“新基建”及智慧建造背景下工程施工技術(shù)理論應(yīng)用與發(fā)展
——基于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程施工

魏鑫，歐德欣，包尊杰

（1.中海宏洋鹽通公司，江蘇 鹽城 224001；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096）

1 引言

本文選擇對目前國內(nèi)已經(jīng)使用和正在研究的相關(guān)智能化施工技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的應(yīng)用，包括裝配式、大跨度、空間復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目，來對智慧建造背景下的工程施工技術(shù)理論及方法的應(yīng)用做簡要總結(jié)。針對這些施工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展目標(biāo)，對今后的研究和應(yīng)用前景做出相關(guān)展望。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)相比具有施工工期短、節(jié)約成本、低污染等優(yōu)點(diǎn)，它是重要的綠色建筑布局形式，國家也在大力推進(jìn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。與此同時，裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工在很多方面與智能建造技術(shù)契合，也符合目前的智慧建造趨勢。

鋼結(jié)構(gòu)的組成構(gòu)件種類主要包括鋼柱、梁鋼、鋼桁架、鋼屋架等，可以廣泛用于體育館、民用設(shè)施、工業(yè)廠房等裝配式鋼結(jié)構(gòu)中。但是，在現(xiàn)有裝配式鋼結(jié)構(gòu)的全壽命建造過程，從構(gòu)件生產(chǎn)出廠到現(xiàn)場吊裝的環(huán)節(jié)，存在信息不對稱現(xiàn)象，如現(xiàn)場的裝配工人由于缺乏專業(yè)知識或相關(guān)培訓(xùn)，使得遠(yuǎn)程裝配效果大大折扣，容易出現(xiàn)錯裝、漏裝等現(xiàn)象，既不能保證施工質(zhì)量，又缺乏安全保障。基于上述裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工的常見問題，目前國內(nèi)有學(xué)者提出了基于二維碼識別的構(gòu)件智能裝配輔助系統(tǒng)，即通過與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的為現(xiàn)場裝配工人提供信息幫助，實(shí)現(xiàn)更全面地智能化裝配過程[1]。

3 智能測量和監(jiān)測傳感技術(shù)

在鋼結(jié)構(gòu)施工過程的不同階段中，都需要用到結(jié)構(gòu)測量和監(jiān)測技術(shù)，用于對施工高精度的把控和施工質(zhì)量、效率的提升。特別是復(fù)雜和大跨度鋼結(jié)構(gòu)，在安裝過程中對偏差的敏感性極強(qiáng)，測量精度對質(zhì)量和安全有重大影響。

3.1 智能測量技術(shù)

目前，鋼結(jié)構(gòu)的智能測量技術(shù)主要包括地面拼裝、高精度三維測量控制網(wǎng)布設(shè)、精準(zhǔn)空中智能化快速定位、變形檢測等施工環(huán)節(jié)。針對這幾種不同的施工測量技術(shù)，目前在工程測量專業(yè)的儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸處理等方面已經(jīng)研發(fā)出更加智能精確的測量技術(shù)。測量儀器從傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等已經(jīng)發(fā)展到三維激光掃描儀、智能全站儀、無人機(jī)測量和衛(wèi)星定位系統(tǒng)等，在數(shù)據(jù)傳輸方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)基于IoT 技術(shù)的無線傳輸技術(shù)，測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已經(jīng)從單一源升級到多源信息相融合的處理模式[2]。

鋼結(jié)構(gòu)的具體測量技術(shù)也在逐步向智能高效的方向在發(fā)展，主要采用了包括三維激光掃描技術(shù)、智能全站儀、近景攝影測量、多源數(shù)據(jù)整合等關(guān)鍵測量技術(shù)。以2019 年正式完工的北京大興國際機(jī)場航站樓為例，其采用了BIM 全站儀、CORS、三維激光掃描、多源數(shù)據(jù)融合等測量技術(shù)，保障了該特大鋼結(jié)構(gòu)工程在施工安裝時的高精度實(shí)時檢測與調(diào)整。在整體的安裝測量中，主要解決了通過高精度三維激光掃描技術(shù)來檢測復(fù)雜構(gòu)建的外形尺寸等重要指標(biāo)，進(jìn)而進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的三維快速定位，最終利用該技術(shù)得出結(jié)構(gòu)的合龍過程中各分區(qū)空間的安裝狀態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)了鋼網(wǎng)架安裝全過程的可視化效果。

3.2 智能監(jiān)測傳感技術(shù)

監(jiān)測傳感技術(shù)與測量技術(shù)之間有相似之處，但該技術(shù)主要是對鋼結(jié)構(gòu)在施工安裝過程中的安全和質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，在復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工過程中應(yīng)用更甚。在該技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展中，李惠等[3]利用了焊接式光纖光柵應(yīng)變傳感器對國家游泳中心鋼結(jié)構(gòu)的施工及卸載過程進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測；錢嫁茹等[4]使用了BGK4000 型振弦傳感器對北大體育館屋蓋進(jìn)行了應(yīng)力及變形等監(jiān)測。但是這些研究都局限于對結(jié)構(gòu)不利位置的直接監(jiān)測，在可視化和智能化方面研究不足?；谶@些研究結(jié)果，本文以紅島國際會展中心登錄大廳鋼結(jié)構(gòu)施工過程中應(yīng)用到的目前比較先進(jìn)的智能傳感技術(shù)為例，對智能監(jiān)測傳感技術(shù)進(jìn)行簡要敘述。

該結(jié)構(gòu)包括了屋面管桁架以及外圈箱形懸挑梁2 部分，東西向長168 m、南北寬153 m，屬于典型的大跨度鋼結(jié)構(gòu)。以鋼桁架的監(jiān)測系統(tǒng)為例，主要分為傳感器設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸采集設(shè)備兩大部分。傳感器中，弦式應(yīng)變計用于測量桿件應(yīng)力，靜力水準(zhǔn)儀測量桁架內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)豎向位移；無線監(jiān)測系統(tǒng)還包括了密封機(jī)箱、自動采集箱和無線傳輸模塊等數(shù)據(jù)處理部分。在對監(jiān)測桿件進(jìn)行測點(diǎn)的布置之后，通過卸載過程及方案的分析實(shí)施，利用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)輸入最新的有限元分析軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到不同階段卸載張拉完成的有限元模擬分析結(jié)果。通過對比張拉卸載過程中的實(shí)測結(jié)果可知，計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果十分吻合，也驗(yàn)證了現(xiàn)有智能控制技術(shù)的準(zhǔn)確性。此外，該整體的智能監(jiān)測傳感系統(tǒng)還能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)和質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行評估，具有應(yīng)用價值和研究前景。

4 BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的應(yīng)用

新基建的發(fā)展也離不開BIM 技術(shù)的支持。BIM 通過在工程的設(shè)計、建造、管理方面融入數(shù)字化方式，為施工過程提供了協(xié)同工作的基礎(chǔ)，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率、節(jié)約建造成本和縮短工期的目標(biāo)。

4.1 建筑專業(yè)BIM應(yīng)用

在鋼結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計、施工領(lǐng)域，可以通過最新的一些BIM 軟件對鋼結(jié)構(gòu)方案設(shè)計初期進(jìn)行模擬，呈現(xiàn)真實(shí)環(huán)境下的外觀效果，幫助施工過程中進(jìn)行布局把控。同時，使用Revit、SAP 2000 等軟件的結(jié)合，可以搭建出復(fù)雜的空間鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架模型。例如，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)化調(diào)整，可以通過軟件的自動更新功能實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)高值的修改，在施工現(xiàn)場也能實(shí)時把控結(jié)構(gòu)與模型的布局對比。

4.2 結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)工程的施工難點(diǎn)很大程度上取決于具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。例如，大型鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工，為了保證中心網(wǎng)格結(jié)構(gòu)計算模型的準(zhǔn)確性，可以將Revit 模型單線圖導(dǎo)入SAP 2000中進(jìn)行整體計算，從而確定中心網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)桿件截面尺寸。如在福建省龍巖會議中心B3#樓施工案例中，通過計算分析采用圓形截面桿件從而避免方形桿件各向異性的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時降低了節(jié)點(diǎn)間的焊接難度。除此之外，BIM 軟件在有限元分析模擬中也大有作為。

4.3 機(jī)電專業(yè)BIM應(yīng)用

在一些涉及機(jī)電專業(yè)建造的鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，利用相應(yīng)的軟件進(jìn)行機(jī)電專業(yè)建模，可以使BIM 模型和二維施工平面圖同步完成。

在生成BIM 模型的同時可以生成軸測圖，對于比較復(fù)雜、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)角度的鋼結(jié)構(gòu)工程而言，在完成平面2D 繪圖的同時，通過三維立體的效果圖，可對已繪制好的內(nèi)容進(jìn)行碰撞檢測，檢查哪些節(jié)點(diǎn)位置可能出現(xiàn)碰撞，以及對這些碰撞點(diǎn)的精確定位，這對于鋼結(jié)構(gòu)的施工過程尤為重要。此外，在完成模型調(diào)整和優(yōu)化改進(jìn)之后，可以在BIM 三維圖中看到調(diào)整后的效果，實(shí)時地對調(diào)整是否合適做出及時的判斷。

除卻上述BIM 專業(yè)在鋼結(jié)構(gòu)工程施工進(jìn)程中的應(yīng)用，BIM 建造還能針對超高層鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，如土建一體化、機(jī)電一體化等。目前，在物流倉儲鋼結(jié)構(gòu)智能建造的應(yīng)用案例研究分析中，提到了關(guān)于BIM+VR 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用。以京東集團(tuán)亞洲一號天津東麗物流園項(xiàng)目為例，該技術(shù)主要應(yīng)用在施工過程對鋼結(jié)構(gòu)吊裝進(jìn)行輔助模擬驗(yàn)算，采用Tekla 軟件對主要鋼結(jié)構(gòu)及維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場的深化設(shè)計，同時應(yīng)用3D 打印技術(shù)對復(fù)雜精確度要求高的構(gòu)件進(jìn)行預(yù)拼裝，對于施工精度和生產(chǎn)效率提高都有巨大幫助[5]。

在施工過程中，為保障施工質(zhì)量，還可以提高VR 沉浸式虛擬驗(yàn)收技術(shù)對應(yīng)用板件進(jìn)行三維的空間測量、兩點(diǎn)凈空測量等實(shí)測方法，及時發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)或?qū)I(yè)中存在的問題，利用移動終端數(shù)據(jù)模型進(jìn)行構(gòu)件數(shù)據(jù)和問題照片的實(shí)時動態(tài)查詢，輔助施工驗(yàn)收人員的驗(yàn)收。同時，還可以進(jìn)行現(xiàn)場的施工人員安全教育，幫助他們虛擬使用鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的施工器具，使得施工過程更加規(guī)范化和安全化。

5 未來展望

首先，是數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展也是國家目前對推動交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的新要求。對于鋼結(jié)構(gòu)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，最主要的對象就是鋼結(jié)構(gòu)橋梁，也屬于典型的大跨度結(jié)構(gòu)。數(shù)字孿生技術(shù)雖然最早是由美國在航天飛行器的健康檢測領(lǐng)域所提出的，但是其原理在于通過虛實(shí)信息交互的接口將實(shí)際的物理模型與虛擬的數(shù)字模型關(guān)聯(lián)起來，從而使得實(shí)際的模型變化映射到虛擬的數(shù)字模型中，建立起與物理實(shí)體完全等價的信息模型，可以基于數(shù)字孿生體對物理實(shí)體進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化。

其次，是空、天、地一體化的泛在感知技術(shù)。該技術(shù)依賴于通過各類先進(jìn)傳感裝置，構(gòu)建空、天、地多維度的泛在感知網(wǎng)絡(luò)，為區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)工程施工、監(jiān)測、預(yù)警、安全提供廣覆蓋、多層次、全維度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。作為目前智能監(jiān)測和測量技術(shù)的數(shù)據(jù)升級，泛在感知技術(shù)可以突破單一維度感知的信息盲區(qū)，為大跨度鋼結(jié)構(gòu)智慧建造提供全面、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，同時配合項(xiàng)目施工的材料、設(shè)備、人員動態(tài)感知數(shù)據(jù)庫，推動區(qū)域建造的智能施工、結(jié)構(gòu)監(jiān)測、危險預(yù)警、安全生產(chǎn)的一體化以及精準(zhǔn)化發(fā)展。

最后，針對鋼結(jié)構(gòu)的智能施工技術(shù)在很大程度上也是可以和傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的。例如，無人機(jī)、監(jiān)測傳感、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，都可以實(shí)現(xiàn)在諸如水利設(shè)施、高地站房、綜合管廊、電力設(shè)施等建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。將某一建筑領(lǐng)域的智慧建造技術(shù)推廣到整個建筑業(yè)中去，才能真正實(shí)現(xiàn)智慧基礎(chǔ)設(shè)施的美麗愿景。