BIM技術(shù)在莫比烏斯環(huán)狀鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

張立剛，張文斌，呂洋，賀斌，田瑞斌

（中建八局鋼結(jié)構(gòu)工程公司，上海 200125)

1 概述

中央美術(shù)學(xué)院青島校區(qū)以“莫比烏斯環(huán)”造型呈現(xiàn)的教學(xué)綜合樓是整個項目的精華所在。從空中俯視，它由兩個“8”組合而成，傳遞“循環(huán)往復(fù)”的整合理念（如圖1)。

圖1 教學(xué)樓莫比烏斯環(huán)效果圖

本工程鋼結(jié)構(gòu)主要分布在1#連橋、2#連橋，總噸位約1.7 萬t。1#連橋地下一層，地上五層，高度24m，三個交通體通過兩個跨層桁架連橋進(jìn)行連接，最大跨度60m。2#連橋地下一層，地上五層，高度24m，四個交通體通過四個跨層桁架連橋進(jìn)行連接，最大跨度73.5m。獨(dú)特的曲線外型，給項目的施工帶來巨大的挑戰(zhàn)。

2 BIM建構(gòu)邏輯規(guī)則

該項目以程序計算和幾何推理雙重的方法，建立項目的“建構(gòu)邏輯”規(guī)則以控制莫比烏斯型體的幾何數(shù)值和三維定向取值。莫比烏斯教學(xué)樓建筑形體的關(guān)鍵部位構(gòu)件在BIM 建構(gòu)邏輯規(guī)則下進(jìn)行邏輯劃分及數(shù)字性模型控制，運(yùn)用參數(shù)化技術(shù)建立了多路徑連線可控的設(shè)計深化與現(xiàn)場全方位建造信息反饋優(yōu)化路徑。實現(xiàn)了對中央美術(shù)學(xué)院青島校區(qū)項目莫比烏斯環(huán)狀復(fù)雜形體構(gòu)件精確性定位和幾何邏輯控制。

利用BIM 三維模型獲得確定控制點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，結(jié)合施工圖紙中的定位的坐標(biāo)、基準(zhǔn)控制點(diǎn)和實際尺寸進(jìn)行測設(shè)，避免了因工程造型復(fù)雜所產(chǎn)生的一柱六向復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)、9 700 余種構(gòu)件類型精確加工、20m 大懸挑結(jié)構(gòu)施工、單品重量60t 大型跨層桁架吊裝、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)分縫設(shè)計交叉作業(yè)、狹小空間異形鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝、鋼結(jié)構(gòu)流線型非等距懸挑連橋曲線梁精確空間綜合測量定位安裝等難題。通過可視化的BIM 技術(shù)模擬，只需要輸入一個日期即可獲得該時間點(diǎn)的工作面情況，給總承包管控提供了一個高效的綜合服務(wù)平臺。

3 BIM技術(shù)的深化設(shè)計應(yīng)用

3.1 莫比烏斯環(huán)建模

莫比烏斯環(huán)建模難度大，既要實現(xiàn)曲面流線造型，又得保證設(shè)計合理性與施工可行性。通過犀牛軟件建立復(fù)雜幾何模型，導(dǎo)入MIDAS 計算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使計算模型與實際工程的形體更一致，計算結(jié)果更精準(zhǔn)。

3.2 BIM可視化應(yīng)用

通過BIM 應(yīng)用采取可視化手段，進(jìn)行碰撞檢查、凈高協(xié)調(diào)、預(yù)留洞口設(shè)置、維修空間校核、管線排布優(yōu)化等技術(shù)措施，讓機(jī)電安裝、鋼結(jié)構(gòu)等設(shè)計工作得到高效開展。

3.3 鋼連橋難點(diǎn)剖析

曲面流線型鋼連橋高度8.6m，跨度達(dá)73.5m，桁架及構(gòu)件的選型布置難度大。主要采用樓面梁和斜撐形成的大桁架來抵抗豎向荷載，通過端部腹桿和底部斜桿，把豎向荷載傳給兩端下部鋼管混凝土柱。

3.4 滿足建筑功能

連廊部位為畫室，對自然采光和結(jié)構(gòu)空間布置的要求較高。把大桁架腹桿由十字交叉斜桿改為單斜桿，并設(shè)置通高天窗，減小結(jié)構(gòu)遮擋，提高采光性能。屋頂花園覆土厚達(dá)0.8m，需滿足荷載、建筑凈高、構(gòu)件變形的控制要求。滿足建筑室內(nèi)凈高要求、控制梁截面高度的前提下，通過改工字型梁為箱形梁、增加鋼梁截面寬度、翼緣厚度等措施滿足承載力要求。

3.5 圖紙深化

約束鋼管內(nèi)置型鋼不連續(xù)，且無支撐，該處鋼筋密集，對搭接板精度要求高，現(xiàn)場施工難度大。對搭接板和鋼筋套筒等用Tekla 進(jìn)行精細(xì)建模，確保搭接板和套筒位置準(zhǔn)確無誤，給現(xiàn)場施工節(jié)省30%的人力和物力成本。

3.6 消防管控

通過BIM 技術(shù)對地下室緊急疏散進(jìn)行反復(fù)模擬，有效的識別出人員聚集點(diǎn)，針對性的優(yōu)化調(diào)整，最終形成可靠的疏散方案。

4 BIM技術(shù)在施工管理的應(yīng)用

4.1 施工總平面布置

利用BIM 進(jìn)行臨時設(shè)施布置、大型機(jī)械設(shè)備選型等一系列問題的研討，為施工總承包順利實時奠定堅實的基礎(chǔ)。地下室的冷凍機(jī)組的吊裝需要科學(xué)的選擇路徑，合計機(jī)組規(guī)格尺寸和結(jié)構(gòu)。通過BIM 模擬反復(fù)優(yōu)化最確定預(yù)留洞口的具體位置和調(diào)運(yùn)方式。對地下室物料運(yùn)輸方案的策劃亦應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行虛擬空間的模擬，確定運(yùn)輸車輛的規(guī)格和路徑。通過BIM 模型和有限元軟件的結(jié)合計算出新建結(jié)構(gòu)的最大變形部位，并針對性地進(jìn)行現(xiàn)場檢測。對基坑拆除進(jìn)行客觀有效地分析和檢測。

4.2 現(xiàn)場管理應(yīng)用

BIM 模型優(yōu)化后，上傳至云端服務(wù)器，現(xiàn)場施工人員現(xiàn)場通過平板電腦八局EBIM、BIM360等操作，即可便捷地進(jìn)行模型查閱、問題標(biāo)記、模型測量、現(xiàn)場記錄等一系列工作，有效提高現(xiàn)場管理的效率。將測量機(jī)器人和模型無線連接，在模型上選取目標(biāo)點(diǎn)，移動機(jī)器人將進(jìn)行跟蹤定位，速度達(dá)60m/s，最終實現(xiàn)異形曲面鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和幕墻板塊空間三維坐標(biāo)精確定位。

4.3 對連橋沉降觀測數(shù)據(jù)的處理

以往得到檢測數(shù)據(jù)后，要參照監(jiān)測報警值與位移值進(jìn)行比對，而且要與第三方監(jiān)測單位的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比。利用現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)連橋圖紙和Revit、Tekla-BIM 軟件，以及建模細(xì)則和規(guī)范生成鋼結(jié)構(gòu)連橋Tekla 三維BIM 模型。Dynamo 將數(shù)據(jù)信息與鋼連橋模型進(jìn)行有效整合，使數(shù)據(jù)三維可視化。觀測數(shù)據(jù)與鋼連橋的位置一一對應(yīng)，從而直接體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)連橋變形情況，方便管理人員數(shù)據(jù)分析，做出更具針對性的方案，對工程拼裝、吊裝、安全防護(hù)措施布置實施起到積極推進(jìn)作用。

4.4 成本管控

通過Tekla 數(shù)字模型可視化算量等應(yīng)用，提高工程量計算、資源統(tǒng)計的工作效率，在此基礎(chǔ)上拓展BIM5D 應(yīng)用，通過數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)進(jìn)度、成本模擬，實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)＋BIM”有效互通；協(xié)助項目提前預(yù)知和化解各專業(yè)沖突等問題。利用EBIM 進(jìn)行施工模擬，同步進(jìn)行工程量統(tǒng)計，避免材料的浪費(fèi)，BIM 工程師建模之后可省去造價工程師重新算量，節(jié)約人力成本。實現(xiàn)了及時、動態(tài)可視化的成本管控，為項目管控提供全面可靠的技術(shù)支持。BIM 完成虛擬模型后，使用3D打印機(jī)進(jìn)行樣板打印，大大降低了構(gòu)件開發(fā)制作的成本。

5 BIM技術(shù)在綠色施工的應(yīng)用

中央美術(shù)學(xué)院項目開展了《綠色施工成本分析與碳足跡評價》產(chǎn)學(xué)研課題研究，基于大量的現(xiàn)場碳足跡評價及調(diào)研和開發(fā)，形成施工期間碳排放量數(shù)據(jù)庫，并與BIM 模型結(jié)合，形成可計算、可預(yù)測、可控制的碳排放量實施體系。

通過BIM 技術(shù)對各種類型的燈進(jìn)行模擬排布，分析照明效果、能耗情況、作業(yè)面測光等，最終決定150W 和100W 的LED 組合照明，綜合創(chuàng)效達(dá)182 萬元。通過對夜間照明模擬對周邊小區(qū)的光污染進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化了照明布置和燈具方向，有效減小了光污染的影響。

6 總結(jié)

中央美術(shù)學(xué)院青島校區(qū)鋼結(jié)構(gòu)工程的莫比烏斯環(huán)建筑，通過BIM 技術(shù)的應(yīng)用，查找圖紙問題50 余處，機(jī)電深化設(shè)計解決碰撞，預(yù)留洞口避免返工；發(fā)現(xiàn)沖突碰撞點(diǎn)12 000 多個，優(yōu)化管線布置區(qū)域100 多處、優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、幕墻板塊200 多個；節(jié)約材料，減少人工110 個工日，縮短工期70天，預(yù)計綜合創(chuàng)造效益600 多萬元，綠色施工節(jié)能創(chuàng)效達(dá)182 萬元；解決了現(xiàn)場測量精確定位等問題，對同類工程具有借鑒意義。