張俊松

上海市北高新（集團(tuán)）有限公司 上海 200436

1 工程概況

上海靜安43街坊項(xiàng)目地下2層、地上14層，總高度80 m，總用地面積5 705 m2，總建筑面積27 160 m2。項(xiàng)目西側(cè)鄰近軌交8號(hào)線(xiàn)曲阜路站，地下室結(jié)構(gòu)與地鐵站臺(tái)結(jié)構(gòu)最近水平距離2.2 m，地面現(xiàn)有使用中的4個(gè)3.5～5.5 m地鐵風(fēng)井，以及2個(gè)地鐵人行出入口；北側(cè)鄰近軌交12號(hào)線(xiàn)區(qū)間隧道。

該工程主體采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，樓面系統(tǒng)采用鋼筋混凝土井格梁板體系，外立面采用非透明幕墻與透明幕墻結(jié)合形式。2～4 層樓面采用整層鋼結(jié)構(gòu)桁架懸挑（圖1）。

圖1 43街坊項(xiàng)目效果圖

2 施工難點(diǎn)

1）地塊緊貼軌交8號(hào)線(xiàn)曲阜路地鐵站臺(tái)結(jié)構(gòu)，地下室結(jié)構(gòu)與地鐵結(jié)構(gòu)最近水平距離2.2 m。地鐵站地上還存在2處使用中的風(fēng)井、2處人流密集的人行出入口，施工階段既不能影響地鐵的正常運(yùn)營(yíng)，同時(shí)又要確保地鐵乘客出入的安全。

2）施工場(chǎng)地面積狹小，塔樓懸挑鋼結(jié)構(gòu)位于地鐵車(chē)站投影線(xiàn)正上方，已經(jīng)與已有的地鐵風(fēng)井重合，懸挑部位鋼結(jié)構(gòu)吊裝沒(méi)有足夠場(chǎng)地停放汽車(chē)吊。

3）1層勁性鋼柱為Y形柱，高度達(dá)10.05 m，鋼柱定位、臨時(shí)固定要求高，支模難度大；鋼梁截面最大為H1 800 mm×800 mm×60 mm×60 mm，鋼結(jié)構(gòu)鋼梁?jiǎn)渭畲筚|(zhì)量初步計(jì)算為32 t，遠(yuǎn)超出現(xiàn)場(chǎng)塔吊的吊裝能力。

3 項(xiàng)目BIM應(yīng)用特點(diǎn)

與CAD相比，BIM更加立體、直觀，并且綜合性更強(qiáng)，包含的信息更全面。其在整個(gè)周期包括設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)都能夠廣泛應(yīng)用，具有高度的共享性和傳遞性。并且能使不同類(lèi)型的工作組別可聯(lián)合對(duì)建筑信息進(jìn)行及時(shí)管理，把設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位、施工單位等各方聯(lián)系成有機(jī)整體，開(kāi)展有效的合作，指導(dǎo)施工，提高了工作效率，節(jié)約了成本。

4 懸挑鋼結(jié)構(gòu)BIM建模

該項(xiàng)目懸挑鋼結(jié)構(gòu)采用Autodesk Revit Structure軟件結(jié)合整體結(jié)構(gòu)建模，BIM模型應(yīng)用主要包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及整體結(jié)構(gòu)2個(gè)層次的相關(guān)附屬信息，例如：結(jié)構(gòu)建模和計(jì)算、規(guī)范校核、三維可視化輔助設(shè)計(jì)、工程造價(jià)信息、施工圖（加工圖）文檔、其他有關(guān)信息明細(xì)表等[1]。

在結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次信息中，BIM模型存儲(chǔ)了構(gòu)件的材料、截面、方位和幾何信息等，可即時(shí)進(jìn)行顯示和查詢(xún)。軟件系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)可自動(dòng)判斷結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非圖形數(shù)據(jù)，包括梁柱的定義、空間方位、截面尺寸等，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)識(shí)別梁柱等構(gòu)件連接類(lèi)型并配上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，達(dá)到三維實(shí)體信息核心的參數(shù)化和智能化。

在整體結(jié)構(gòu)層次信息中，完整的三維實(shí)體信息模型提供基于虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化信息，對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的施工提供指導(dǎo)，對(duì)施工中可能遇到的構(gòu)件碰撞進(jìn)行預(yù)測(cè)及檢測(cè)（圖2）。

圖2 BIM結(jié)構(gòu)模型示意

5 BIM模型的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

BIM模型的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是利用軟件進(jìn)行預(yù)拼裝，實(shí)現(xiàn)“所見(jiàn)即所得”的過(guò)程。BIM模型采用參數(shù)化的三維實(shí)體信息描述結(jié)構(gòu)單元，以梁柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件為基本對(duì)象，取代了CAD圖紙中的點(diǎn)、線(xiàn)、面等幾何元素。BIM結(jié)構(gòu)模型中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)具有真實(shí)構(gòu)件的屬性和特性，因此能夠保持構(gòu)件在真實(shí)世界的相互關(guān)系。

懸挑鋼結(jié)構(gòu)共計(jì)4層，底層為Y形柱支撐，2～4層為結(jié)構(gòu)層，懸挑鋼結(jié)構(gòu)區(qū)域總構(gòu)件數(shù)144個(gè)，總體積43.22 m3，總質(zhì)量約339 t。最長(zhǎng)懸挑鋼梁跨度17.8 m，質(zhì)量32 t（圖3）。

該項(xiàng)目BIM模型的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)除了考慮工廠(chǎng)的焊接和裝配工藝外，還須兼顧工地現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中的情況，例如：安裝順序、安裝空間的預(yù)留、構(gòu)件設(shè)計(jì)質(zhì)量和重心位置、吊耳和手孔、鋼筋穿孔和連接等，均可通過(guò)BIM模型實(shí)現(xiàn)實(shí)體表現(xiàn)（圖4）。

圖3 懸挑鋼結(jié)構(gòu)區(qū)域示意

圖4 勁性梁柱節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)模型

6 鋼結(jié)構(gòu)BIM碰撞檢測(cè)

6.1 碰撞檢測(cè)分類(lèi)

該項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)部分的BIM碰撞檢測(cè)通過(guò)利用Revit軟件建立BIM模型，經(jīng)由過(guò)程碰撞檢測(cè)體系，整合BIM的建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等各專(zhuān)業(yè)模型，查找出模型中的碰撞點(diǎn)，包括結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)間的碰撞、結(jié)構(gòu)與建筑間的碰撞、結(jié)構(gòu)與機(jī)電設(shè)備間的碰撞等，形成碰撞檢測(cè)報(bào)告。

針對(duì)碰撞點(diǎn)進(jìn)行分析并排除合理碰撞后，協(xié)調(diào)主要的建筑構(gòu)件和系統(tǒng)管線(xiàn)，修改圖紙并完善模型，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，通過(guò)提早發(fā)現(xiàn)沖突、解決問(wèn)題，提高效率、減少浪費(fèi)。

軟件所提供的檢測(cè)分為硬碰撞與軟碰撞（間隙碰撞）2種，硬碰撞是指實(shí)體與實(shí)體之間的交叉碰撞，用于檢查2個(gè)幾何圖形間的實(shí)際交叉碰撞；軟碰撞（間隙碰撞）是指實(shí)體間實(shí)際并沒(méi)有碰撞，但間距和空間無(wú)法滿(mǎn)足相關(guān)施工要求，用于檢查幾何圖形之間的特定距離。

6.2 碰撞檢測(cè)主要內(nèi)容

6.2.1 結(jié)構(gòu)碰撞檢測(cè)

該項(xiàng)目的主樓結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，從內(nèi)到外分別有混凝土核心筒、鋼結(jié)構(gòu)樓層、內(nèi)幕墻結(jié)構(gòu)、外幕墻支撐和外幕墻。這些結(jié)構(gòu)涉及多家安裝、加工企業(yè)，各項(xiàng)專(zhuān)業(yè)的深化設(shè)計(jì)工作也需要相互穿插進(jìn)行。

結(jié)構(gòu)碰撞檢測(cè)內(nèi)容分為5項(xiàng)：混凝土核心筒與主樓鋼結(jié)構(gòu)、主樓鋼結(jié)構(gòu)與內(nèi)幕墻、主樓鋼結(jié)構(gòu)與外幕墻支撐、內(nèi)幕墻與外幕墻支撐、外幕墻支撐與外幕墻。

碰撞檢查后主要存在3種碰撞原因：建模不精確、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)處理不合適、加工廠(chǎng)為了保證現(xiàn)場(chǎng)安裝的準(zhǔn)確性而特意加長(zhǎng)構(gòu)件[2]。

施工圖設(shè)計(jì)階段幕墻顧問(wèn)單位介入后，通過(guò)Rhino、CATIA、Dyanmo軟件繼續(xù)深化建筑外表皮模型，再與建筑專(zhuān)業(yè)、結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的BIM模型整合，檢查碰撞問(wèn)題。各專(zhuān)業(yè)模型整合在Navisworks軟件中，用該軟件的碰撞檢查功能進(jìn)行幕墻與其他專(zhuān)業(yè)的沖突檢查，并反饋到原始模型中優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化過(guò)程中將Rhino模型導(dǎo)出為sat格式并導(dǎo)入Revit中作為土建模型的修改參照基礎(chǔ)。

6.2.2 管線(xiàn)碰撞檢測(cè)

管線(xiàn)碰撞檢測(cè)重點(diǎn)包括：留洞核查、管井核查、凈高核查、防火卷簾核查、門(mén)高核查、風(fēng)井吊板、雙層板核查、空調(diào)機(jī)位吊板、水管、風(fēng)管、電纜橋架等。在Revit軟件中，碰撞可以有選擇地進(jìn)行，如只檢查風(fēng)管與結(jié)構(gòu)的碰撞、風(fēng)管之間的相互碰撞，或污水管與風(fēng)管的碰撞等。NavisWorks軟件則在制作管線(xiàn)碰撞過(guò)程中可以為所有項(xiàng)目相關(guān)人員提供整體項(xiàng)目直觀的視圖，以促進(jìn)設(shè)計(jì)決策、施工圖紙管理、施工情況預(yù)測(cè)與規(guī)劃，以及今后對(duì)設(shè)施的管理與運(yùn)營(yíng)。Revit軟件提供的碰撞檢查功能相對(duì)單一，主要檢查結(jié)構(gòu)、管道之間的硬碰撞；軟碰撞條件更復(fù)雜，則導(dǎo)入到Navisworks軟件中進(jìn)行。

經(jīng)過(guò)碰撞檢測(cè)形成的43街坊項(xiàng)目沖突分析報(bào)告中，發(fā)現(xiàn)的主要沖突問(wèn)題包括：套管未開(kāi)洞、開(kāi)洞有誤，墻梁板開(kāi)洞錯(cuò)誤或未開(kāi)洞，相互碰撞或硬沖突，空間不足，圖紙錯(cuò)漏等五大類(lèi)。沖突分析報(bào)告發(fā)現(xiàn)問(wèn)題共計(jì)108處，其中套管未開(kāi)洞、開(kāi)洞有誤18處，墻梁板開(kāi)洞錯(cuò)誤或未開(kāi)洞13處，相互碰撞或硬沖突25處，空間不足11處，圖紙錯(cuò)漏41處。

6.3 鋼結(jié)構(gòu)BIM碰撞檢測(cè)實(shí)施流程

鋼結(jié)構(gòu)BIM碰撞檢測(cè)從開(kāi)始到實(shí)施可分為4個(gè)階段：

1）根據(jù)招標(biāo)圖紙進(jìn)行專(zhuān)業(yè)深化設(shè)計(jì)，在建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電模型基礎(chǔ)上，專(zhuān)業(yè)圖紙審批通過(guò)后進(jìn)行各專(zhuān)業(yè)設(shè)備管線(xiàn)的建模，通過(guò)建模過(guò)程梳理各分系統(tǒng)內(nèi)部的碰撞及錯(cuò)漏問(wèn)題，并提交設(shè)計(jì)方進(jìn)行圖紙及模型修改。然后將各專(zhuān)業(yè)模型整合，結(jié)合空間要求及設(shè)計(jì)原則進(jìn)行初步的管線(xiàn)排布。

2）基于第一階段模型進(jìn)行BIM軟件系統(tǒng)自動(dòng)碰撞檢查并輸出結(jié)果，撰寫(xiě)并提供碰撞檢查報(bào)告，定義問(wèn)題信息。設(shè)計(jì)方根據(jù)報(bào)告核對(duì)并回復(fù)意見(jiàn)，修改施工圖紙。

3）召開(kāi)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)例會(huì)、設(shè)計(jì)交底會(huì)、施工例會(huì)等會(huì)議時(shí)，以模型作參照、以視頻作交流，改“看圖說(shuō)話(huà)”為“看模型說(shuō)話(huà)”。與深化單位定制繪圖標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間達(dá)到“圖、模合一”，并保證與施工實(shí)際情況一致。設(shè)計(jì)例會(huì)各方共同檢查，模型再次驗(yàn)證，進(jìn)行修改優(yōu)化；重復(fù)以上工作，直到無(wú)碰撞為止。

4）項(xiàng)目部對(duì)勞務(wù)分包單位進(jìn)行BIM的可視化交底，重點(diǎn)復(fù)雜部位詳細(xì)解說(shuō)安裝細(xì)節(jié)，體現(xiàn)為各專(zhuān)業(yè)平面、剖面交底等。安裝后由施工員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)復(fù)核，確保安裝數(shù)據(jù)與交底圖紙一致。

7 鋼結(jié)構(gòu)BIM施工模擬

7.1 施工方案優(yōu)化

BIM施工現(xiàn)場(chǎng)模擬是把BIM模型結(jié)合預(yù)定的施工方案和施工計(jì)劃進(jìn)度，在Navisworks軟件中進(jìn)行4D仿真模擬，借此分析可能存在的問(wèn)題和矛盾。

針對(duì)該工程的起吊質(zhì)量大、施工場(chǎng)地小、保護(hù)要求高的施工難點(diǎn)，經(jīng)BIM施工模擬優(yōu)化，整體施工方案調(diào)整為：地下部分鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝，使用汽車(chē)吊在棧橋上進(jìn)行吊裝；剪力墻內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)柱吊裝采用塔吊吊裝；地上部分鋼結(jié)構(gòu)主要采取汽車(chē)吊進(jìn)行吊裝；部分無(wú)法使用汽車(chē)吊進(jìn)行吊裝的構(gòu)件，則考慮使用鋼桅桿加卷?yè)P(yáng)機(jī)再加吊裝滑輪組進(jìn)行。

其中，主要支撐構(gòu)件Y形柱支模的施工工序?yàn)椋何磁龅降罔F風(fēng)井時(shí)，Y形柱支模搭設(shè)排架→碰到地鐵風(fēng)井時(shí)，Y形柱支模必須先對(duì)斜柱進(jìn)行封模，槽鋼一側(cè)焊接在立柱的預(yù)埋鋼板上，另一側(cè)連接于斜柱兩側(cè)并加固。

施工過(guò)程中，在地鐵出入口正上方搭設(shè)硬隔離平臺(tái)，保證下方地鐵正常運(yùn)營(yíng)，防止焊接時(shí)火花濺射傷害過(guò)路行人。

7.2 BIM施工現(xiàn)場(chǎng)模擬

BIM施工現(xiàn)場(chǎng)模擬主要包括3項(xiàng)內(nèi)容，即施工過(guò)程模擬、大型機(jī)械運(yùn)行空間分析、施工虛擬預(yù)演和進(jìn)度分析。具體步驟如下：

1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布置進(jìn)行模擬，針對(duì)地下結(jié)構(gòu)、室外管線(xiàn)分別進(jìn)行合理布置，更能直觀地表達(dá)現(xiàn)場(chǎng)情況，充分利用場(chǎng)地空間，規(guī)劃設(shè)備車(chē)輛進(jìn)出通道。

2）對(duì)地下、地上結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工模擬，合理地安排鋼結(jié)構(gòu)施工流水，模擬吊車(chē)停放位置，考慮起吊質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)半徑等措施。

3）利用BIM技術(shù)模擬施工順序，并做好保護(hù)，滿(mǎn)足后續(xù)機(jī)電、幕墻吊裝施工條件。

施工現(xiàn)場(chǎng)模擬中包括鋼結(jié)構(gòu)、重型機(jī)械、臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)、臨時(shí)辦公樓、工地、圍墻、大門(mén)、地鐵風(fēng)井、地鐵站人行出入口等，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況保持一致。

8 結(jié)語(yǔ)

在市中心區(qū)域正在運(yùn)行中的地鐵站上蓋進(jìn)行大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工，對(duì)項(xiàng)目參與各方來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中全方位實(shí)施BIM技術(shù)，利用BIM三維建模及進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)[3-7]，整合各專(zhuān)業(yè)的信息數(shù)據(jù)，極大地提高復(fù)核與協(xié)調(diào)的效率和質(zhì)量。并在建模及深化設(shè)計(jì)時(shí)注重碰撞檢測(cè)，快速查找模型中的沖突，解決碰撞問(wèn)題；根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，借由三維可視化功能進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)模擬，直接展現(xiàn)安裝順序、施工方案以及完成后的最終效果，并組織各方付諸實(shí)施，從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)施工規(guī)范、體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，并能夠保證地鐵的正常運(yùn)行。