基于BIM技術(shù)的體育館鋼結(jié)構(gòu)智慧化施工管理

(中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司，馬鞍山 243000)

1 引言

BIM(Building Information Modeling[1-2]，建筑信息模型)是當(dāng)今建筑界廣泛關(guān)注和重視的新技術(shù)，將對(duì)建筑業(yè)界的科技進(jìn)步產(chǎn)生無(wú)可估量的影響，大大提高建筑工程的集成化程度。同時(shí)，也為建筑業(yè)的發(fā)展帶來(lái)巨大的效益，使設(shè)計(jì)乃至整個(gè)工程的質(zhì)量和效率顯著提高[3]，成本降低。BIM技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已成為當(dāng)代社會(huì)勢(shì)不可擋的潮流[4]，目前已成功滲透到建筑業(yè)的全生命周期，例如BIM模型維護(hù)、場(chǎng)地分析、方案論證[5]、可視化設(shè)計(jì)、施工進(jìn)度模擬、物料跟蹤[5]、竣工模型交付等等。

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)建筑業(yè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)工程尤其是各種大型體育場(chǎng)館、展覽館、圖書(shū)館、游泳館等鋼桁架結(jié)構(gòu)的工程日益增多，體量越來(lái)越大。但是目前對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的施工方法仍然處于傳統(tǒng)的施工方法狀態(tài)，鋼結(jié)構(gòu)工程具有體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及專(zhuān)業(yè)眾多、施工難度大技術(shù)含量高、危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)，因此，研究新技術(shù)(BIM技術(shù))，將BIM技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)施工當(dāng)中可以有效解決這些問(wèn)題，提高施工效率，避免浪費(fèi)和返工，節(jié)約成本，有著重要的意義。

本文主要是基于BIM技術(shù)的體育館鋼結(jié)構(gòu)智慧化施工管理[6]：(1)應(yīng)用BIM技術(shù)軟件Autodesk Revit創(chuàng)建精細(xì)化土建主體結(jié)構(gòu)三維模型； (2)應(yīng)用BIM技術(shù)軟件Tekla創(chuàng)建精細(xì)化鋼結(jié)構(gòu)三維模型； (3)應(yīng)用BIM技術(shù)軟件lumion進(jìn)行漫游檢測(cè)，Navisworks進(jìn)行施工模擬； (4)基于BIM模型，應(yīng)用軟件MIDAS GEN 2017版對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載數(shù)值模擬； (5)利用云端進(jìn)行項(xiàng)目協(xié)同管理； (6)基于BIM+VR進(jìn)行質(zhì)量信息追溯。

2 項(xiàng)目概況

本工程位于安徽省淮北市濉溪縣沱河西路南側(cè)，鋼結(jié)構(gòu)投影面積10 648.8m2，鋼結(jié)構(gòu)總重約1 100t。結(jié)構(gòu)形式為框架鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)采用大跨度桁架結(jié)構(gòu)和大跨度拱形結(jié)構(gòu)，屋蓋采用大跨度管桁架結(jié)構(gòu)，南北兩側(cè)門(mén)廳采用大跨度拱形結(jié)構(gòu)，門(mén)廳上部裝飾板分層內(nèi)收，建筑整體呈雙曲造型，整體效果圖如圖1，屋蓋南北方向長(zhǎng)81.6m，東西方向?qū)?30.5m，管桁架結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)最高處標(biāo)高24.00m，最低處標(biāo)高17.5m，高差6.5m； 設(shè)計(jì)使用年限為50年。

整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主體由主桁架、次桁架、連系梁、東西面弧形H型鋼側(cè)支撐、南北門(mén)廳鋼框架、檁條、馬道等組成。體育館屋蓋桁架中間4榀南北側(cè)桁架為主桁架，東西側(cè)各8榀主桁架，分段后南北側(cè)主桁架長(zhǎng)度為57.8m，東側(cè)主桁架長(zhǎng)度為42.97m，西側(cè)主桁架長(zhǎng)度為55.88m。

圖1 體育館整體效果

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 精細(xì)化模型創(chuàng)建

BIM技術(shù)是將二維向三維的轉(zhuǎn)變，直觀表達(dá)空間三維信息模型，利用BIM技術(shù)軟件Autodesk Revit創(chuàng)建體育館土建主體結(jié)構(gòu)三維模型如圖2所示。利用BIM技術(shù)軟件Tekla創(chuàng)建體育館鋼結(jié)構(gòu)三維模型如圖3所示，鋼結(jié)構(gòu)細(xì)部節(jié)點(diǎn)深化模型如圖4所示，通過(guò)對(duì)所有桿件、節(jié)點(diǎn)連接件、螺栓焊縫、預(yù)埋件、鋼梁、鋼柱的搭建，建立完整的鋼結(jié)構(gòu)模型，甄別設(shè)計(jì)缺陷； 檢測(cè)預(yù)埋件位置是否合理，及時(shí)調(diào)整預(yù)埋件放置位置，防止?jié)仓瓿珊蠖伍_(kāi)孔植入預(yù)埋件； 細(xì)化模型節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行三維可視化交底，指導(dǎo)施工，提高施工效率[7-8]。

圖2 體育館土建主體結(jié)構(gòu)模型

圖3 體育館鋼結(jié)構(gòu)模型

圖4 體育館鋼結(jié)構(gòu)細(xì)部節(jié)點(diǎn)深化模型

圖5 體育館整合模型

圖6 漫游檢測(cè)示意圖

將創(chuàng)建的鋼結(jié)構(gòu)三維模型導(dǎo)出IFC格式，進(jìn)一步鏈接導(dǎo)入Revit中與體育館土建主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型的整合，整合模型如圖5所示。

通過(guò)模型的創(chuàng)建以及模型的鏈接整合，使得建筑空間信息模型直觀清楚地得以表達(dá)，提高鋼結(jié)構(gòu)加工制作以及安裝效率[9]，從而大大提高工程建設(shè)效率。

3.2 漫游檢測(cè)、施工模擬

通過(guò)利用BIM技術(shù)軟件lumion對(duì)所創(chuàng)建的模型進(jìn)行漫游檢測(cè)如圖6所示示意圖，可以有效地檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)與土建主體結(jié)構(gòu)是否精確對(duì)接，預(yù)埋件預(yù)埋位置是否準(zhǔn)確，鋼結(jié)構(gòu)之間是否存在位置上的沖突，構(gòu)件尺寸是否存在偏差，及時(shí)發(fā)現(xiàn)找出其中存在的問(wèn)題，提前進(jìn)行改正處理，防患于未然，避免后期一些沒(méi)必要返工和浪費(fèi)，提高施工效率[10-12]。

建筑施工是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，通過(guò)將BIM與施工進(jìn)度計(jì)劃相鏈接，將空間信息與時(shí)間信息整合在一個(gè)可視的4D(3D+Time)模型中，能夠直觀形象、精確地反映整個(gè)建筑的施工過(guò)程和虛擬形象進(jìn)度[13-14]，及時(shí)發(fā)現(xiàn)計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度存在的偏差，并組織采取有效措施縮小偏差，提高施工效率，縮短工期，降低成本，如圖7所示。

3.3 基于BIM+MIDAS的鋼結(jié)構(gòu)卸載數(shù)值模擬

(1)體育館鋼結(jié)構(gòu)卸載工作主要為拆除4榀主桁架的臨時(shí)支撐[15]。由于結(jié)構(gòu)跨度較大，不可直接割除支撐桿件，需用千斤頂設(shè)備以位移控制法對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行緩慢卸載。在卸載過(guò)程中，整體結(jié)構(gòu)由有臨時(shí)支撐狀態(tài)轉(zhuǎn)化為原設(shè)計(jì)懸挑剛架狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體系將發(fā)生改變，剛架桿件內(nèi)力將重分布，內(nèi)力變化較復(fù)雜，需對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的卸載過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程分析[16]，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果確定卸載方案。本工程擬采用分級(jí)同步卸載方法，將結(jié)構(gòu)劃分6步卸載完成。基于BIM的支撐布置如圖8所示。

圖7 施工模擬示意圖

圖8 臨時(shí)支撐示意圖

(2)計(jì)算條件

1)卸載前，屋面檁托板均應(yīng)焊接于主體結(jié)構(gòu)，在卸載分析時(shí)，只需考慮主體結(jié)構(gòu)自重，因未考慮連接板等零件重量，故其自重放大1.2倍系數(shù)；

2)本卸載方案所采用的模型為起拱后的幾何模型。起拱高度按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總說(shuō)明要求L/1000執(zhí)行。

3)計(jì)算軟件

本卸載方案采用MIDAS GEN 2017版計(jì)算分析，采用節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移模擬千斤頂，利用節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移模擬千斤頂定量下移的過(guò)程進(jìn)行卸載全過(guò)程分析。

4)荷載組合

卸載過(guò)程驗(yàn)算主要采用的荷載組合如下：

a.計(jì)算結(jié)構(gòu)位移組合

1.2×自重

b.構(gòu)件安全性驗(yàn)算組合

1.2×自重+1.4×x向風(fēng)

1.2×自重+1.4×y向風(fēng)

5)計(jì)算模型

圖9 計(jì)算模型示意圖

6)卸載過(guò)程分析結(jié)果

本結(jié)構(gòu)采用同步等距離卸載方法，卸載過(guò)程分6級(jí)，圖10表示卸載前結(jié)構(gòu)應(yīng)力，圖11表示結(jié)構(gòu)在每級(jí)卸載過(guò)程中的應(yīng)力圖。

a.卸載前結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

圖10 卸載前結(jié)構(gòu)應(yīng)力

主體結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比如圖10所示，結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力最大為63.4N/mm2，小于鋼材強(qiáng)度值(295 N/mm2)，滿(mǎn)足要求。

b.卸載過(guò)程各級(jí)卸載驗(yàn)算

圖11 卸載過(guò)程各級(jí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

主體結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比如圖11所示，結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力最大為84.8N/mm2，小于鋼材強(qiáng)度值(295 N/mm2)，滿(mǎn)足要求； 卸載完畢。

7)結(jié)論

根據(jù)對(duì)施工過(guò)程的分析驗(yàn)算結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

在整個(gè)卸載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為84.8N/mm2，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.29，表明同步卸載過(guò)程，主體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足安全要求； 整個(gè)卸載過(guò)程安全、可靠，本卸載方案可行。

3.4 BIM+云平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目協(xié)同管理

云端是一種能夠儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)和管理的網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)，本項(xiàng)目利用公司購(gòu)買(mǎi)的廣聯(lián)達(dá)云空間搭建云端服務(wù)器，該云空間內(nèi)部存儲(chǔ)空間足夠大，足以支撐整個(gè)項(xiàng)目全壽命周期使用，將項(xiàng)目上的圖紙、模型、設(shè)計(jì)變更、工程照片以及各種數(shù)據(jù)等部署在云端，將施工現(xiàn)場(chǎng)管理人員、技術(shù)人員、施工作業(yè)人員等相關(guān)人員邀請(qǐng)加入此云平臺(tái)中[17]，此時(shí)儲(chǔ)存于云端的各種信息、數(shù)據(jù)均可以被共享，大大加快了數(shù)據(jù)、信息的流轉(zhuǎn)，提高各部門(mén)各單位之間的協(xié)作效率，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工時(shí)，相關(guān)人員可以隨時(shí)通過(guò)手機(jī)端進(jìn)行圖紙、模型、構(gòu)件信息查詢(xún)，如圖12所示，通過(guò)利用云端進(jìn)行項(xiàng)目協(xié)同管理大大提高施工效率。

圖12 利用云端進(jìn)行項(xiàng)目協(xié)同管理

3.5 基于BIM+VR進(jìn)行質(zhì)量信息追溯

VR是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，是將多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶(hù)沉浸到該環(huán)境中[18]，如圖13。本項(xiàng)目借助VR技術(shù)，將項(xiàng)目BIM數(shù)據(jù)信息傳遞至VR數(shù)據(jù)庫(kù)中，在VR程序中點(diǎn)擊任一鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可追溯查詢(xún)焊接人員信息、職業(yè)資格證書(shū)、驗(yàn)收人員信息等，有效提高項(xiàng)目過(guò)程管理和質(zhì)量管控，如圖14所示。

圖13 BIM+VR沉浸式體驗(yàn)

圖14 BIM+VR進(jìn)行質(zhì)量信息追溯

4 總結(jié)與展望

基于BIM技術(shù)的體育館鋼結(jié)構(gòu)智慧化施工管理，通過(guò)三維精細(xì)化模型的創(chuàng)建可以直觀表達(dá)鋼結(jié)構(gòu)空間幾何構(gòu)造以及細(xì)部節(jié)點(diǎn)深化構(gòu)造等； 通過(guò)漫游檢測(cè)、施工模擬的應(yīng)用，能夠及時(shí)甄別設(shè)計(jì)缺陷，判別預(yù)埋件位置是否合理，及時(shí)調(diào)整預(yù)埋件放置位置，防止?jié)仓瓿珊蠖伍_(kāi)孔植入預(yù)埋件，通過(guò)將空間信息與時(shí)間信息整合在一個(gè)可視的4D模型中，可以直觀地反映整個(gè)建筑的施工過(guò)程和虛擬形象進(jìn)度。綜合考慮施工流水段施工，確定優(yōu)先施工區(qū)域。根據(jù)對(duì)模型進(jìn)度控制明確施工產(chǎn)值，使得形象進(jìn)度更加可視化、直觀化，并將計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比分析，找出進(jìn)度偏差，及時(shí)調(diào)整進(jìn)度； 通過(guò)數(shù)值模擬鋼結(jié)構(gòu)卸載全過(guò)程以及進(jìn)行分析研究，確保施工過(guò)程的安全可靠； 通過(guò)利用云端進(jìn)行項(xiàng)目協(xié)同管理、VR進(jìn)行質(zhì)量信息追溯，有效提高施工效率、過(guò)程管控和質(zhì)量管控。

BIM技術(shù)作為建筑界一種新興技術(shù)，已經(jīng)引起全世界的高度關(guān)注和重視，按照科學(xué)發(fā)展觀的要求以及目前的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)近些年將全面推廣新興BIM技術(shù)，繼續(xù)深挖研究BIM技術(shù)所具有的無(wú)限的潛能，將BIM技術(shù)在建筑界發(fā)揮出不可估量的價(jià)值。在現(xiàn)有成熟安裝工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深挖研究BIM技術(shù)在各種鋼結(jié)構(gòu)安裝施工中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高BIM技術(shù)在建筑施工中的各種應(yīng)用和熟練程度，提高施工效率和質(zhì)量，降低成本，確保安全，有著十分重要的意義。