探討B(tài)IM技術(shù)在超高層建筑復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

竇鴻賓

上海錦萌建筑工程有限公司 上海 201112

引言

提升超高層建筑復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作效率，確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，理應(yīng)結(jié)合周邊環(huán)境與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，全面引進(jìn)BIM技術(shù)，構(gòu)建三維建筑模型，合理規(guī)劃建筑施工方案，做好鋼結(jié)構(gòu)空間設(shè)計工作，確保鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

1 建立完善的三維建筑模型

確保超高層建筑復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計施工質(zhì)量，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)施工方案和所處地質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效對接，加強鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，則需要借助BIM技術(shù)構(gòu)建三維建筑模型。三維模型是一項重要的作業(yè)。在構(gòu)建三維建筑模型的過程中，設(shè)計師應(yīng)準(zhǔn)確獲取施工參數(shù)和鋼結(jié)構(gòu)圖，認(rèn)真瀏覽細(xì)致的施工圖紙，對所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與全面分析。構(gòu)建模型的主要目標(biāo)是對超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造形態(tài)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造關(guān)系和內(nèi)部所有相關(guān)屬性的變化狀況展開可視化分析，了解建筑環(huán)境，以此設(shè)計更科學(xué)的超高層復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工方案。運用BIM技術(shù)對建筑鋼結(jié)構(gòu)模型相關(guān)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析，結(jié)合分析結(jié)果將二維剖面圖轉(zhuǎn)化成三維立體化結(jié)構(gòu)模型，這樣方能直觀化展示復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)。通過三維建筑模型分析，設(shè)計師能夠和施工技術(shù)人員能進(jìn)行深度交流，全面理解復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)組合，在后期施工中規(guī)避相關(guān)風(fēng)險。在建立三維建筑模型時，需要謹(jǐn)遵建模標(biāo)準(zhǔn)要求，運用BIM技術(shù)在二維橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)上，適當(dāng)增加空間坐標(biāo)系，然后，正確運用插值法預(yù)估復(fù)雜的空間坐標(biāo)。在Bentley平臺上，運用BIM建模軟件開展三維建筑建模工作時，應(yīng)發(fā)揮土木工程工具和克里金方法的作用，準(zhǔn)確模擬大量的空間數(shù)據(jù)，這樣能夠設(shè)計好復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)模型。因為所有參數(shù)信息和獲取的數(shù)據(jù)處于統(tǒng)一管理工作狀態(tài)，所以在構(gòu)建三維建筑模型時會自動生成完整的三維建筑圍合面。其次，因為圖形環(huán)境和BIM文件轉(zhuǎn)換格式均是統(tǒng)一的，所以在建立三維地質(zhì)模型時會建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系，同時，發(fā)揮BIM建模軟件的參考連接功能，促進(jìn)超高層建筑和三維模型的有效對接，使三維建筑模型最終能夠體現(xiàn)出超高層建筑復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)組合與表征[1]。

2 做好超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)測量工作

2.1 控制好鋼管柱的位置

在超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)測量工作中，首先要重視量化建筑鋼結(jié)構(gòu)的施工秩序，其標(biāo)準(zhǔn)施工流程大致分為以下十三步。

2.1.1 做好建筑鋼管柱的安裝工作。在具體安裝中，應(yīng)先精準(zhǔn)校對標(biāo)高，結(jié)合三維建筑模型做好位移的校對工作，最后，要對鋼管柱的垂直度偏差實施相應(yīng)的微調(diào)。

2.1.2 運用BIM技術(shù)所搭建的三維模型做好測量校對管理工作。

2.1.3 做好首層框架梁的施工處理作業(yè)。

2.1.4 做好二層框架梁的施工處理工作。

2.1.5 做好測量工作。

2.1.6 對螺栓進(jìn)行初擰。

2.1.7 做好首層次梁和小梁的施工作業(yè)。

2.1.8 對二層壓型鋼板進(jìn)行科學(xué)堆放處理。

2.1.9 做好二層次梁和小梁的施工作業(yè)。

2.1.10 運用BIM技術(shù)所設(shè)計的三維建筑模型實施精準(zhǔn)地測量校對。

2.1.11 對高強度的螺栓進(jìn)行終擰。

2.1.12 做好壓型鋼板的鋪設(shè)工作。

2.1.13 做好鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工作業(yè)。

其次，要充分利用BIM技術(shù)對測量裝置予以全面改進(jìn)。不可忽視的是，核心筒內(nèi)屬于異形結(jié)構(gòu)，其操作空間也比較小，如果每在建筑樓層板開展施工，就很難架設(shè)測量儀器。對此，需要在鋼板墻上固定好特制全站儀支架，用它來替代常規(guī)情況下所使用的三腳架，這樣也能夠提供良好的測量放樣條件。測量工作人員應(yīng)正確使用全站儀極坐標(biāo)測量法實施鋼管柱測量定位工作，準(zhǔn)確把握三項基本要點：第一，運用全站儀準(zhǔn)確定位超高層建筑鋼管柱的中心點坐標(biāo)，精確計算坐標(biāo)的參數(shù)，將該坐標(biāo)視作建筑塔樓鋼管柱的測量控制點。然后，依次對其他樓層鋼管柱的中心坐標(biāo)所處位置實施精準(zhǔn)定位，認(rèn)真參考設(shè)計圖紙，按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸準(zhǔn)確計算鋼管內(nèi)控制點控制和把控軸線之間的位置關(guān)系。第二，在控制點上架設(shè)萊卡全站儀（英文簡稱TS06），謹(jǐn)遵整平對中的架設(shè)方案，這樣方能對控制鋼管柱的軸線徑向位置實施精準(zhǔn)測量與定位。第三，如果超高層建筑的核心筒呈弧形，在架設(shè)全站儀和進(jìn)行測量時，就需要在樓層板上錨固一塊 厚度為10mm的鋼板，使這塊鋼板能夠延伸出核心筒以外50cm的區(qū)域，這樣能夠在架設(shè)全站儀腳架的支腿區(qū)域形成一個牢固的支撐點，滿足鋼管柱坐標(biāo)的精準(zhǔn)放樣需求。

2.2 做好鋼管柱的安裝測量工作

在鋼管柱的安裝測量工作中，需要在鋼管構(gòu)件安裝的定位測量工作之前，充分利用BIM技術(shù)所搭建的三維模型精確校對鋼管柱、鋼管梁、鋼管支撐等重要結(jié)構(gòu)尺寸和中線位置進(jìn)。然后，按照施工工序的劃分和鋼管柱的吊裝工作順序，按照鋼管原來的位置，在要進(jìn)行吊裝的鋼管柱上面標(biāo)注軸線和中心線，用紅色三角進(jìn)行標(biāo)記，這樣能夠為校測工作提供便利。在安裝之前，應(yīng)認(rèn)真校對和測量鋼管柱的長度和截面幾何尺寸[2]。在定位復(fù)測工作中，需要在建筑基礎(chǔ)混凝土的面層上做好第一節(jié)鋼管柱的安裝工作，在正式安裝前，必須認(rèn)真檢查并科學(xué)調(diào)整鋼管柱地腳螺栓位置，將誤差控制在±1 mm范圍內(nèi)。在澆搗混凝土的過程中，需要在地腳螺栓的反射片中心位置坐標(biāo)設(shè)置全站儀進(jìn)行測量，這樣方便采取全方位動態(tài)監(jiān)測工作，準(zhǔn)確獲取反射片的中心位置坐標(biāo)數(shù)值，及時了解偏差問題，將誤差控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。對于鋼管柱的垂直度校正工作，需要把兩臺全站儀分別穩(wěn)固安置在相互垂直的軸線控制網(wǎng)之上，做好精確的整平對中處理工作。等到鋼柱校準(zhǔn)之后，測量人員就要通知焊接技術(shù)人員開展鋼管柱焊接工作，以此確保鋼管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 啟用基于BIM的復(fù)雜節(jié)點深化技術(shù)

超高層建筑復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)由大量的節(jié)點與構(gòu)件組成，這些節(jié)點與構(gòu)件也給建筑鋼結(jié)構(gòu)施工帶來了不容小覷的難度，對此，則需要啟用基于BIM的復(fù)雜節(jié)點深化技術(shù)，準(zhǔn)確把握復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)施工難點，處理好各種復(fù)雜的問題[3]。從整體框架來看，超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工難度主要體現(xiàn)在九個方面：

第一，平面布置工作難度。超高層建筑的周邊環(huán)境通常非常復(fù)雜，所處施工場地面積、范圍狹小，施工過程中涉及眾多專業(yè)，需要使用大量的不同專業(yè)材料，成品保護工作有很高的難度，必須對各種材料應(yīng)用進(jìn)行合理跟蹤與協(xié)調(diào)管控，盡量減少大量施工材料的堆積。

第二，機械選型工作難度。超高層建筑現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的平面都非常狹小而且多變，有大量不同種類的鋼構(gòu)件，這些構(gòu)件的重量存在較大的差異，而鋼結(jié)構(gòu)的吊裝工期都比較緊，在具體工作中還須兼顧塔吊的拆裝與爬升，因此，工作難度很高。

第三，深化設(shè)計工作難度。在超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中，各種節(jié)點的形式具有復(fù)雜性，這些鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點經(jīng)常和土建作業(yè)、機電工程作業(yè)、幕墻施工作業(yè)存在大量的交叉點，很難在短時間內(nèi)進(jìn)行有效協(xié)同。對此，需要做好深化設(shè)計工作，面對多種難度，不僅要設(shè)計精確細(xì)致的圖紙，確保圖紙的全面性、準(zhǔn)確性、局部完整性、操作可行性，而且要重視盡快出圖，確保圖紙設(shè)計工作效率。

第四，復(fù)雜構(gòu)件的加工難度。超高層建筑復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)有眾多節(jié)點，組合形式非常復(fù)雜，不少構(gòu)件的構(gòu)造存在多變性，其內(nèi)部有大量的不規(guī)則組合零件，結(jié)構(gòu)空間定位非常復(fù)雜，這給構(gòu)件的加工作業(yè)與質(zhì)量檢驗工作帶來了不容小覷的難度。

第五，鋼結(jié)構(gòu)安裝工作流程復(fù)雜。因為超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)組合復(fù)雜，并存巨型結(jié)構(gòu)、異型結(jié)構(gòu)、傾斜結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)，它們的重量都比較大，空間位置非常復(fù)雜，給高空定位和吊點選擇工作帶來諸多困難。

第六，測量精度控制工作難度。因為超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的形式具有復(fù)雜性，其巨柱的截面積非常大，有很多對接位置，鋼結(jié)構(gòu)的重量也很大，在施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)很容易受到日照、外在溫度和風(fēng)荷載、日照和溫度等氣候變化的影響，這樣就很難控制測量精度。

第七，焊接質(zhì)量控制工作難度。超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的施工周期一般都很漫長，期間必然要經(jīng)過寒冷的冬季和雨季，而建筑鋼結(jié)構(gòu)對焊接質(zhì)量有很高的要求，因為，鋼結(jié)構(gòu)材料在有大量的超厚板，所以焊接質(zhì)量控制工作也有很高的難度。

第八，安全防護管理工作難度。大多數(shù)超高層建筑所處環(huán)境復(fù)雜，位于繁華市區(qū)，需要做好高空作業(yè)、機電作業(yè)、動火作業(yè)和臨邊作業(yè)，這樣就存在很多安全隱患因素，給安全防護管理工作帶來諸多困難。對此，應(yīng)準(zhǔn)確評估施工風(fēng)險，制定完善的解決對策，及時消除安全隱患因素。

第九，垂直吊裝工作難度。當(dāng)代超高層建筑的工期都比較緊張，涉及大量的不同專業(yè)，這給塔吊的選型和布置工作帶來了很高的難度，因而，很容易導(dǎo)致塔吊爬升期間的工作效率低下，施工資源比較緊張。然而，必須注意的是，因為大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的體量非常大，所以要著重提高塔吊的吊裝效率，克服很多困難。

此外，在應(yīng)用BIM技術(shù)解決難點問題的過程中，需要精確模擬建筑鋼結(jié)構(gòu)下料工作，借助BIM軟件來控制精確的排版，如果弧形零件存在扭曲現(xiàn)象，就需要采用BIM軟件放樣來構(gòu)建實體模型，對板塊的分割進(jìn)行優(yōu)化，從而得到有多個控制點的精確性空間坐標(biāo)，這樣能夠有效解決復(fù)雜的節(jié)點問題，提高深化加工精度與效率，有效減少彎扭構(gòu)件下料過程中的材料損耗問題。

4 啟用基于BIM的三維激光智能驗收技術(shù)

在超高層鋼結(jié)構(gòu)施工中，大量的異形復(fù)雜組合節(jié)點因為空間位置存在多邊形，且截面形式非常復(fù)雜，隨意無法運用常規(guī)測量方法來檢驗外形的尺寸，對此，需要正確使用基于BIM的三維激光掃描智能驗收技術(shù)[4]。

5 結(jié)束語

綜上所述，確保超高層建筑復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計施工質(zhì)量，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)施工方案和所處地質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效對接，加強鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，則需要借助BIM技術(shù)構(gòu)建三維建筑模型，做好鋼結(jié)構(gòu)測量工作，設(shè)計完善的鋼結(jié)構(gòu)施工方案。