BIM預(yù)拼裝在超高層鋼桁架中的應(yīng)用

姚傳勤，王尚寧，韓沈堯，白 蓉，羅燁欽，吳雅婷

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.中國建筑第四工程局有限公司， 廣東 廣州 510665)

超高層建筑作為現(xiàn)代社會發(fā)展的產(chǎn)物，正朝著結(jié)構(gòu)復(fù)雜的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已無法滿足其需要。因此，許多設(shè)計單位采用鋼結(jié)構(gòu)來適應(yīng)超高層建筑?，F(xiàn)有的超高層鋼結(jié)構(gòu)一般作為外框桁架層使用，為保證施工準(zhǔn)確，常常會采用預(yù)拼裝技術(shù)。預(yù)拼裝技術(shù)可分為3類：工廠化預(yù)拼裝、現(xiàn)場預(yù)拼裝和虛擬預(yù)拼裝。目前，已有關(guān)于工廠或現(xiàn)場預(yù)拼裝的研究成果。潘伯林等[1]采用現(xiàn)場預(yù)拼裝的方法，對寧波中銀大廈進(jìn)行了研究。劉長永等[2]以平安金融中心為研究對象，對帶狀桁架進(jìn)行了現(xiàn)場預(yù)拼裝分析。然而，工廠或現(xiàn)場預(yù)拼裝受限于場地、天氣等因素。隨著科技發(fā)展，虛擬預(yù)拼裝逐漸成為主流，學(xué)者們也對此進(jìn)行了深入研究。張良等[3]運(yùn)用Takle軟件結(jié)合BIM技術(shù)，較好地控制了鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。李楊等[4]總結(jié)了日本、歐洲和國內(nèi)不同的虛擬預(yù)拼裝技術(shù)，認(rèn)為對虛擬預(yù)拼裝可進(jìn)行深入研究。孫國維等[5]提出三維掃描儀可應(yīng)用于虛擬預(yù)拼裝中。

但是，學(xué)者們的研究以理論居多，對于現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)用缺乏一定的說服力。為改進(jìn)原有的現(xiàn)場預(yù)拼裝技術(shù)，本文利用高精度測量掃描技術(shù)，將鋼桁架實(shí)體逆向建模，并對比BIM信息化模型，以改善鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在實(shí)際工程中預(yù)拼裝精確度低、可操作性小等問題。

1 工程概況

1.1 項目概況

項目位于深圳市深南中路與上步南路交叉口西南部，為框架核心筒結(jié)構(gòu)，由1棟52層超甲級辦公樓、6層商業(yè)裙樓和4層地下室組成。項目于2018年4月份開工，占地面積約1.4萬m2，總建筑面積約17.5萬m2，建筑高度為258 m。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)概況

主塔樓外框鋼結(jié)構(gòu)包括1根核心筒鋼骨柱、4根角部十字勁性鋼骨柱、16根外框居中部的H型勁性鋼骨柱、1根與核心筒和外框鋼骨柱相連的H型鋼骨梁，同時包含4道避難層，分布于15，25，35，43層。主塔樓結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒，裙房鋼結(jié)構(gòu)主要集中于中庭的鋼骨柱和鋼骨梁，為鋼連廊及部分組合樓蓋結(jié)構(gòu)。

2 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

2.1 虛擬預(yù)拼裝施工流程

虛擬預(yù)拼裝施工流程如圖1所示。

圖1 虛擬預(yù)拼裝施工流程

2.2 施工要點(diǎn)

2.2.1 BIM理論建模

仔細(xì)研讀結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，對涉及到鋼結(jié)構(gòu)的部分進(jìn)行深化。通過Tekla Structures軟件，根據(jù)給定的工程施工圖紙，繪制出工程建筑結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件的三維標(biāo)準(zhǔn)圖，并建立三維模型圖和標(biāo)準(zhǔn)圖庫。鋼骨柱與鋼骨梁連接三維節(jié)點(diǎn)如圖2所示。鋼骨梁與鋼骨梁連接三維節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖2 鋼骨柱與鋼骨梁連接三維節(jié)點(diǎn)

圖3 鋼骨梁與鋼骨梁連接三維節(jié)點(diǎn)

2.2.2工廠預(yù)加工

加工工廠根據(jù)Tekla Structures軟件深化后的模型進(jìn)行拆分，加工步驟如下：把深化圖中的整體分解為單一單元→核對鋼材批號、材質(zhì)、規(guī)格，并清除鋼板表面泥土、油污及臟物→根據(jù)加工制作圖，利用先進(jìn)的鋼結(jié)構(gòu)加工廠遠(yuǎn)程數(shù)控自動劃線→切割→邊緣加工和端部加工→制孔→組裝→焊接。

2.2.3三維掃描實(shí)際模型

使用三維激光掃描(如圖4所示)，測量實(shí)體構(gòu)件，導(dǎo)入計算機(jī)得到三維立體圖像(如圖5所示)。

圖4 箱型柱實(shí)體三維激光掃描

圖5 構(gòu)件三維坐標(biāo)定位立體圖像

2.2.4整體與三維模型對比

使用計算機(jī)Geomagic Qualify軟件對掃描的實(shí)體構(gòu)件進(jìn)行處理，得到偏差為±0.055 mm的實(shí)體模型，對比實(shí)體掃描模型與三維模型圖，檢驗(yàn)構(gòu)件的整體尺寸是否符合規(guī)范，或是否在設(shè)計圖紙要求的偏差內(nèi)。如若在允許偏差范圍內(nèi)，則進(jìn)行下一道工序；如若超過允許偏差，則要進(jìn)行工廠返工。依次循環(huán)，直到達(dá)到規(guī)范要求。三維掃描箱型柱實(shí)體掃描如圖6所示。

圖6 三維掃描箱型柱實(shí)體掃描

2.2.5虛擬拼裝

構(gòu)件整體尺寸合格后，使用計算機(jī)Geomagic Qualify軟件處理實(shí)體構(gòu)件掃描的數(shù)據(jù)。結(jié)合已建好的BIM結(jié)構(gòu)模型，將實(shí)測構(gòu)件模型加裝到結(jié)構(gòu)模型上，對整體建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬拼裝，拼裝時應(yīng)考慮因鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量及截面尺寸導(dǎo)致吊裝及安裝過程中變形造成的影響。虛擬預(yù)拼裝如圖7所示。

圖7 虛擬預(yù)拼裝

2.2.6端部對接間隙與模型對比

根據(jù)虛擬拼裝的結(jié)果，針對本項目大跨度及異性節(jié)點(diǎn)(主要為桁架層及裙樓架構(gòu)層造型設(shè)計)，將現(xiàn)場需要分段拼裝的構(gòu)件進(jìn)行對比分析，判斷實(shí)際拼裝的偏差值是否在控制范圍之內(nèi)。

對用于螺栓孔連接的鋼結(jié)構(gòu)件之間的虛擬預(yù)拼裝，每個鋼結(jié)構(gòu)件的接口處設(shè)置有至少1組對接孔群，每組對接孔群的4個角點(diǎn)上設(shè)置有數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)，相鄰2個鋼結(jié)構(gòu)件通過對接孔群連接。虛擬預(yù)拼裝前，利用數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)獲取鋼結(jié)構(gòu)件對接孔群的4個角點(diǎn)上螺栓孔的中心坐標(biāo)。在虛擬預(yù)拼裝過程中，利用該螺栓孔的中心坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)對相鄰2個鋼結(jié)構(gòu)件的拼裝。對比分析相鄰2個鋼結(jié)構(gòu)件上的螺栓孔的中心坐標(biāo)的偏差值，校正鋼結(jié)構(gòu)件上對接孔群位置。構(gòu)件對接端口偏差量示意圖如圖8所示。

圖8 構(gòu)件對接端口偏差量示意圖

2.2.7二次加工

鋼結(jié)構(gòu)虛擬拼裝完成后，檢驗(yàn)構(gòu)件是否合格。對檢驗(yàn)合格的構(gòu)件進(jìn)行臨時耳板焊接，對現(xiàn)場需要對穿鋼筋、消防噴淋管道的地方進(jìn)行開孔，并對相應(yīng)位置進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

2.2.8指導(dǎo)施工

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件虛擬拼裝完成后，若所有檢測均合格，且二次加工及相應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)洞口進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理合格，則導(dǎo)出軟件預(yù)拼裝的檢測報告，指導(dǎo)現(xiàn)場安裝施工。

3效益分析

3.1 質(zhì)量效益

項目已施工至12層，外框鋼結(jié)構(gòu)施工至6層。對安裝后的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸及安裝后的垂直度進(jìn)行整體檢測統(tǒng)計，共檢測124個構(gòu)件，每個構(gòu)件檢測2個點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)2個缺陷點(diǎn)，一次合格率達(dá)到99.19%，相比原技術(shù)下的合格率有大幅度提高。部分構(gòu)件檢查統(tǒng)計值見表1。

表1 部分構(gòu)件檢查統(tǒng)計值 mm

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

工廠采用三維掃描+預(yù)拼裝的桁架鋼結(jié)構(gòu)。對比鋼結(jié)構(gòu)的BIM技術(shù)預(yù)拼裝施工技術(shù)與傳統(tǒng)的預(yù)拼裝施工工藝，本項目桁架層的用鋼量約為1 109 t，根據(jù)市場綜合單價進(jìn)行計算：鋼框架結(jié)構(gòu)，以栓焊連接為主的，鋼結(jié)構(gòu)的人工費(fèi)用為400 元/(人·d)，人均安裝約0.5 t/(人·d)，即安裝人工費(fèi)約800元/t，通過工廠BIM預(yù)拼裝，可節(jié)省現(xiàn)場費(fèi)用約為1109×0.08=88.72萬元。

4 結(jié)論

隨著建筑施工技術(shù)不斷地改進(jìn)，越來越多的傳統(tǒng)施工手段將借助于計算軟件，將虛擬技術(shù)與現(xiàn)場實(shí)際結(jié)合，可以提高施工精度，縮短施工時間。將BIM技術(shù)應(yīng)用于桁架鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝，解決了許多城市中心地帶施工區(qū)域狹小、桁架鋼結(jié)構(gòu)空中拼接誤差大等問題，并且大大縮短了工期，節(jié)約了項目施工成本，可為區(qū)域狹小的工地施工或復(fù)雜空中桁架鋼結(jié)構(gòu)施工提供一定的參考。