孟祥寬，尚士平

（1.山東黃河工程集團(tuán)有限公司第一分公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東合晟建筑工程有限責(zé)任公司，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速和建筑技術(shù)的不斷創(chuàng)新，超高層建筑逐漸成為城市天際線的重要組成部分，鋼結(jié)構(gòu)因其高強(qiáng)度、輕質(zhì)化和良好的抗震性能，在超高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著建筑高度的增加和功能的日益復(fù)雜，超高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)施工面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，空間復(fù)雜鋼桁架作為超高層建筑的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，其施工技術(shù)的研究與應(yīng)用具有重要意義。近年來(lái)，BIM 技術(shù)以其強(qiáng)大的信息集成和共享能力，為空間復(fù)雜鋼桁架的施工提供了全新的解決方案。錢士元等[1]學(xué)者針對(duì)多層大跨復(fù)雜形式鋼結(jié)構(gòu)的吊裝問(wèn)題，利用BIM 技術(shù)對(duì)構(gòu)件的吊裝進(jìn)行全過(guò)程模擬，提高施工效率，保證吊裝精度。杜戰(zhàn)軍等[2]學(xué)者以某大跨鋼桁梁橋?yàn)槔?，提出了基于BIM 模型的參數(shù)化及精細(xì)化建模思路，并通過(guò)建立信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的模擬和施工現(xiàn)場(chǎng)的信息化管理。余文成等[3]學(xué)者則結(jié)合具體工程背景，初步編制了鋼桁架橋梁的信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)，為鋼桁架橋梁的信息化施工提供了依據(jù)。這些研究充分展示BIM 技術(shù)在空間復(fù)雜鋼桁架施工中的巨大潛力和應(yīng)用價(jià)值，然而，目前的研究還存在一些不足，如BIM 技術(shù)在施工過(guò)程中的具體應(yīng)用細(xì)節(jié)、施工效率與精度的提升策略等方面尚需進(jìn)一步探討。因此，本文旨在深入研究基于BIM 技術(shù)的空間復(fù)雜鋼桁架施工技術(shù)，分析其在施工過(guò)程中的應(yīng)用與效果，以期為解決超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中的技術(shù)難題提供新的思路和方法。

1 BIM 在空間復(fù)雜鋼桁架施工工程中的可行性分析

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)在空間復(fù)雜鋼桁架施工工程中的可行性分析主要體現(xiàn)在其多專業(yè)協(xié)同作業(yè)、信息模型參數(shù)化、可視化和模擬功能上。BIM 軟件作為一種廣義的應(yīng)用軟件，具有豐富的功能和靈活的應(yīng)用方式，能夠有效支持鋼桁架施工工程的復(fù)雜性和精密性要求。BIM 技術(shù)的多專業(yè)協(xié)同作業(yè)功能使得各個(gè)施工專業(yè)能夠在同一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。在鋼桁架施工中，涉及結(jié)構(gòu)、焊接、安裝等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，BIM 技術(shù)可以將專業(yè)的數(shù)據(jù)集成到同一個(gè)模型中，實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)和施工，減少信息傳遞和溝通的成本和錯(cuò)誤。BIM 技術(shù)的信息模型參數(shù)化能夠?qū)︿撹旒艿臉?gòu)件進(jìn)行精確的建模和參數(shù)化，通過(guò)BIM 軟件建立的三維模型能夠直觀地展現(xiàn)鋼桁架的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，幫助工程師和施工人員更好地理解和規(guī)劃施工流程，尤其是對(duì)于一些比較復(fù)雜的構(gòu)件以及特殊的節(jié)點(diǎn)，采用BIM 技術(shù)進(jìn)行二次深化，讓使用者對(duì)節(jié)點(diǎn)、零件等方面的問(wèn)題有更多的重視，并能及時(shí)地對(duì)其進(jìn)行修正和改進(jìn)，提高施工精度和效率。BIM 技術(shù)的可視化功能能夠?qū)?shù)據(jù)直觀地呈現(xiàn)為可視化的模型，幫助工程師和施工人員更直觀地了解工程的情況，在鋼桁架施工中，BIM 技術(shù)可以將施工過(guò)程模擬為三維動(dòng)畫，通過(guò)虛擬仿真功能優(yōu)化焊接工藝、施工方案等，幫助解決加工、安裝等繁雜的難題，幫助工程團(tuán)隊(duì)更好地規(guī)劃施工過(guò)程，預(yù)防和解決可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提高施工質(zhì)量和效率。

2 基于BIM 的空間復(fù)雜鋼桁架施工技術(shù)

2.1 工程概況

本項(xiàng)目為100 層高的超高層建筑，共布置4 根桁架，在不同的樓層上。其中，F(xiàn)48M ～F51、F98 ～F100 兩個(gè)層次，具有代表性的有跨多層空間曲面轉(zhuǎn)換桁架、空間錐臺(tái)復(fù)合桁架，如圖1 所示，該復(fù)合桁架的交叉點(diǎn)為鑄鋼結(jié)構(gòu)，由13 個(gè)不同截面的桿組成，相互交叉，形成形式非常復(fù)雜的結(jié)點(diǎn)。施工過(guò)程應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如下問(wèn)題：第一，深化設(shè)計(jì)。桁架鋼柱受力復(fù)雜，需進(jìn)行精細(xì)化建模，而單根角鋼重量81t，且由300 片板件組合而成，其建模難度較大。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要特別注意鋼柱的空間傾斜度和扭曲程度，以及合理安排零件板的拼接方式，以確保鋼柱的穩(wěn)定性和承載能力。環(huán)帶桁架的四面輪廓呈弧形內(nèi)凹，因此對(duì)于桁架的四面輪廓要進(jìn)行準(zhǔn)確的建模和設(shè)計(jì)，在建模過(guò)程中，桁架的非常規(guī)形狀，使用適當(dāng)?shù)慕９ぞ吆图夹g(shù)進(jìn)行模擬，以保證桁架的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性。第二，加工制作。空間椎臺(tái)復(fù)合桁架的匯交節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，涉及大量異型不等截面的桿件，匯交桿件最多處達(dá)13 根，在設(shè)計(jì)階段，要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和建模，確保匯交節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)合理性，同時(shí)，錐臺(tái)復(fù)合桁架連接節(jié)點(diǎn)多，多為異形、不等截面構(gòu)件，裝配精度難以控制，且焊接過(guò)程中存在熱量集中，容易引起變形，需要采用合理的加工與焊接工藝，在施工過(guò)程中要進(jìn)行精確的調(diào)整和安裝。第三，焊接質(zhì)量和安全防護(hù)。桁架構(gòu)件均由厚板構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)焊接多為全熔透的對(duì)接焊縫，對(duì)焊接質(zhì)量有較高的要求，尤其是空間錐臺(tái)形桁架的節(jié)點(diǎn)柱為鑄鋼結(jié)構(gòu)，其吊裝和焊接工作在高空進(jìn)行，并且大部分構(gòu)件為異形截面，需要采取特殊的高空安全防護(hù)措施，確保施工安全。

圖1 桁架分布圖

2.2 BIM 軟件合理分段分節(jié)

針對(duì)F48M-F51 層轉(zhuǎn)換桁架的特殊性和復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)初期，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行精確建模，可以全面考慮桁架的空間分布、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和吊裝需求?？紤]到道路運(yùn)輸?shù)南拗疲侄畏止?jié)的首要原則是確保構(gòu)件尺寸在可運(yùn)輸范圍內(nèi)，涉及對(duì)桁架進(jìn)行精確的尺寸分析和計(jì)算，以確保每個(gè)分段都能順利運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)，構(gòu)件的重量也是一個(gè)關(guān)鍵因素，過(guò)重的構(gòu)件可能會(huì)超出塔吊的吊裝能力，因此需要根據(jù)塔吊的性能要求來(lái)合理劃分構(gòu)件的重量，在設(shè)計(jì)階段需要進(jìn)行詳細(xì)的荷載分析和計(jì)算，確保每個(gè)分段的重量都在塔吊的可承受范圍內(nèi)。除了尺寸和重量，要注重分節(jié)位置的選擇，方便現(xiàn)場(chǎng)施工操作，分節(jié)位置應(yīng)盡量選擇在桿件對(duì)口處，減少現(xiàn)場(chǎng)焊接和連接的工作量，提高施工效率。通過(guò)BIM 軟件將F48M-F51 層轉(zhuǎn)換桁架分節(jié)后，具體構(gòu)件信息如表1 所示。

表1 構(gòu)建分節(jié)信息

2.3 桁架虛擬預(yù)拼裝、建造技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 跨多層空間曲面轉(zhuǎn)換桁架虛擬預(yù)拼裝

針對(duì)跨多層空間曲面轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的實(shí)體預(yù)制裝配方式，其工作效率低、造價(jià)高。為了克服這些問(wèn)題，本項(xiàng)目采用3D 激光掃描和BIM 技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行虛擬預(yù)制裝配，虛擬預(yù)組裝技術(shù)在零件的周圍建立若干個(gè)掃描點(diǎn)，能夠全面、精確地捕捉每個(gè)構(gòu)件的幾何形狀和尺寸數(shù)據(jù)。當(dāng)所有站點(diǎn)的數(shù)據(jù)匹配完成后，數(shù)據(jù)被導(dǎo)入到專用的數(shù)據(jù)處理軟件中，經(jīng)過(guò)一系列算法處理，生成高度真實(shí)的三維模型。接下來(lái)，利用Qualify 軟件，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行預(yù)拼裝，不僅減少物理胎架的使用，還允許在拼裝過(guò)程中進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整和優(yōu)化，從而確保最終的拼裝合格率。在加工階段完成后，對(duì)每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行逐個(gè)掃描，確保采集到的是最準(zhǔn)確、最完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.3.2 空間曲面環(huán)帶桁架虛擬建造技術(shù)

（1）多層空間曲面轉(zhuǎn)換桁架虛擬建造

F48M-F51 環(huán)形桁架，是最大的轉(zhuǎn)換桁架，多層空間表面的過(guò)渡，鋼桿與弦管、腹桿之間有大量的對(duì)接界面，都使得這一施工任務(wù)變得異常復(fù)雜。通過(guò)借助BIM 軟件的力量，對(duì)桁架進(jìn)行合理化的分節(jié)，即便面對(duì)最大重達(dá)81t 的構(gòu)件，也能游刃有余。通過(guò)虛擬建造，在虛擬環(huán)境中對(duì)構(gòu)件的吊裝順序進(jìn)行多次優(yōu)化，直至找到最優(yōu)解，同時(shí)，虛擬建造技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)高空操作平臺(tái)及安全防護(hù)的同步搭設(shè)，提前規(guī)劃好各工序的施工順序和安全防護(hù)措施，確保在實(shí)際施工過(guò)程中，各工序能夠安全有序地進(jìn)行[4]。

（2）虛擬模型受力驗(yàn)算

為保證F48M-F51 結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，以Midas/gen 為計(jì)算工具，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行細(xì)致的校核。在建模過(guò)程中，著重關(guān)注塔吊爬升框鋼梁安裝過(guò)程中影響較大的東側(cè)和南側(cè)外框柱，這些區(qū)域在桁架安裝過(guò)程中可能會(huì)受到較大的應(yīng)力和變形。在荷載取值方面，考慮到鋼柱懸空狀態(tài)下的自重和風(fēng)荷載，采用了1.2 的自重系數(shù)和0.4kN/m2的風(fēng)荷載取值，能夠更全面地反映實(shí)際情況，為后續(xù)的受力驗(yàn)算提供可靠的依據(jù)。經(jīng)過(guò)midas/gen 軟件的計(jì)算分析，得到東側(cè)和南側(cè)鋼柱的受力及變形情況，從驗(yàn)算結(jié)果來(lái)看，無(wú)論是東側(cè)還是南側(cè)鋼柱，其最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均在可接受的范圍內(nèi)，且變形量也在預(yù)期之內(nèi)，在虛擬安裝過(guò)程中，鋼柱的受力及偏移均能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

（3）虛擬焊接順序

環(huán)帶桁架作為建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其焊接質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)建筑的安全性和穩(wěn)定性，考慮到F48M-F51 層跨多層空間曲面轉(zhuǎn)換桁架的特殊性，主要對(duì)其焊接流程進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃和優(yōu)化。桁架使用的Q390GJC 材質(zhì)以及多種規(guī)格的板厚（30、40、60、80mm），特別是高達(dá)90%的厚板占比，使得焊接工作變得異常復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性[5]。為保證焊接質(zhì)量，應(yīng)首先對(duì)具有大收縮量和高拘束度的焊縫進(jìn)行焊接，然后進(jìn)行小收縮量和小拘束的焊縫，減少焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，避免應(yīng)力集中，從而更好地滿足焊接質(zhì)量的要求。F48M-F51 層桁架的焊接首先從下弦桿開始，逐步進(jìn)行上弦桿、斜腹桿、中弦桿的焊接。隨后，再依次進(jìn)行一節(jié)鋼柱和二節(jié)鋼柱的焊接，直至整個(gè)桁架的焊接工作完成。

（4）空間錐臺(tái)復(fù)合桁架虛擬建造

空間錐臺(tái)復(fù)合桁架是一種復(fù)雜而精密的建筑結(jié)構(gòu)，其建造過(guò)程需要經(jīng)過(guò)精心策劃和嚴(yán)格執(zhí)行，在虛擬建造的過(guò)程中，每一步都至關(guān)重要，必須確保每一步的準(zhǔn)確性，以保證最終結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。虛擬建造流程遵循從核心筒到外部桁架，從下到上，從內(nèi)部到外部的邏輯順序。在拆完核心筒塔架后，首先要做的就是安裝角鐵節(jié)點(diǎn)及與之連接的下弦節(jié)點(diǎn)，以保證網(wǎng)架的穩(wěn)定。待核心筒內(nèi)剩余混凝土澆筑完畢后，立即進(jìn)行下弦管和相連接的平面鋼梁的安裝，待下弦管完工后，再進(jìn)行桁架柱的安裝，與之連接的弦管的安裝，以及上弦板和腹桿的安裝，使桁架的整體結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步的穩(wěn)定[6]。隨后空間錐臺(tái)復(fù)合桁架的外層桁架鋼柱開始安裝，以及安裝內(nèi)、外桁架相連的桿件單元，實(shí)現(xiàn)桁架內(nèi)部和外部的有效連接。同一步驟中，通過(guò)安裝外桁架鋼柱、圓弧梁等構(gòu)件，提高桁架的整體穩(wěn)定性能和美觀性，并在此基礎(chǔ)上，安裝內(nèi)外桁架間的腹桿，提高桁架的整體剛度與穩(wěn)定性，將其他桿件安裝在上弦桿上，實(shí)現(xiàn)組合桁架主體結(jié)構(gòu)的順利安裝。

2.4 桁架裝配化施工

在本工程中，桁架式鋼柱的構(gòu)造尤其特殊，都是異型截面，且具有斜向彎折的特征，使其空間結(jié)構(gòu)顯得格外復(fù)雜。以F48M到F51多層空間彎曲桁架為研究對(duì)象，其主要桿件數(shù)目多、體積大，通過(guò)BIM 對(duì)其進(jìn)行精確拆分，發(fā)現(xiàn)20t 以上的主要桿件有96 個(gè)，最大的一個(gè)高達(dá)81t。除了重量因素，桁架四面輪廓的弧形內(nèi)凹設(shè)計(jì)也增加了施工的難度，這種設(shè)計(jì)不僅要求施工團(tuán)隊(duì)具備高超的空間定位能力，還需要他們掌握精確的測(cè)量方法，在這樣的背景下，BIM 軟件的應(yīng)用顯得尤為重要，通過(guò)BIM 軟件，能夠在虛擬環(huán)境中對(duì)桁架進(jìn)行詳細(xì)的模擬和分析，找出最佳的施工方案。在實(shí)際施工過(guò)程中，利用BIM 軟件對(duì)桁架進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，通過(guò)加設(shè)吊耳、連接板以及卡碼等輔助設(shè)備，確保桁架的穩(wěn)定性和安全性，以及采用螺栓臨時(shí)緊固的方式，使得桁架的裝配過(guò)程更加迅速和高效。吊耳的位置和數(shù)量都是根據(jù)BIM 軟件的模擬結(jié)果來(lái)確定的，以確保在吊裝過(guò)程中能夠均勻受力，避免產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力或變形。對(duì)于角框柱的吊裝，特別設(shè)計(jì)4 個(gè)吊耳，并使用6 組連接板進(jìn)行緊固，確保角框柱在吊裝過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性，如圖2 所示。

圖2 BIM 軟件設(shè)置吊耳

每個(gè)吊耳都經(jīng)過(guò)精密計(jì)算和工程驗(yàn)證，能夠承受角框柱的重量和吊裝過(guò)程中的各種力量，連接板的使用進(jìn)一步增強(qiáng)吊裝系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，有效防止角框柱在吊裝過(guò)程中發(fā)生不穩(wěn)定或傾斜的情況。同時(shí)，還采用了雙面坡口焊接技術(shù)，將吊耳焊接在距柱頂150mm 的位置，保證焊接的牢固性，避免對(duì)柱體造成過(guò)大的熱影響。在構(gòu)件吊裝就位后，通過(guò)螺栓進(jìn)行緊固，確保各個(gè)部件之間的連接牢固可靠以及合理加設(shè)吊裝輔助措施，實(shí)現(xiàn)塔吊的快速摘鉤，進(jìn)一步提高施工效率[7]。

3 結(jié)論

本文通過(guò)深入剖析了BIM 軟件在桁架分段分節(jié)、虛擬預(yù)拼裝以及虛擬建造等方面的應(yīng)用，并通過(guò)具體案例展示了BIM 技術(shù)在施工過(guò)程中的實(shí)際效果。BIM 技術(shù)的應(yīng)用使得空間復(fù)雜鋼桁架的施工過(guò)程更加精準(zhǔn)、高效和安全，通過(guò)BIM 軟件的精確建模和虛擬仿真，施工團(tuán)隊(duì)能夠提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在問(wèn)題，幫助施工團(tuán)隊(duì)精確控制施工質(zhì)量，確保每個(gè)施工環(huán)節(jié)都符合設(shè)計(jì)要求，從而提升整體施工質(zhì)量。主要結(jié)論如下：

（1）BIM 技術(shù)在空間復(fù)雜鋼桁架施工中具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高施工效率、確保施工質(zhì)量和降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

（2）通過(guò)BIM 軟件的精確建模和虛擬仿真功能，施工團(tuán)隊(duì)能夠更好地理解和規(guī)劃施工過(guò)程，優(yōu)化施工方案，提高施工精度和效率。

（3）BIM 技術(shù)的應(yīng)用將有助于推動(dòng)空間復(fù)雜鋼桁架施工技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，提升建筑行業(yè)整體的施工水平和技術(shù)含量。