大跨度鋼結(jié)構(gòu)BIM綜合測(cè)量技術(shù)

施 勇 王宏浩 蔡 毅

(中國(guó)建筑第二工程局有限公司，合肥 230000)

引言

隨著國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，各種大型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于外界環(huán)境等因素的影響，鋼結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)產(chǎn)生損傷積累和抗力衰減。要保障這些大型鋼結(jié)構(gòu)的正常使用，對(duì)其安全狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。尤其是隨著大型展館的建設(shè)日趨增加，結(jié)構(gòu)形式多樣化，對(duì)測(cè)量工作要求的精確度也越來(lái)越高。鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量嚴(yán)重影響著整個(gè)工程的結(jié)構(gòu)，而測(cè)量成果的精準(zhǔn)度將直接影響鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量和施工的進(jìn)度。因此，利用BIM技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相結(jié)合的方式是保證現(xiàn)場(chǎng)工程進(jìn)度的重要原因，同時(shí)可以利用BIM技術(shù)對(duì)場(chǎng)地受限的工程使用臨時(shí)小坐標(biāo)系拼裝鋼結(jié)構(gòu)。本文的測(cè)量方法和BIM技術(shù)的應(yīng)用為同類工程提供了借鑒作用。

1 工程概況

合肥濱湖國(guó)際會(huì)展中心作為綜合性展館，為大跨度張弦桁架[1]結(jié)構(gòu)體系。綜合展館主體結(jié)構(gòu)平面尺寸為190m×170m，總面積約3.2 萬(wàn)m2，最高點(diǎn)建筑高36m； 展廳為單層，室內(nèi)凈高為18m，夾層部分建筑高度不超過(guò)24m，主體高度為35.2m； 總體一層，局部二夾層； 鋼結(jié)構(gòu)包括有鋼管柱、H 型鋼梁、管桁架、鋼支撐、鋼拉索撐桿、倒三角抗風(fēng)柱以及懸挑弧形外檐。標(biāo)準(zhǔn)展館采用臥式拼裝、翻轉(zhuǎn)吊裝的方式，彌補(bǔ)了場(chǎng)地受限的缺點(diǎn)，加快了現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)度。綜合展館效果圖如圖1所示。

圖1 綜合展館效果圖

2 工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

(1)工程占地面積大，在城市繁華地段，可利用面積小

本工程基礎(chǔ)為承臺(tái)框架梁基礎(chǔ),上部結(jié)構(gòu)為純鋼結(jié)構(gòu)，場(chǎng)館占地面積大,為國(guó)內(nèi)同類型場(chǎng)館第一大跨度。本工程二期工程在繁華地段，可利用面積有限，且測(cè)量精度要求高，只有建立小坐標(biāo)系[2]輔助完成地下的拼裝，才能充分利用有限空間,解決各單體同步施工安裝的工作;

(2)跨度大，豎向鋼柱對(duì)接焊次數(shù)多，累計(jì)偏差要求小

單榀桁架最大跨度為144m，一端為固定支座，另一端為可移動(dòng)支座，水平調(diào)節(jié)偏差為0.04m，因此在地面拼裝時(shí)的誤差和工廠構(gòu)件的尺寸必須控制在可允許的范圍內(nèi)； 豎向鋼柱為三節(jié)柱對(duì)接焊而成，根據(jù)規(guī)范單節(jié)柱允許偏差H/1000，且小于0.01m，柱全高允許偏差小于0.035m。如何定位、如何控制焊接偏差，都需要提前做好分析；

(3)倒三角抗風(fēng)柱，圓弧桿件較多，外形順滑，平整度要求高

東西立面為倒三角形，且為三節(jié)對(duì)接立焊，上部為懸挑形態(tài)，在傳統(tǒng)CAD軟件中無(wú)法直接獲取三叉單節(jié)柱管頂坐標(biāo)與標(biāo)高，需要繁雜的計(jì)算過(guò)程才能獲得數(shù)據(jù)。南北立面為圓弧形桿件和外挑圓弧組合而成，對(duì)工廠要有桿件弧度一致要求，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝要有成型面一平的要求。

如何利用BIM在三維圖形中的優(yōu)勢(shì)解決現(xiàn)場(chǎng)空間測(cè)量定位的難題，是本項(xiàng)目測(cè)量精度控制的一大應(yīng)用。

3 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

(1)BIM測(cè)量應(yīng)用目標(biāo)

作為工程技術(shù)手段，解決在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中出現(xiàn)的測(cè)量問(wèn)題，提高工程的建設(shè)質(zhì)量和縮短建設(shè)周期。

(2)實(shí)施方案

在本項(xiàng)目單體施工開(kāi)始前，制定了完整的BIM測(cè)量實(shí)施方案，包括地面上小坐標(biāo)系的桁架的分段拼裝深化圖紙、高空中分段吊裝的定位坐標(biāo)以及外懸挑圓弧的分節(jié)點(diǎn)復(fù)核深化。

(3)團(tuán)隊(duì)組織

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，施工總承包方中國(guó)建筑第二工程局有限公司、專業(yè)分包方中建科工集團(tuán)有限公司均組織了專項(xiàng)BIM團(tuán)隊(duì)，一起相互協(xié)作，將設(shè)計(jì)BIM模型轉(zhuǎn)換為施工BIM模型，在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用BIM技術(shù)解決測(cè)量難題，輔助各方協(xié)調(diào)，真正做到BIM技術(shù)為項(xiàng)目服務(wù)。

(4)BIM軟件配置

本項(xiàng)目的BIM軟件以Autodesk Revit 2016作為主要的BIM建模軟件平臺(tái)，以Tekla作為鋼結(jié)構(gòu)深化建模軟件，以Autodesk Naviworks Manage 2016作為模型整合與瀏覽軟件，以Autodesk 3ds Max作為測(cè)量數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

4 施工階段BIM應(yīng)用

4.1 場(chǎng)內(nèi)平面控制網(wǎng)的建立

(1)現(xiàn)場(chǎng)踏勘

根據(jù)建筑坐標(biāo)圖紙現(xiàn)場(chǎng)踏勘，再結(jié)合場(chǎng)平布置圖，選擇無(wú)材料堆放區(qū)，地勢(shì)較高，相互通視視野開(kāi)闊，土質(zhì)較堅(jiān)實(shí)，無(wú)車輛過(guò)往的地點(diǎn)作為控制點(diǎn)如圖2所示的位置。

(2)控制點(diǎn)制作

選用L型鋼筋，長(zhǎng)度約為1m，挖機(jī)挖一個(gè)深度為1m、長(zhǎng)和寬均為80 cm的坑，采用C20混凝土澆筑，經(jīng)過(guò)兩天的觀察監(jiān)測(cè)，直到不發(fā)生沉降和位移為止，在鋼筋頭刻十字絲，開(kāi)始做閉合導(dǎo)線的精準(zhǔn)測(cè)量[3]。

(3)數(shù)據(jù)導(dǎo)出

將測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)線閉合差計(jì)算，滿足一級(jí)控制網(wǎng)要求，如圖2所示，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 場(chǎng)內(nèi)一級(jí)控制網(wǎng)布置點(diǎn)位圖

圖3 閉合導(dǎo)線及平差計(jì)算

4.2 綜合展館地面立式拼裝

(1)BIM模型定位

基于BIM模型中拼裝胎架的定位，在場(chǎng)內(nèi)選取硬化過(guò)的區(qū)域且監(jiān)測(cè)改區(qū)域沉降穩(wěn)定位置。建立與BIM模型中相同的小坐標(biāo)系，依次定位出立式胎架放置鋼管的支撐點(diǎn)，通過(guò)火焰切割調(diào)整出符合BIM中的標(biāo)高位置，為后續(xù)的工作做好標(biāo)準(zhǔn)化模板[1]，如圖4～圖5所示。

圖4 拼裝胎架效果圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)立式拼裝胎架圖

(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

地面桁架的整榀預(yù)拼裝是基于BIM模型中每一段鋼管的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和標(biāo)高進(jìn)行定位，需要利用全站儀實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量調(diào)節(jié)[2]，直至達(dá)到設(shè)計(jì)中的坐標(biāo)與標(biāo)高，可大大節(jié)省內(nèi)頁(yè)計(jì)算人員時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量拼裝的進(jìn)度[3]，如圖6所示。

圖6 桁架分段預(yù)拼裝完成圖

(3)支撐胎架

安裝胎架由8段支撐體系組成，每4段支撐的高低各不同，胎架標(biāo)高精度直接影響成型后的整榀桁架的精度，胎架的定位和垂直度也直接影響桁架成型后的美觀度。利用BIM得出相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)支撐體系[4]，可有效地控制結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中的變形，如圖7～圖8所示。

圖7 BIM模型支撐胎架圖

圖8 分段吊裝現(xiàn)場(chǎng)展示圖

(4)高空成型

八段分段桁架在高空支撐胎架中拼接成一整榀桁架，支撐胎架的定位精度直接影響到預(yù)起拱值(L/800)。桁架卸載[5]值落位在允許調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的精度(0.04m)，焊接變形等一系列的數(shù)值，如圖9所示。

圖9 拼裝完成的整榀桁架圖

(5)撐桿安裝、拉索張拉

通過(guò)BIM技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行施工工況，預(yù)先在樓板彈好拉索的正投影和桁架撐桿的對(duì)接定位，要求達(dá)到整體撐桿垂直度(1/1000)且整體完成后在統(tǒng)一線上，索球的螺栓連接面統(tǒng)一向上，如圖10所示。

圖10 撐桿與拉索展示圖

4.3 地面臥式拼裝

(1)BIM建模

在本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)展館跨度最大跨度72m，可采用地面整體拼裝、整體吊裝的方式進(jìn)行施工，整體拼裝時(shí)充分發(fā)揮了BIM模型的優(yōu)勢(shì)。利用BIM平臺(tái)與相關(guān)各方就結(jié)構(gòu)施工采用最精準(zhǔn)高效的方法施工，臥式拼裝[6]無(wú)疑是最好的方案。

(2)BIM深化

根據(jù)BIM深化設(shè)計(jì)胎架分段圖紙，分別定出分段弧形的中線。通過(guò)校正拼裝胎架，進(jìn)行測(cè)量拼裝胎架的標(biāo)高，并隨著線錘配合桿件吊裝到位，實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量焊接產(chǎn)生的應(yīng)力變形(≤0.005m)，從而精確測(cè)量拼裝胎架的標(biāo)高，如圖11所示。

圖11 BIM模擬圖形展示

(3)現(xiàn)場(chǎng)拼裝控制措施

地面拼裝完成就是整體的成型效果，因此，對(duì)地面的質(zhì)量要求把關(guān)要嚴(yán)苛，且要符合BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出的數(shù)值。首先，地面放樣的弧形節(jié)點(diǎn)控制點(diǎn)需要清晰，復(fù)核弧形控制點(diǎn)與設(shè)計(jì)值要一致； 其次，H型鋼支撐橫桿的標(biāo)高復(fù)核[7]要符合上弦桿之間距離及上弦桿至下弦桿之間的距離，拼裝時(shí)要利用線錘控制各節(jié)點(diǎn)的焊接位置，全站儀復(fù)核整體焊接變形控制在可允許范圍內(nèi)(0.02)； 最后，履帶吊吊裝至支座上時(shí)，要跟蹤測(cè)量桁架是否就位，一段就位后再調(diào)整另外一邊直至桁架安裝完成，此時(shí)也要復(fù)測(cè)桁架的下?lián)献冃?，控制在可允許范圍內(nèi)(L/ 800)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝如圖12所示。

圖12 臥式拼裝完成的桁架圖

(4)桁架翻身吊裝

受場(chǎng)地小的限制，利用倒退式吊裝翻身桁架的施工模式[8]，對(duì)拼裝完成的桁架進(jìn)行吊裝到位； 桁架吊裝前預(yù)先貼6個(gè)反光片至焊接節(jié)點(diǎn)上，在整榀焊接完成后，用260T履帶吊脫胎，吊裝至2臺(tái)13t板車，更換至兩上弦桿的吊點(diǎn)，測(cè)量人員持續(xù)跟蹤測(cè)量至桁架吊裝至支座上(≤0.04m)，如圖13所示。

圖13 倒退式桁架翻身吊裝

4.4 鋼柱安裝測(cè)量

(1)控制變形

在鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)為承重鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自重變形以及平臺(tái)區(qū)域大跨度結(jié)構(gòu)變形相對(duì)較大，施工時(shí)必須設(shè)置合理的臨時(shí)支撐體系[9]，確保結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中的變形為最小，以免安裝累積變形導(dǎo)致鋼柱傾斜及平臺(tái)構(gòu)件無(wú)法精確定位。利用BIM模型輸出相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)支撐體系設(shè)置，可有效控制結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中的變形。

(2)現(xiàn)場(chǎng)校正

利用全站儀的懸高測(cè)量原理去測(cè)量每個(gè)螺栓的標(biāo)高，進(jìn)行調(diào)節(jié)和定位； 在螺栓焊接時(shí)需利用全站儀跟蹤測(cè)量，在混凝土澆筑前還需復(fù)核一次，以防人為走動(dòng)而破壞了原先調(diào)節(jié)好的螺栓； 在混凝土澆筑完畢后，進(jìn)行最后一次的坐標(biāo)和標(biāo)高測(cè)量，以防出現(xiàn)較大誤差，如圖14所示。在安裝鋼柱前，先在混凝土面上放樣柱子“十字”交叉線，鋼柱吊裝就位后，確保鋼柱的柱中線與“十字”交叉線重合； 在安裝完成后，使用經(jīng)緯儀復(fù)核鋼柱的垂直度[10]； 二節(jié)柱及以上鋼柱的測(cè)量鋼柱； 在二節(jié)柱吊裝就位后，需要檢查本節(jié)鋼柱與一節(jié)柱接口是否錯(cuò)位，工人手持小型棱鏡，利用全站儀對(duì)鋼柱上的耳板(“十字”交叉中線)進(jìn)行測(cè)量校正，再利用千斤頂對(duì)偏位的鋼柱進(jìn)行調(diào)整，后續(xù)需要對(duì)標(biāo)高進(jìn)行校正； 依據(jù)本節(jié)柱的實(shí)際長(zhǎng)度偏差值和一節(jié)柱的柱頂標(biāo)高確定本節(jié)柱的調(diào)整值，再次利用千斤頂調(diào)節(jié)標(biāo)高，鋼柱軸線調(diào)整就位后利用耳板零時(shí)固定； 利用已經(jīng)平差過(guò)的控制點(diǎn)對(duì)鋼柱整體的柱頂軸線和標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核，以復(fù)核相關(guān)規(guī)范的要求； 在焊接完成后，通過(guò)全站儀測(cè)量本節(jié)柱的軸線和標(biāo)高偏差值，將數(shù)據(jù)收集整理后報(bào)監(jiān)理驗(yàn)收，為下節(jié)柱的安裝和測(cè)量校正提供依據(jù)，如圖15所示。

圖14 預(yù)埋螺栓BIM工況模擬圖

圖15 鋼柱安裝BIM模擬調(diào)節(jié)

4.5 倒三角抗風(fēng)柱拼裝及定位

(1)模型輸出

針對(duì)構(gòu)造復(fù)雜的鋼構(gòu)模塊，需要提前規(guī)劃和模擬好現(xiàn)場(chǎng)的拼裝測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)于體量重、構(gòu)造節(jié)點(diǎn)多的問(wèn)題，需要多個(gè)支撐節(jié)點(diǎn)來(lái)輔助拼裝，以免發(fā)生變形，同樣需要BIM模型輸出相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)支撐體系設(shè)置。

(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

支撐體系的現(xiàn)場(chǎng)定位，通過(guò)建立臨時(shí)坐標(biāo)系，后方交會(huì)法進(jìn)行每次拼裝的測(cè)量，在不發(fā)生沉降變形后開(kāi)始抗風(fēng)柱的安裝。由于是兩節(jié)鋼管對(duì)接拼裝而成，故需要對(duì)單節(jié)柱的定位要求精度高。通過(guò)各個(gè)管口的最高點(diǎn)進(jìn)行定位和標(biāo)高調(diào)整，直至整榀桁架的拼裝完成復(fù)核各管口節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)在允許范圍內(nèi)(≤0.005)，如圖16所示。

(3)節(jié)點(diǎn)輸出

倒三角抗風(fēng)柱的吊裝拼裝是一項(xiàng)難度較大的施工工序，且風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高，對(duì)接難度大； 整體由三段對(duì)接完成，且為外懸挑狀態(tài)，頂部為圓弧懸挑檐，因此，對(duì)每一道前置的拼裝工作都必須控制在允許的誤差范圍內(nèi)(0.005)； 對(duì)每一個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)都需要在BIM模型中選取節(jié)點(diǎn)突出、測(cè)量方便的點(diǎn)構(gòu)成，如圖17所示。

圖16 抗風(fēng)柱地面拼裝圖

5 結(jié)論

本項(xiàng)目的BIM技術(shù)應(yīng)用在測(cè)量工作中，利用BIM模型可直接獲取每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)和施工工藝，遵循以“加工精度控制安裝精度”的原則，通過(guò)BIM技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行施工模擬測(cè)量，可在虛擬空間中模擬各種實(shí)際施工方案中可能隱藏的問(wèn)題，提前做出調(diào)整和優(yōu)化，避免實(shí)際施工中對(duì)項(xiàng)目實(shí)施造成不利影響，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、集成和可視化的4D施工管理，達(dá)到“精細(xì)化管理”的目標(biāo)。