基于BIM技术的体育馆钢结构智慧化施工管理

(中国十七冶集团有限公司，马鞍山 243000)

1 引言

BIM(Building Information Modeling[1-2]，建筑信息模型)是当今建筑界广泛关注和重视的新技术，将对建筑业界的科技进步产生无可估量的影响，大大提高建筑工程的集成化程度。同时，也为建筑业的发展带来巨大的效益，使设计乃至整个工程的质量和效率显著提高[3]，成本降低。BIM技术的发展与应用已成为当代社会势不可挡的潮流[4]，目前已成功渗透到建筑业的全生命周期，例如BIM模型维护、场地分析、方案论证[5]、可视化设计、施工进度模拟、物料跟踪[5]、竣工模型交付等等。

近年来，随着国内建筑业的发展，钢结构工程尤其是各种大型体育场馆、展览馆、图书馆、游泳馆等钢桁架结构的工程日益增多，体量越来越大。但是目前对于钢结构的施工方法仍然处于传统的施工方法状态，钢结构工程具有体量大、结构复杂、涉及专业众多、施工难度大技术含量高、危险性大等特点，因此，研究新技术(BIM技术)，将BIM技术应用于钢结构施工当中可以有效解决这些问题，提高施工效率，避免浪费和返工，节约成本，有着重要的意义。

本文主要是基于BIM技术的体育馆钢结构智慧化施工管理[6]：(1)应用BIM技术软件Autodesk Revit创建精细化土建主体结构三维模型； (2)应用BIM技术软件Tekla创建精细化钢结构三维模型； (3)应用BIM技术软件lumion进行漫游检测，Navisworks进行施工模拟； (4)基于BIM模型，应用软件MIDAS GEN 2017版对钢结构进行卸载数值模拟； (5)利用云端进行项目协同管理； (6)基于BIM+VR进行质量信息追溯。

2 项目概况

本工程位于安徽省淮北市濉溪县沱河西路南侧，钢结构投影面积10 648.8m2，钢结构总重约1 100t。结构形式为框架钢结构，钢结构采用大跨度桁架结构和大跨度拱形结构，屋盖采用大跨度管桁架结构，南北两侧门厅采用大跨度拱形结构，门厅上部装饰板分层内收，建筑整体呈双曲造型，整体效果图如图1，屋盖南北方向长81.6m，东西方向宽130.5m，管桁架结构中心线最高处标高24.00m，最低处标高17.5m，高差6.5m； 设计使用年限为50年。

整个钢结构屋盖主体由主桁架、次桁架、连系梁、东西面弧形H型钢侧支撑、南北门厅钢框架、檩条、马道等组成。体育馆屋盖桁架中间4榀南北侧桁架为主桁架，东西侧各8榀主桁架，分段后南北侧主桁架长度为57.8m，东侧主桁架长度为42.97m，西侧主桁架长度为55.88m。

图1 体育馆整体效果

3 BIM技术应用

3.1 精细化模型创建

BIM技术是将二维向三维的转变，直观表达空间三维信息模型，利用BIM技术软件Autodesk Revit创建体育馆土建主体结构三维模型如图2所示。利用BIM技术软件Tekla创建体育馆钢结构三维模型如图3所示，钢结构细部节点深化模型如图4所示，通过对所有杆件、节点连接件、螺栓焊缝、预埋件、钢梁、钢柱的搭建，建立完整的钢结构模型，甄别设计缺陷； 检测预埋件位置是否合理，及时调整预埋件放置位置，防止浇筑完成后二次开孔植入预埋件； 细化模型节点，并进行三维可视化交底，指导施工，提高施工效率[7-8]。

图2 体育馆土建主体结构模型

图3 体育馆钢结构模型

图4 体育馆钢结构细部节点深化模型

图5 体育馆整合模型

图6 漫游检测示意图

将创建的钢结构三维模型导出IFC格式，进一步链接导入Revit中与体育馆土建主体结构进行三维模型的整合，整合模型如图5所示。

通过模型的创建以及模型的链接整合，使得建筑空间信息模型直观清楚地得以表达，提高钢结构加工制作以及安装效率[9]，从而大大提高工程建设效率。

3.2 漫游检测、施工模拟

通过利用BIM技术软件lumion对所创建的模型进行漫游检测如图6所示示意图，可以有效地检测钢结构与土建主体结构是否精确对接，预埋件预埋位置是否准确，钢结构之间是否存在位置上的冲突，构件尺寸是否存在偏差，及时发现找出其中存在的问题，提前进行改正处理，防患于未然，避免后期一些没必要返工和浪费，提高施工效率[10-12]。

建筑施工是一个高度动态的过程，通过将BIM与施工进度计划相链接，将空间信息与时间信息整合在一个可视的4D(3D+Time)模型中，能够直观形象、精确地反映整个建筑的施工过程和虚拟形象进度[13-14]，及时发现计划进度与实际进度存在的偏差，并组织采取有效措施缩小偏差，提高施工效率，缩短工期，降低成本，如图7所示。

3.3 基于BIM+MIDAS的钢结构卸载数值模拟

(1)体育馆钢结构卸载工作主要为拆除4榀主桁架的临时支撑[15]。由于结构跨度较大，不可直接割除支撑杆件，需用千斤顶设备以位移控制法对整体结构进行缓慢卸载。在卸载过程中，整体结构由有临时支撑状态转化为原设计悬挑刚架状态，结构体系将发生改变，刚架杆件内力将重分布，内力变化较复杂，需对整个结构的卸载过程进行全过程分析[16]，根据数值计算结果确定卸载方案。本工程拟采用分级同步卸载方法，将结构划分6步卸载完成。基于BIM的支撑布置如图8所示。

图7 施工模拟示意图

图8 临时支撑示意图

(2)计算条件

1)卸载前，屋面檩托板均应焊接于主体结构，在卸载分析时，只需考虑主体结构自重，因未考虑连接板等零件重量，故其自重放大1.2倍系数；

2)本卸载方案所采用的模型为起拱后的几何模型。起拱高度按钢结构设计总说明要求L/1000执行。

3)计算软件

本卸载方案采用MIDAS GEN 2017版计算分析，采用节点强制位移模拟千斤顶，利用节点强制位移模拟千斤顶定量下移的过程进行卸载全过程分析。

4)荷载组合

卸载过程验算主要采用的荷载组合如下：

a.计算结构位移组合

1.2×自重

b.构件安全性验算组合

1.2×自重+1.4×x向风

1.2×自重+1.4×y向风

5)计算模型

图9 计算模型示意图

6)卸载过程分析结果

本结构采用同步等距离卸载方法，卸载过程分6级，图10表示卸载前结构应力，图11表示结构在每级卸载过程中的应力图。

a.卸载前结构验算

图10 卸载前结构应力

主体结构和支撑结构的应力比如图10所示，结构杆件应力最大为63.4N/mm2，小于钢材强度值(295 N/mm2)，满足要求。

b.卸载过程各级卸载验算

图11 卸载过程各级结构应力

主体结构和支撑结构的应力比如图11所示，结构杆件应力最大为84.8N/mm2，小于钢材强度值(295 N/mm2)，满足要求； 卸载完毕。

7)结论

根据对施工过程的分析验算结果，可得出以下结论：

在整个卸载过程中，结构最大应力为84.8N/mm2，结构最大应力比为0.29，表明同步卸载过程，主体结构满足安全要求； 整个卸载过程安全、可靠，本卸载方案可行。

3.4 BIM+云平台进行项目协同管理

云端是一种能够储存大量数据和管理的网络虚拟化平台，本项目利用公司购买的广联达云空间搭建云端服务器，该云空间内部存储空间足够大，足以支撑整个项目全寿命周期使用，将项目上的图纸、模型、设计变更、工程照片以及各种数据等部署在云端，将施工现场管理人员、技术人员、施工作业人员等相关人员邀请加入此云平台中[17]，此时储存于云端的各种信息、数据均可以被共享，大大加快了数据、信息的流转，提高各部门各单位之间的协作效率，在施工现场进行施工时，相关人员可以随时通过手机端进行图纸、模型、构件信息查询，如图12所示，通过利用云端进行项目协同管理大大提高施工效率。

图12 利用云端进行项目协同管理

3.5 基于BIM+VR进行质量信息追溯

VR是一种虚拟现实技术，可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟现实环境，是将多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中[18]，如图13。本项目借助VR技术，将项目BIM数据信息传递至VR数据库中，在VR程序中点击任一钢结构构件，可追溯查询焊接人员信息、职业资格证书、验收人员信息等，有效提高项目过程管理和质量管控，如图14所示。

图13 BIM+VR沉浸式体验

图14 BIM+VR进行质量信息追溯

4 总结与展望

基于BIM技术的体育馆钢结构智慧化施工管理，通过三维精细化模型的创建可以直观表达钢结构空间几何构造以及细部节点深化构造等； 通过漫游检测、施工模拟的应用，能够及时甄别设计缺陷，判别预埋件位置是否合理，及时调整预埋件放置位置，防止浇筑完成后二次开孔植入预埋件，通过将空间信息与时间信息整合在一个可视的4D模型中，可以直观地反映整个建筑的施工过程和虚拟形象进度。综合考虑施工流水段施工，确定优先施工区域。根据对模型进度控制明确施工产值，使得形象进度更加可视化、直观化，并将计划进度与实际进度进行对比分析，找出进度偏差，及时调整进度； 通过数值模拟钢结构卸载全过程以及进行分析研究，确保施工过程的安全可靠； 通过利用云端进行项目协同管理、VR进行质量信息追溯，有效提高施工效率、过程管控和质量管控。

BIM技术作为建筑界一种新兴技术，已经引起全世界的高度关注和重视，按照科学发展观的要求以及目前的发展趋势，我国近些年将全面推广新兴BIM技术，继续深挖研究BIM技术所具有的无限的潜能，将BIM技术在建筑界发挥出不可估量的价值。在现有成熟安装工艺基础上，进一步深挖研究BIM技术在各种钢结构安装施工中的应用，进一步提高BIM技术在建筑施工中的各种应用和熟练程度，提高施工效率和质量，降低成本，确保安全，有着十分重要的意义。