钢结构施工中基于BIM的4D施工模拟技术如何落地应用？

0引言

建筑项目从规划、可行性研究、初步设计、施工图设计，到项目采购、项目建设，所经过的步骤繁多。以往，在多且繁琐的步骤中制定工作计划需要经验丰富的技术人员协调各个专业后才能完成。尤其是施工工期计划的制定，往往只能依据直观性较差的二维设计平面图纸，且制定的计划可实施性存疑。

针对上述问题，基于BIM技术的4D施工方案模拟技术应运而生，4D为3D模型配合施工顺序（时间）而提出的一种新型概念。4D模型可以将建筑物以空间和时间等多角度进行呈现，在计算机中根据时间顺序对三维模型进行模拟。

1项目简介及施工难点

1.1项目简介

某城市国际会展中心位于新城区，距离市中心约12km，会展中心建筑总面积为35473.25m2，高度为23m。该会展中心共4层，其中地下1层，地上3层。该建筑结构主要以钢结构为主，设计容纳700个标准展位。金属屋面、玻璃幕墙和异形钢板组成了该结构的外部，屋檐采用不规则的形式，该结构外形犹如海中明珠，设计风格明快、简约。项目效果如图1所示。

图1 国际会展中心效果

1.2施工难点

1.2.1型钢结构中梁柱节点的施工

核心型钢混凝土组合结构体系（CSRC）是近些年国外提出的一种新型结构系统，可以优化和改善高层建筑结构的抗震性能。CSRC实质是将截面面积较小的钢管或型钢等钢结构设置在短肢剪力墙、框架柱、剪力墙或异形柱的端柱等核心位置的一种钢筋混凝土和型钢的结合体，其结构类型主要有：核心型钢混凝土剪力墙、核心型钢混凝土柱、核心型钢混凝土异形柱以及核心型钢混凝土短肢剪力墙。近些年，CSRC在钢结构领域应用十分广泛，可以在加强抗震性能的基础上，兼顾高层钢结构的使用性能。本钢结构项目中在地上3层均设有型钢柱和型钢梁，型钢混凝土组合的结构柱形式有矩形和圆形两种，矩形柱的型钢为栓钉加矩形钢管构成，其截面尺寸为750mm×850mm；圆形柱的型钢为栓钉加圆钢管构成，其半径为500mm。结构梁分为XG1和XG2两种类型，其钢梁管截面及尺寸等详细信息如表1所示。

表1 钢梁截面及尺寸

常规设计中，梁节点和型钢混凝土柱的构造为钢梁的上、下翼板中间被钢管柱外侧的主筋穿过，而钢管柱则被位于型钢上的主筋穿过。由于本项目结构复杂，其平面并不是在同一标高上，且构件基本上与所有的梁节点和柱节点相交，其中相交最为复杂的某根钢柱与8根型钢相交，所以本项目钢筋盘根错节，密集度高且节点复杂，在施工时不能按照传统的相交方式。因此，在施工时既要解决型钢混凝土的整体性又要保证达到设计的结构强度。

1.2.2型钢起吊

屋面钢架的形状为大圆环形，是本钢结构施工的重点及难点所在。该大圆形屋面钢梁的直径为35.128m，安装高度为37.124m，其中屋面的最高

处标高为35.520m。屋面的H型钢梁为H2460×660×18×32，钢梁的截面面积及质量大，节点螺栓数量多，其施工时需要在高空停留相对较长的时间。此外由于该结构不是单层结构，施工时大型吊车由于施工空间不足，无法在跨内完成吊装。两根钢梁需在中圆环中心处合龙且需要两根钢梁同步进行吊装。综上所述，此部位施工难度非常大，国内外可参照的实例较少。表2为钢结构中屋顶大圆环钢梁详细信息。

表2 钢结构中屋顶大圆环钢梁具体参数

1.2.3工期紧张

本工程需要在2016年10月1日前投入运营使用，包括钢结构、土建、水电安装在内的所有工程需要在242d内全部完成。地下一层由于功能不同，其高程并不一样，地下一层面积很大，其建筑面积达5012m2。地上3层主体工程为钢结构、部分工程为混凝土和型钢组合结构。整体结构复杂，涉及土建、机电、规划、移民和施工等多个不同专业，需要多个专业之间相互协调沟通，配合难度较大。

2基于BIM平台的4D施工模型分析

针对上述难点，决定借助BIM平台，建立4D模型进行施工模拟。BIM技术可以起到优化管理和辅助施工等目的。具体步骤为：在设计院提供的2D图纸的基础上，基于BIM平台，建立钢结构的空间实体模型，该模型可实现模拟化、可视化等功能，且可以对起吊、钢筋穿插和型钢梁柱连接进行动态模拟，对复杂节点的施工顺序进行调整和模拟。BIM平台的4D施工模拟实现了指导施工、优化施工、控制建安成本、掌握施工进度等效果。

2.1模型的建立

BIM4D施工模拟技术主要是借助由AutoDesk公司开发的Navisworks系列软件实现的。该软件是一款用于信息交流、项目分析和施工进度模拟的智能软件，可以协调和识别碰撞与冲突，查看和模拟施工进度，方便各个承包商和各专业之间协调和沟通，及时发现问题，提高管理水平。该软件功能强大，相比于其他同类型软件，具有如下优势：可以实现几乎所有建筑物的实时漫游，不受模型大小和复杂程度的约束；操作界面简洁，易于上手，任何角度的复杂场景和文字都可以简化后发送；兼容性好，可以无障碍地兼容包括ArchiCAD、Autodesk、鲁班BIM等系列软件。图2和图3分别为建立的3D和4D模型。

图2 国际会展中心三维结构模型

图3 基于BIM 技术的4D 施工模拟模型

2.2模拟型钢组合结构中梁柱节点的施工过程

该钢结构施工中最复杂的部分就是节点的连接，主要由型钢结构组成。本结构型钢混凝土如何布置梁节点的钢筋和组合柱是施工的难点，因为型钢结构内钢筋密度很大，施工空间狭小，如果施工工艺达不到要求，不仅无法满足设计和国家相关技术标准要求，而且容易埋下安全隐患。所以，不仅需要尽量避免对梁截面和型钢柱的干扰，而且需要明确节点中钢筋的布置问题。在本项目中，由于该平面为不规则形状且多根梁与之相交，而从钢柱中穿过主筋的方法无法满足强度要求，如何处理梁柱连接处的主筋是现场技术人员的难题。针对上述情况，4D模型模拟了一个相对真实的平台。图4为某个节点平面和BIM模型的节点。

图4 节点平面及模型

经过研究分析，决定节点的连接形式和钢结构构件的放置顺序为：首先安装柱内的主筋，然后安装节点处的箍筋并将主筋与环板通过焊接的形式相连，安装梁处的框架筋、梁下的主筋和框架筋，然后在梁钢筋中加入拉钩，最后浇筑混凝土。图5为对某个复杂节点的施工顺序模拟。

图5 复杂节点的施工步骤模拟

2.3模拟型钢的吊装

该结构的型钢呈八角形，位于结构内部顶端的大圆盘处，该型钢的梁高为2.6m，质量达8.24t，其中中心部位质量为4.52t，跨外吊装的高度要求大于22m，所以如何安全准确地完成该型钢的吊装是一个难点，同时是该结构施工中的重点。通过BIM平台，建立与现场实际情况相同的4D模型，将吊机的位置、吊臂长度等确定，为现场技术负责人员提供有效的技术支持。如图6所示，将该钢结构的八角型钢进行编号，8号型钢起吊前需要将中心连接部位与H型钢连接后一同起吊。8号型钢的质量为12.6t，是8根型钢中质量最大的。经过受力分析，考虑受力平衡，决定在8号型钢安装后、安装4号钢梁，然后其他顺序为5号、1号、6号、3号、7号和2号。其中所需吊臂最长的钢梁为5号钢梁。

图6 钢梁吊装模拟

本项目由于需要两台吊机进行起吊，表3为8根钢梁的质量、吊机工作幅度和吊臂长度。其中确定吊机的类型需要在4次吊装的过程中找出最大吨数和最小吨数吊机中最大吊机的吨数。经过分析，最终确定采用130t＋180t汽车吊双机跨外双梁同步起吊安装。通过4D模型可以准确地确定吊装顺序和所需的吊装机类型。从而可以制定严格的吊装计划、有利于避免盲目吊装带来风险和带来的浪费，有效地规避风险，增加本次施工的安全指数，缩短施工工期。

表3 钢梁吊装信息

2.4控制成本和时间

施工工期是施工单位最为关注的问题之一，也是衡量施工企业能力的一项重要指标。BIM技术的引进可以优化施工顺序、缩短施工工期，从而降低成本。将软件Navisworks中的三维模型导入软件Microsoft／project中可得施工进度计划表，现场施工管理人员可以依据该计划表和4D模型制定周计划甚至日计划，这样可以更好地细化计划，以便于更好地在计划工期内完成施工工作。4D模型可以对复杂的施工工艺进行实施模拟，以指导施工，避免不必要的返工，提高工作效率。另外，项目负责人可以对比现场实际完成的情况与4D模型模拟的情况，及时发现不一致的地方并采取措施，避免由于错误延误工期。借助于BIM，现场负责人可以明确施工所需要的材料清单以及各种材料的规格指标，从而可以制定精准细致的采购或者加工计划，有效地提高工作效率，避免材料的浪费，降低成本。

3结束语

利用BIM平台的建立了4D施工模型，成功解决了某城市国际会展中心的施工技术难题。对该结构型钢组合结构中梁柱节点的连接进行了详细的模拟；对大圆盘型钢分为8个部分，确定采用130t＋180t汽车吊双机跨外双梁同步起吊安装，并确定了吊装的顺序；最后将建立的模型导入软件Microsoft／project中，制定了详细至每天的施工计划。工程实践表明，BIM平台的建立的4D施工模拟技术可以准确、直观地指导现场施工，在实际施工中可以提前发现并解决问题，方便不同分包商和各个专业之间的沟通协调，优化施工方案，减少不必要的返工，有利于提高效率，控制成本，具有较高的应用和推广价值。