接連接成整體;

第五步，安裝提升裝置和下吊點(diǎn)臨時(shí)吊具，每個(gè)提升點(diǎn)配置兩臺(tái)TLJ-4500型液壓提升器，共八臺(tái)。下吊點(diǎn)安裝在連廊兩榀桁架的上方，在提升上下吊點(diǎn)之間安裝專用底錨、鋼絞線和傳感器;

第六步，試提升，液壓提升裝置逐級(jí)加載至100%，連廊向南緩慢滑動(dòng)70公分并離開拼裝胎架，穩(wěn)定后繼續(xù)提升200mm，靜置12小時(shí)，全面檢查提升裝置，檢測(cè)提升過程中應(yīng)力應(yīng)變的變化;

第七步，正式提升，繼續(xù)提升至連廊上弦桿上表面距離預(yù)裝牛腿下表面約200mm，暫停提升，各提升吊點(diǎn)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“微調(diào)、點(diǎn)動(dòng)”功能，使各提升吊點(diǎn)均達(dá)到設(shè)計(jì)位置，滿足對(duì)接要求;

第八步，鋼結(jié)構(gòu)連廊與主體結(jié)構(gòu)預(yù)裝段焊接連接，形成整體，安裝連接桿，安裝后裝段增加穩(wěn)定性;卸載，液壓提升器各吊點(diǎn)卸載，使鋼結(jié)構(gòu)自重轉(zhuǎn)移至主結(jié)構(gòu)上，拆除液壓提升設(shè)備。

結(jié)語：

綜上所述，BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用所取得的效果是顯著的，BIM技術(shù)通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工對(duì)成本、工期、安全、質(zhì)量四個(gè)方面全方位精細(xì)化管理。BIM技術(shù)的應(yīng)用比傳統(tǒng)方法大大減少了施工難度，同時(shí)提高現(xiàn)場(chǎng)施工的工作效率，為項(xiàng)目節(jié)省工期。隨著BIM技術(shù)廣泛推廣，BIM技術(shù)愈加成熟，對(duì)于超高層鋼結(jié)構(gòu)、空中連廊等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目帶來便利。BIM技術(shù)應(yīng)用范圍將越加廣泛，也將為施工企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，BIM（Building Information Modeling）終將走向每一個(gè)施工項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn)：

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[3]劉李，汪廷秀，孫飛.BIM技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理領(lǐng)域的應(yīng)用[J].建材世界，2019，40（01）：87-91.

[4]李凱，黃振邦，于培德.BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)施工方案優(yōu)選中的應(yīng)用[J].鋼結(jié)構(gòu)，2015，11： 88-93+82.

作者簡介：

夏呈馳（1996.01.18-），性別：男，籍貫：江西宜春，民族：漢族，職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：建筑工程、BIM技術(shù)應(yīng)用。

于兆波（1986.03.29-），性別：男，籍貫：山東威海，民族：漢族，職稱：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：建筑工程。

李文虎（1986.09.23-），性別：男，籍貫：江蘇徐州，民族：漢族，職稱：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：建筑工程。

劉兆旭（1995.11.20-），性別：男，籍貫：山東淮坊，民族：漢族，職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：建筑工程、BIM技術(shù)應(yīng)用。