基于BIM技術(shù)的鋼構(gòu)件制造與裝配

郭增鋒

山西四建集團(tuán)有限公司（030000）

鋼結(jié)構(gòu)工程在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)深度普遍不夠；需將設(shè)計(jì)進(jìn)行二次拆分，生成加工圖，在工廠加工完成后進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)安裝。利用BIM技術(shù)按照設(shè)計(jì)圖紙，調(diào)用“構(gòu)件庫(kù)”和“節(jié)點(diǎn)庫(kù)”進(jìn)行三維建模，錄入構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的參數(shù)信息，在利于構(gòu)件節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)的同時(shí)，還可利于鋼結(jié)構(gòu)工程的可視化與信息管理。在組裝階段為進(jìn)一步保證構(gòu)件的加工精度，應(yīng)進(jìn)行模擬精度校核，為現(xiàn)場(chǎng)安裝精度創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。

1 基于BIM技術(shù)的高精度制造技術(shù)

1.1 深化設(shè)計(jì)

選用TeklaStructures2018完成上部鋼結(jié)構(gòu)部分模型的建立工作，根據(jù)運(yùn)輸、吊裝設(shè)備等條件在軟件中對(duì)構(gòu)件進(jìn)行合理的分段，開發(fā)適用于項(xiàng)目的專用參數(shù)化節(jié)點(diǎn)，在Tekla中建立深化設(shè)計(jì)的模型?；銥檎越y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深化表達(dá)，深化設(shè)計(jì)完成后可利用軟件輸出部件加工圖、材料清單、零件清單等用于加工制作的報(bào)告。

1.1.1 模型及構(gòu)件規(guī)格庫(kù)的建立

首先在軟件中建立統(tǒng)一的軸網(wǎng)，結(jié)合軸網(wǎng)根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖紙中鋼梁、鋼柱、支撐及樓梯等部件的位置關(guān)系將整體模型建立起來(lái)。根據(jù)結(jié)構(gòu)所用的構(gòu)件規(guī)格在軟件中建立相應(yīng)的構(gòu)件規(guī)格庫(kù)，統(tǒng)一定義構(gòu)件前綴號(hào)（如將鋼柱定義為1－GZ*X，則表示該柱為編號(hào)為X的第一節(jié)鋼柱），以便后續(xù)軟件在自動(dòng)編號(hào)時(shí)能區(qū)分各構(gòu)件的名稱，使工廠加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝更合理方便、省時(shí)省工。校核軸網(wǎng)、鋼柱、鋼梁及支撐間的相互位置及坐標(biāo)是否準(zhǔn)確。

1.1.2 構(gòu)件分段及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)施工圖、構(gòu)件運(yùn)輸條件、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件及工藝等方面的要求，對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行合理分段。根據(jù)各種因素綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)樓中的鋼柱兩層分為一段，柱間鋼梁為一段。

在將鋼柱進(jìn)行合理的分段后，對(duì)節(jié)點(diǎn)的具體形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如內(nèi)置節(jié)點(diǎn)類型不能滿足要求，可以開發(fā)適用于項(xiàng)目的專用節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)所需節(jié)點(diǎn)進(jìn)行明確性的描述開發(fā)專用的參數(shù)化節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)選擇所需的節(jié)點(diǎn)形式，依次點(diǎn)擊鋼柱、鋼梁來(lái)完成對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的定義，根據(jù)梁柱節(jié)點(diǎn)上螺栓放置、焊縫設(shè)置等信息對(duì)節(jié)點(diǎn)屬性進(jìn)行修改，從而將梁柱節(jié)點(diǎn)的具體形式在模型中表達(dá)出來(lái)[1]。

1.1.3 模型校核及節(jié)點(diǎn)計(jì)算

由專人對(duì)模型的準(zhǔn)確性、節(jié)點(diǎn)的合理性及加工工藝等各方面進(jìn)行校核。運(yùn)用軟件中的校核功能對(duì)整體模型進(jìn)行校核，防止各鋼構(gòu)件間出現(xiàn)碰撞。通過(guò)模型的校核解決了設(shè)計(jì)圖節(jié)點(diǎn)沖突，提前解決安裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，使工程能夠順利施工。

1.1.4 構(gòu)件編號(hào)

模型校核后，運(yùn)用軟件中的編號(hào)功能對(duì)模型中的構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)。軟件將根據(jù)預(yù)先設(shè)置的構(gòu)件名稱，把同一種規(guī)格的構(gòu)件編號(hào)統(tǒng)一編為同一類，把相同的構(gòu)件合并編為同一編號(hào)。編號(hào)的歸類和合并更有利于工廠對(duì)構(gòu)件的批量加工，從而減少工廠的加工時(shí)間，同時(shí)有利于安裝，使操作人員更好地識(shí)別各構(gòu)件的安裝位置及安裝方向。

1.1.5 生成報(bào)表

使用Tekla生成報(bào)表的功能，可以根據(jù)需要生成不同類型統(tǒng)計(jì)信息的報(bào)表。使用狀態(tài)編號(hào)的功能，將已經(jīng)完成的一部分深化圖紙輸出用來(lái)指導(dǎo)制作，在項(xiàng)目趕工期階段非常方便。軟件可根據(jù)構(gòu)件類別、長(zhǎng)度等信息進(jìn)行統(tǒng)一的歸并處理，也可根據(jù)需求輸出構(gòu)件數(shù)量、用鋼量等關(guān)鍵信息。工廠應(yīng)根據(jù)生成的加工圖下料及制作構(gòu)件。

點(diǎn)擊生成報(bào)告按鈕，選擇meterial list為材料清單，選擇assembly list為構(gòu)件清單，選擇assembly_partlist為構(gòu)件零件表，選擇bolt list為螺栓清單。此外，軟件還提供了很多可供選擇的報(bào)表。如報(bào)表的信息不能滿足需要，還可以通過(guò)修改報(bào)表的模板來(lái)添加長(zhǎng)度、表面積等所需展示在清單中的信息。以第三節(jié)編號(hào)為A-3GZ-1的鋼柱為例介紹加工圖紙及材料表信息的輸出功能。

1.2 板件下料

利用Sino CAM數(shù)字化加工軟件，可從BIM模型中直接提取原始的加工數(shù)據(jù)信息，通過(guò)二次開發(fā)的企業(yè)物料數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用工廠的庫(kù)存物料信息進(jìn)行排版套料。利用BIM軟件進(jìn)行套料加工，可有效利用企業(yè)的庫(kù)存物料，達(dá)到節(jié)約經(jīng)濟(jì)的目的。

1.3 高精度組裝

在板件組裝階段，應(yīng)用搭載IN-CHECK檢測(cè)系統(tǒng)的高精度全站儀進(jìn)行相鄰連接點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，在IN-ANALY系統(tǒng)中進(jìn)行精度擬合，分析得出焊接間隙，提高構(gòu)件組裝精度。構(gòu)件出廠前，應(yīng)用IN-ASSEM軟件進(jìn)行安裝單元構(gòu)件的虛擬校核，提前在工廠進(jìn)行修正，提高結(jié)構(gòu)整體裝配精度。

2 施工模擬分析

高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)隨施工過(guò)程不斷變化且受力情況復(fù)雜，在不同的施工階段結(jié)構(gòu)的剛度、荷載等都不盡相同。目前，多數(shù)結(jié)構(gòu)工程師一般都不會(huì)將施工過(guò)程和施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的影響考慮到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)當(dāng)中。隨著工程的大型化、復(fù)雜化，不同的施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的影響都不容忽視。如果不對(duì)結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析，則會(huì)造成在施工過(guò)程中的受力及變形狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)差距較大，從而在施工階段就埋下了不安全隱患。

2.1 模型建立

2.1.1 材料定義

對(duì)于定義構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的材料屬性，Midas/Gen基于各國(guó)家及地區(qū)的規(guī)范、估算公式提供了豐富的材料選擇界面，同時(shí)也可以利用材料自身的屬性進(jìn)行指定，諸如材料的彈性模量、抗拉（壓）強(qiáng)度等級(jí)、線膨脹系數(shù)等都支持用戶自行輸入。

該工程混凝土標(biāo)號(hào)用到了C60、C30，鋼結(jié)構(gòu)部分主要應(yīng)用的鋼材有Q355。這些材料的設(shè)置都是采用軟件里的中國(guó)規(guī)范自動(dòng)定義的，結(jié)構(gòu)中選用的復(fù)合材料是根據(jù)材料的屬性用戶自定義設(shè)置的。其中鋼管混凝土材料通過(guò)軟件自帶的組合材料功能模塊定義。

2.1.2 截面定義

Midas/Gen內(nèi)置了豐富的截面選擇功能。較常使用的矩形、圓形、工字型截面，鋼管混凝土組合截面，型鋼組合截面，變截面等形式都可以通過(guò)軟件直接建立。若內(nèi)置截面滿足不了要求，也可使用軟件內(nèi)的小程序Midas/SPC進(jìn)行二次開發(fā)。

2.1.3 節(jié)點(diǎn)和單元定義

Midas/Gen中包括了梁?jiǎn)卧?、墻（板）單元、索單元、平面?yīng)力單元、桁架單元、只受拉單元等多種單元形式。文章中模型主要使用了梁?jiǎn)卧?，鋼管混凝土柱通過(guò)軟件中的擴(kuò)展功能建立，矩形支撐可以桁架單元或者釋放梁?jiǎn)卧獌啥藦澗剡M(jìn)行建立，本模型通過(guò)釋放梁?jiǎn)卧獌啥藦澗亟⒅螁卧?/p>

2.1.4 定義邊界條件

節(jié)點(diǎn)的約束和單元的約束是邊界條件的兩種約束形式，其中節(jié)點(diǎn)的約束是通過(guò)限制節(jié)點(diǎn)自由度、節(jié)點(diǎn)間彈性連接和支撐等幾種方式實(shí)現(xiàn)邊界約束條件。單元的約束則是通過(guò)剛度釋放、單元的端部偏移及剛性域等方式實(shí)現(xiàn)邊界約束條件。有限元結(jié)構(gòu)模型底部的邊界條件采用約束空間6個(gè)方向的自由度，通過(guò)約束節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)定義剛性連接。假定樓板平面剛度無(wú)限大，可忽略平面外的剛度，不考慮樓板對(duì)梁的剛度放大作用。

2.2 施工模擬分析結(jié)果

2.2.1 最大位移對(duì)比

由上述一次性加載與施工模擬分析的位移圖和梁?jiǎn)卧獞?yīng)力圖對(duì)比可知，一次性加載下，位移圖呈現(xiàn)出自底層至頂層逐漸增大的趨勢(shì)，位移最大出現(xiàn)在頂層位置。采用逐層加載的施工模擬加載法的位移圖則呈現(xiàn)出“中間層大，兩端小”的魚腹型變化趨勢(shì)，最大位移出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的中間層。這與分段加載法施工模擬理論相對(duì)應(yīng)[2]。

一次性加載下最大位移為47.56mm，施工模擬最大位移為24.05mm，差距為49.43%?？梢?，一次性加載與施工模擬加載的差距不容忽視。一次性加載法并未考慮實(shí)際施工過(guò)程中逐層找平的影響，與結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的真實(shí)情況并不符合。產(chǎn)生這種差距的主要原因有兩方面，一是荷載是一次性加載在結(jié)構(gòu)上的，每一層的荷載引起本層及以下層變形的同時(shí)也會(huì)引起上層結(jié)構(gòu)的變形。二是施工過(guò)程中，各層標(biāo)高沒有對(duì)下面樓層的變形進(jìn)行補(bǔ)償，此情況對(duì)樓層的實(shí)際標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高的差值也會(huì)產(chǎn)生影響。

2.2.2 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力對(duì)比

由于一次性加載過(guò)高地估計(jì)了構(gòu)件的內(nèi)力，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大，過(guò)高估計(jì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力則會(huì)導(dǎo)致在設(shè)計(jì)過(guò)程中截面材料的浪費(fèi)，因此建議將施工模擬成橋之后的內(nèi)力分析結(jié)果作為彈塑性分析的初始狀態(tài)。

2.2.3 主體鋼結(jié)構(gòu)支座反力對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，一次性加載與施工模擬得出的結(jié)構(gòu)支座反力具有明顯的數(shù)值差異。節(jié)點(diǎn)的彎矩對(duì)比差高達(dá)69.44%。初步分析認(rèn)為，過(guò)大的原因可能由于基數(shù)過(guò)小，一次性加載下節(jié)點(diǎn)僅有36kN·m，從而導(dǎo)致對(duì)比差數(shù)值較大。其余節(jié)點(diǎn)一次性加載與施工模擬的對(duì)比差在4.42%～22.14%。由對(duì)比數(shù)據(jù)可以得出，施工模擬較一次性加載，支座反力與彎矩均有偏小的情況。由于施工模擬是逐層加載的，更符合實(shí)際施工中的狀態(tài)。

2.2.4 鋼管混凝土柱豎向變形對(duì)比

施工過(guò)程中，豎向構(gòu)件的豎向位移對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件有著不利影響。過(guò)大的豎向變形會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力且引起墻板開裂、幕墻管道損壞及電梯受損問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)鋼管混凝土柱的豎向變形進(jìn)行研究是非常必要的。選取4根具有代表性的鋼管混凝土柱，在Midas/Gen中提取一次性加載與施工模擬豎向變形結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比分析。

由一次性加載與施工模擬豎向位移對(duì)比可知，鋼柱施工模擬加載下豎向變形均呈現(xiàn)出魚腹型變化趨勢(shì)，相對(duì)于一次性加載的豎向最大變形值均差在2倍左右。施工模擬加載制度下，中柱豎向變形值最大，角柱和邊柱豎向位移值相對(duì)較小。

可見，一次性加載與施工模擬加載計(jì)算得到的鋼柱豎向變形最大值發(fā)生的位置不同，最大豎向位移值差距均在2倍左右，最大截面柱的豎向變形相對(duì)較小，中間柱的豎向變形值較大。因此，在施工過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)中間柱及邊柱的豎向位移，并在施工過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行找平處理，對(duì)于大截面柱的豎向位移因結(jié)果偏小可以簡(jiǎn)單監(jiān)測(cè)。

2.2.5 豎向構(gòu)件預(yù)找平值計(jì)算

第i樓層段構(gòu)件的預(yù)找平值為:

式中:Δi——建筑竣工時(shí)第i樓層段構(gòu)件的豎向變形值；ωi——第i層荷載作用下引起的第i樓層段柱的豎向變形值；Δi——第i樓層段構(gòu)件的預(yù)找平值。

柱的ωi值經(jīng)計(jì)算得到的各柱預(yù)調(diào)平值見，δi及ωi可在Midas/Gen軟件中提取得到。

經(jīng)分析得出，柱的預(yù)找平值大致呈現(xiàn)出隨樓層號(hào)的增加而逐漸減小的趨勢(shì)。這表明各柱在結(jié)構(gòu)底部樓層的預(yù)找平值較大，隨樓層的升高呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，在結(jié)構(gòu)最頂層的預(yù)調(diào)平值最小或無(wú)需進(jìn)行找平。為方便施工，建議可不進(jìn)行找平工作。由于柱的預(yù)找平值相對(duì)較大，但每層的找平數(shù)值并不大，建議在構(gòu)件制作時(shí)可考慮分段進(jìn)行構(gòu)件下料長(zhǎng)度的調(diào)整。

3 基于BIM的垂直運(yùn)輸設(shè)備附著

考慮高層用塔吊型號(hào)較大、高度較高的情況，提前根據(jù)設(shè)備廠家提供的反力分析塔吊附墻對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，需要對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程安全可靠。通常采用的加固方式為連接位置鋼柱、鋼梁及上一層鋼梁之間加支撐，考慮到施工方便及用鋼量，可采用等邊角鋼進(jìn)行加固。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件基于BIM制作技術(shù)進(jìn)行研究，同時(shí)結(jié)合虛擬預(yù)拼裝系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)件制作階段的虛擬復(fù)核，提高了構(gòu)件制作精度，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)的逆向應(yīng)用，為鋼構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)快速裝配提供精度基礎(chǔ)，同時(shí)縮短了現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件驗(yàn)收時(shí)間。

通過(guò)分段加載法對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行施工模擬分析，對(duì)比一次性加載法與分段加載法下的節(jié)點(diǎn)位移、單元應(yīng)力及支座反力等指標(biāo)的差異，驗(yàn)證高層鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行施工模擬分析的必要性。選取具有代表型的鋼柱、角柱、邊柱、中柱，計(jì)算其各自的豎向變形并進(jìn)行分析研究，實(shí)現(xiàn)鋼構(gòu)件的高精度安裝。