崔邯龍，張 勇，2，孟文清，劉 波，常麗霞

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.中國建筑第八工程局有限公司華北公司，天津 300450；3.河北冶金建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056038)

BIM，即建筑信息模型(building information modeling)，在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的過程和結(jié)果的總稱[1]。BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)三維可視直觀設(shè)計(jì)、智能聯(lián)動關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，高效準(zhǔn)確的自動統(tǒng)計(jì)與科學(xué)快速模擬計(jì)算[2]；在建造過程中，從建筑設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)計(jì)、成本預(yù)測、施工優(yōu)化等方面可以便捷地提供虛擬施工指導(dǎo)，精確計(jì)劃施工材料，進(jìn)行可控階段性成本控制[3]?？梢暬荁IM技術(shù)的特點(diǎn)之一，可視化技術(shù)是在計(jì)算機(jī)圖像顯示技術(shù)的應(yīng)用下，將一些抽象信息轉(zhuǎn)化為直觀的圖像信息呈現(xiàn)出來[4]。BIM技術(shù)引入我國以來，國家相繼出臺多項(xiàng)關(guān)于BIM發(fā)展的相關(guān)政策，為BIM技術(shù)的發(fā)展提供了很好的發(fā)展環(huán)境[5]，這不僅加快了高校深入研究的步伐，同時也是我國建筑行業(yè)向更高層次發(fā)展的契機(jī)。

某原料煤棚工程混凝土體積大，用量多，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，大體積澆筑面在施工條件上更為復(fù)雜，施工難度也隨之增大，需合理組織施工順序。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為大跨度圓柱面結(jié)構(gòu)，柱面網(wǎng)殼為正放四角錐形式，此種網(wǎng)殼類型有結(jié)構(gòu)形體簡單、受力性能合理、空間剛度大等特點(diǎn)是大跨空間結(jié)構(gòu)中一種應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)形式[6]。目前BIM技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣，但是在原料煤棚施工中進(jìn)行仿真分析還有較多的研究方面[7]。該工程結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行了多項(xiàng)應(yīng)用，通過對原料煤棚結(jié)構(gòu)的三維精確建模、可視化展示，保證了施工質(zhì)量；通過對擋煤墻混凝土施工模擬，解決了冷卻水管和鋼筋的碰撞問題；對混凝土與網(wǎng)殼交叉施工工藝進(jìn)行了模擬并且制定施工安全計(jì)劃，解決了網(wǎng)殼交叉施工的難點(diǎn)；對網(wǎng)殼吊裝進(jìn)行仿真模擬并結(jié)合BIM+VR技術(shù)，制定了可行的施工方案與安全管理重點(diǎn)，解決了吊車與構(gòu)件等可能發(fā)生碰撞的問題。

1 工程概況

在原料煤棚工程中，東西方向A—K軸共96m，南北方向1—50軸共385m，采用多柱點(diǎn)支撐體系，每隔4m設(shè)置高度為1.5m的鋼筋混凝土柱，如圖1所示。沿南北跨度方向上排布混凝土擋煤墻，擋煤墻高度20.2m，截面形式如圖2所示。上部網(wǎng)殼為正放三角錐雙層柱面結(jié)構(gòu)形式，網(wǎng)殼最大高度53.65m，網(wǎng)格尺寸約為4m×4m，厚度約3.95m，投影面積37000m2。網(wǎng)殼沿縱向由3個獨(dú)立的區(qū)域組成，網(wǎng)殼一區(qū)為34—50軸，長度128m；網(wǎng)殼二區(qū)為18—33軸，長度120m；網(wǎng)殼三區(qū)為1—17軸，長度128m。南北面山墻由豎直平板螺栓球網(wǎng)架封閉，如圖3所示。

圖1 混凝土施工平面圖

圖2 擋煤墻截面圖(mm)

圖3 網(wǎng)殼平面布置圖

2 工程特點(diǎn)

原料煤棚工程位于城市道路交叉復(fù)雜地段，地勢不平坦且道路狹窄，周圍具有多處已有建筑物，導(dǎo)致本工程施工條件更加復(fù)雜，施工難度加大，具體有如下幾點(diǎn)：①原料煤棚結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，作業(yè)面積狹小，交叉作業(yè)多，對施工協(xié)調(diào)性要求較高；②大體積混凝土擋煤墻鋼筋與冷卻水管的排布復(fù)雜，施工精度要求高，應(yīng)該采取措施保證質(zhì)量；③網(wǎng)殼最大跨度96m，網(wǎng)殼最高安裝高度達(dá)48m，構(gòu)件數(shù)量規(guī)格多、安裝精度要求高、高空拼裝難度大，危險性高；④擋煤墻場地空間比較狹窄，然而汽車吊的停機(jī)位置、構(gòu)件地面散裝、起步網(wǎng)殼的擺放等工作對施工場地空間的需求較大，使網(wǎng)殼安裝較為困難。

3 BIM技術(shù)在原料棚施工中的可視化應(yīng)用

3.1 三維模型建立

在建模過程中，利用了SSBIM插件，提高建模速度，減輕電腦運(yùn)行壓力，在同一項(xiàng)目樣板中分別建立混凝土和網(wǎng)殼三維模型，混凝土模型如圖4所示。將網(wǎng)殼三維CAD圖紙導(dǎo)入Revit中，以CAD圖紙為底圖，利用SSBIM插件，結(jié)合網(wǎng)殼螺栓球、桿件型號建立三維網(wǎng)殼模型，如圖5所示。通過對原料煤棚結(jié)構(gòu)的三維精確建模、可視化展示，保證了施工質(zhì)量。

圖4 混凝土部分模型

圖5 三維網(wǎng)殼模型

3.2 擋煤墻施工模擬

原料煤棚中間擋煤墻混凝土工程屬于大體積混凝土工程，為保證混凝土質(zhì)量，施工時3-3至4-4剖面部分布置6層冷卻水管，5-5剖面部分布置3層冷卻水管，2-2剖面部分布置6層冷卻水管，管道采用內(nèi)徑DN50(壁厚為1.5～2mm)的鋼管，每層水管豎向間距1m，同一平面水管水平間距1m，第一層至第三層同一平面上的水管設(shè)一個進(jìn)水口，一個出水口，第四層至第六層設(shè)一個進(jìn)水口，一個出水口，每段墻體設(shè)6個測溫孔。

擋煤墻混凝土施工時，進(jìn)行基礎(chǔ)鋼筋綁扎和冷卻水管排布，之后進(jìn)行地上擋煤墻鋼筋綁扎至設(shè)計(jì)標(biāo)高處，然后完成西側(cè)D—J軸至標(biāo)高±0.0處基礎(chǔ)混凝土澆筑，再進(jìn)行東側(cè)B—D軸至標(biāo)高±0.0處混凝土澆筑，最后完成地上混凝土澆筑，如圖6所示。

圖6 大體積擋煤墻施工

利用BIM技術(shù)創(chuàng)建混凝土擋煤墻、冷卻水管、鋼筋三維模型，現(xiàn)場施工人員可以查看構(gòu)件位置、材質(zhì)及屬性。通過建立的三維模型，可以提前發(fā)現(xiàn)冷卻水管定位不合理、鋼筋間距排布不準(zhǔn)確、冷卻水管與鋼筋碰撞等在施工階段存在的問題，提前做好冷卻水管優(yōu)化、鋼筋間距排布等工作，避免返工，節(jié)約成本。

3.3 混凝土與網(wǎng)殼交叉施工

在原料煤棚工期緊，工程量大的情況下所需交叉作業(yè)多，采用了BIM技術(shù)。在混凝土主體施工過程中，預(yù)留網(wǎng)殼起步區(qū)域混凝土部分，起步網(wǎng)殼用4臺50t汽車吊、8臺200t汽車吊吊裝，當(dāng)起步網(wǎng)殼吊裝完成后，再進(jìn)行擋煤墻之間起步區(qū)域混凝土部分施工，如圖7所示。

圖7 混凝土與網(wǎng)殼交叉施工

運(yùn)用BIM技術(shù)，結(jié)合Fuzor軟件對混凝土和網(wǎng)殼交叉施工的關(guān)鍵部分進(jìn)行可視化仿真模擬，合理制定混凝土與網(wǎng)殼的施工工藝和施工順序，達(dá)到完善施工方案的目的[8]。

3.4 網(wǎng)殼施工模擬模擬

在Revit中將建立完整的三維模型在三維視圖下，同步到Fuzor中，通過Fuzor軟件對網(wǎng)殼施工方案進(jìn)行模擬預(yù)演，比較原網(wǎng)殼施工方案，查找不足之處，進(jìn)行完善和修改。

1)網(wǎng)殼起步安裝。該工程網(wǎng)殼共分為3個區(qū)域每區(qū)域分為6大段，南北山墻各獨(dú)立為1大段，起步網(wǎng)殼設(shè)在1、2、3區(qū)內(nèi)，首先將起步區(qū)網(wǎng)殼對接；1區(qū)起步網(wǎng)殼(36—39軸)、2區(qū)網(wǎng)殼(23—26軸)、3區(qū)網(wǎng)殼(12—15軸)如圖8所示統(tǒng)一分成3小段在地面完成拼裝后，每個起步區(qū)域，將網(wǎng)殼分為3段，每段用4臺汽車吊同時起吊，起步中段網(wǎng)殼利用吊車垂直起升，進(jìn)行空中對接。起步網(wǎng)架吊裝塊數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，見表1。

圖8 網(wǎng)殼分區(qū)圖

表1 起步網(wǎng)架吊裝塊數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2)在利用Fuzor進(jìn)行施工模擬時，根據(jù)原料煤棚起步要求圖汽車吊位置擺放汽車吊，按照施工方案進(jìn)行網(wǎng)殼吊裝，可以進(jìn)行碰撞檢測[9]，當(dāng)汽車吊吊臂與擋煤墻有碰撞時，F(xiàn)uzor軟件會自動識別碰撞點(diǎn)，無法進(jìn)行吊臂伸長和起吊[10]。此時我們可以判斷出施工方案中汽車吊或者是網(wǎng)殼在地面擺放位置可能存在問題，需要對網(wǎng)殼吊裝方案提前進(jìn)行整改及優(yōu)化，如圖9所示。

圖9 汽車吊與擋煤墻碰撞

3)其他部分的網(wǎng)殼采用高空散拼方法，在地面拼裝小單元，利用汽車吊逐個將小單元提升至設(shè)計(jì)位置與已安裝完成的網(wǎng)殼進(jìn)行連接，沿弦向逐個安裝至完成整個軸線；沿軸線逐行安裝，直至網(wǎng)殼全部完成，如圖10、圖11所示。

圖10 12臺汽車吊分區(qū)域起吊

圖11 網(wǎng)殼安裝完成

傳統(tǒng)的施工技術(shù)交底，大多數(shù)以文字?jǐn)⑹鰹橹?，?nèi)容枯燥、形式單一針對性不強(qiáng)；利用BIM技術(shù)，以短視頻的形式，對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、異型構(gòu)件、繁瑣的施工工藝進(jìn)行可視化技術(shù)交底，使施工技術(shù)人員明確所承擔(dān)的任務(wù)內(nèi)容、技術(shù)要求及注意事項(xiàng)[11]。通過對網(wǎng)殼施方案的可視化模擬，形象地展示了起步網(wǎng)殼安裝步驟、高空散拼的施工工藝及施工順序，有利于施工方案技術(shù)交底及施工的合理進(jìn)行，提高施工質(zhì)量和效率。

3.5 BIM+VR技術(shù)應(yīng)用

VR技術(shù)是仿真技術(shù)的一個重要方向，主要具有多感知性、存在感、交互性、自主性等特點(diǎn)[12]。僅僅依靠電腦展示網(wǎng)殼施工仿真模擬，體驗(yàn)感并不是很深刻，在制作網(wǎng)殼施工模擬動畫的同時，同時引入VR技術(shù)，將BIM+VR技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工中，可以從不同角度來觀察網(wǎng)殼在施工過程中的動態(tài)變化，通過VR頭盔及操作手柄將體驗(yàn)者的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動感知系統(tǒng)聯(lián)系起來，體驗(yàn)效果更加真實(shí)[13]。

在施工模擬的中利用VR技術(shù)，可以指導(dǎo)現(xiàn)場施工，使施工人員有更加深刻的體驗(yàn)感和沉浸感，全方位融入“現(xiàn)場施工”中[14]。將制作好的施工模擬動畫，導(dǎo)出.exe格式文件，可以提供給施工單位，為現(xiàn)場施工人員提供技術(shù)指導(dǎo)。

3.6 BIM+施工安全管理

在運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行施工工藝模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將之與安全規(guī)范和危險源信息相結(jié)合，提前識別和發(fā)現(xiàn)在施工過程中可能會出現(xiàn)的安全問題，從而優(yōu)化施工安全計(jì)劃[15]。

該工程擋煤墻施工期間屬于群塔作業(yè)，后期的網(wǎng)架吊裝施工期間需要多機(jī)抬吊，施工工藝復(fù)雜，存在較大的安全風(fēng)險。通過BIM技術(shù)的吊裝工藝模擬細(xì)化，快速辨識了危險源，明確吊裝作業(yè)范圍、施工作業(yè)區(qū)域；細(xì)化了安全管理設(shè)備和物料的現(xiàn)場擺放位置；對塔吊和汽車吊的停機(jī)位置、起重臂長、回轉(zhuǎn)半徑等參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬和可視化展示，優(yōu)化了汽車吊的開行路線；進(jìn)而制定了現(xiàn)場安全保障措施，建立了BIM安全模型。再結(jié)合VR技術(shù)，對作業(yè)人員進(jìn)行了身臨其境的安全技術(shù)交底和培訓(xùn)教育，將安全風(fēng)險控制在最小范圍，避免發(fā)生安全事故。

4 結(jié) 語

針對工程項(xiàng)目難點(diǎn)，引入BIM技術(shù)，并結(jié)合項(xiàng)目施工特點(diǎn)做了如下應(yīng)用：

1)利用SSBIM For Revit插件建立網(wǎng)殼三維模型，生成獨(dú)立的螺栓球和桿件，并且包含全部的屬性信息、三維模型與實(shí)際工程完全一致，為后期的可視化應(yīng)用提供了方便。

2)通過Fuzor軟件進(jìn)行大跨度網(wǎng)殼可視化施工模擬，F(xiàn)uzor中強(qiáng)大的材質(zhì)庫、全面的構(gòu)件族庫、操作方便、自動識別碰撞點(diǎn)功能為網(wǎng)殼施工模擬提供了幫助，同時也可以與VR端口結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多方面的價值。

3)對網(wǎng)殼吊裝工序進(jìn)行了施工仿真模擬，解決了網(wǎng)殼吊裝技術(shù)難點(diǎn)，制定了混凝土與網(wǎng)殼施工安全方案，使真實(shí)的吊裝過程形象生動的展現(xiàn)出來，提供了三維可視化技術(shù)交底。

4)采用BIM+VR技術(shù)，利用其強(qiáng)大的交互功能、仿真的科學(xué)管控能力和為實(shí)際工程提供的完整、精確的數(shù)據(jù)環(huán)境，可為原料煤棚施工提供科學(xué)有效的手段。

5)建立了BIM安全模型，進(jìn)行了危險源的辯識和安全交底的可視化，提高了施工現(xiàn)場安全管理的有效性。