施 勇 王宏浩 蔡 毅

(中國建筑第二工程局有限公司，合肥 230000)

引言

隨著國家現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，各種大型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛。由于外界環(huán)境等因素的影響，鋼結(jié)構(gòu)不可避免地會產(chǎn)生損傷積累和抗力衰減。要保障這些大型鋼結(jié)構(gòu)的正常使用，對其安全狀況進行監(jiān)測和預(yù)警具有重要的社會和經(jīng)濟意義。尤其是隨著大型展館的建設(shè)日趨增加，結(jié)構(gòu)形式多樣化，對測量工作要求的精確度也越來越高。鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量嚴重影響著整個工程的結(jié)構(gòu)，而測量成果的精準度將直接影響鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量和施工的進度。因此，利用BIM技術(shù)與現(xiàn)場實際相結(jié)合的方式是保證現(xiàn)場工程進度的重要原因，同時可以利用BIM技術(shù)對場地受限的工程使用臨時小坐標系拼裝鋼結(jié)構(gòu)。本文的測量方法和BIM技術(shù)的應(yīng)用為同類工程提供了借鑒作用。

1 工程概況

合肥濱湖國際會展中心作為綜合性展館，為大跨度張弦桁架[1]結(jié)構(gòu)體系。綜合展館主體結(jié)構(gòu)平面尺寸為190m×170m，總面積約3.2 萬m2，最高點建筑高36m； 展廳為單層，室內(nèi)凈高為18m，夾層部分建筑高度不超過24m，主體高度為35.2m； 總體一層，局部二夾層； 鋼結(jié)構(gòu)包括有鋼管柱、H 型鋼梁、管桁架、鋼支撐、鋼拉索撐桿、倒三角抗風柱以及懸挑弧形外檐。標準展館采用臥式拼裝、翻轉(zhuǎn)吊裝的方式，彌補了場地受限的缺點，加快了現(xiàn)場的施工進度。綜合展館效果圖如圖1所示。

圖1 綜合展館效果圖

2 工程特點和難點

(1)工程占地面積大，在城市繁華地段，可利用面積小

本工程基礎(chǔ)為承臺框架梁基礎(chǔ),上部結(jié)構(gòu)為純鋼結(jié)構(gòu)，場館占地面積大,為國內(nèi)同類型場館第一大跨度。本工程二期工程在繁華地段，可利用面積有限，且測量精度要求高，只有建立小坐標系[2]輔助完成地下的拼裝，才能充分利用有限空間,解決各單體同步施工安裝的工作;

(2)跨度大，豎向鋼柱對接焊次數(shù)多，累計偏差要求小

單榀桁架最大跨度為144m，一端為固定支座，另一端為可移動支座，水平調(diào)節(jié)偏差為0.04m，因此在地面拼裝時的誤差和工廠構(gòu)件的尺寸必須控制在可允許的范圍內(nèi)； 豎向鋼柱為三節(jié)柱對接焊而成，根據(jù)規(guī)范單節(jié)柱允許偏差H/1000，且小于0.01m，柱全高允許偏差小于0.035m。如何定位、如何控制焊接偏差，都需要提前做好分析；

(3)倒三角抗風柱，圓弧桿件較多，外形順滑，平整度要求高

東西立面為倒三角形，且為三節(jié)對接立焊，上部為懸挑形態(tài)，在傳統(tǒng)CAD軟件中無法直接獲取三叉單節(jié)柱管頂坐標與標高，需要繁雜的計算過程才能獲得數(shù)據(jù)。南北立面為圓弧形桿件和外挑圓弧組合而成，對工廠要有桿件弧度一致要求，且對現(xiàn)場安裝要有成型面一平的要求。

如何利用BIM在三維圖形中的優(yōu)勢解決現(xiàn)場空間測量定位的難題，是本項目測量精度控制的一大應(yīng)用。

3 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

(1)BIM測量應(yīng)用目標

作為工程技術(shù)手段，解決在設(shè)計和施工過程中出現(xiàn)的測量問題，提高工程的建設(shè)質(zhì)量和縮短建設(shè)周期。

(2)實施方案

在本項目單體施工開始前，制定了完整的BIM測量實施方案，包括地面上小坐標系的桁架的分段拼裝深化圖紙、高空中分段吊裝的定位坐標以及外懸挑圓弧的分節(jié)點復(fù)核深化。

(3)團隊組織

為實現(xiàn)上述目標，施工總承包方中國建筑第二工程局有限公司、專業(yè)分包方中建科工集團有限公司均組織了專項BIM團隊，一起相互協(xié)作，將設(shè)計BIM模型轉(zhuǎn)換為施工BIM模型，在施工現(xiàn)場應(yīng)用BIM技術(shù)解決測量難題，輔助各方協(xié)調(diào)，真正做到BIM技術(shù)為項目服務(wù)。

(4)BIM軟件配置

本項目的BIM軟件以Autodesk Revit 2016作為主要的BIM建模軟件平臺，以Tekla作為鋼結(jié)構(gòu)深化建模軟件，以Autodesk Naviworks Manage 2016作為模型整合與瀏覽軟件，以Autodesk 3ds Max作為測量數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

4 施工階段BIM應(yīng)用

4.1 場內(nèi)平面控制網(wǎng)的建立

(1)現(xiàn)場踏勘

根據(jù)建筑坐標圖紙現(xiàn)場踏勘，再結(jié)合場平布置圖，選擇無材料堆放區(qū)，地勢較高，相互通視視野開闊，土質(zhì)較堅實，無車輛過往的地點作為控制點如圖2所示的位置。

(2)控制點制作

選用L型鋼筋，長度約為1m，挖機挖一個深度為1m、長和寬均為80 cm的坑，采用C20混凝土澆筑，經(jīng)過兩天的觀察監(jiān)測，直到不發(fā)生沉降和位移為止，在鋼筋頭刻十字絲，開始做閉合導(dǎo)線的精準測量[3]。

(3)數(shù)據(jù)導(dǎo)出

將測得數(shù)據(jù)進行導(dǎo)線閉合差計算，滿足一級控制網(wǎng)要求，如圖2所示，計算結(jié)果如圖3所示。

圖2 場內(nèi)一級控制網(wǎng)布置點位圖

圖3 閉合導(dǎo)線及平差計算

4.2 綜合展館地面立式拼裝

(1)BIM模型定位

基于BIM模型中拼裝胎架的定位，在場內(nèi)選取硬化過的區(qū)域且監(jiān)測改區(qū)域沉降穩(wěn)定位置。建立與BIM模型中相同的小坐標系，依次定位出立式胎架放置鋼管的支撐點，通過火焰切割調(diào)整出符合BIM中的標高位置，為后續(xù)的工作做好標準化模板[1]，如圖4～圖5所示。

圖4 拼裝胎架效果圖

圖5 現(xiàn)場立式拼裝胎架圖

(2)現(xiàn)場實際應(yīng)用

地面桁架的整榀預(yù)拼裝是基于BIM模型中每一段鋼管的節(jié)點坐標和標高進行定位，需要利用全站儀實時跟蹤測量調(diào)節(jié)[2]，直至達到設(shè)計中的坐標與標高，可大大節(jié)省內(nèi)頁計算人員時間和現(xiàn)場測量拼裝的進度[3]，如圖6所示。

圖6 桁架分段預(yù)拼裝完成圖

(3)支撐胎架

安裝胎架由8段支撐體系組成，每4段支撐的高低各不同，胎架標高精度直接影響成型后的整榀桁架的精度，胎架的定位和垂直度也直接影響桁架成型后的美觀度。利用BIM得出相關(guān)數(shù)據(jù)進行臨時支撐體系[4]，可有效地控制結(jié)構(gòu)在安裝過程中的變形，如圖7～圖8所示。

圖7 BIM模型支撐胎架圖

圖8 分段吊裝現(xiàn)場展示圖

(4)高空成型

八段分段桁架在高空支撐胎架中拼接成一整榀桁架，支撐胎架的定位精度直接影響到預(yù)起拱值(L/800)。桁架卸載[5]值落位在允許調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的精度(0.04m)，焊接變形等一系列的數(shù)值，如圖9所示。

圖9 拼裝完成的整榀桁架圖

(5)撐桿安裝、拉索張拉

通過BIM技術(shù)平臺進行施工工況，預(yù)先在樓板彈好拉索的正投影和桁架撐桿的對接定位，要求達到整體撐桿垂直度(1/1000)且整體完成后在統(tǒng)一線上，索球的螺栓連接面統(tǒng)一向上，如圖10所示。

圖10 撐桿與拉索展示圖

4.3 地面臥式拼裝

(1)BIM建模

在本項目鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計過程中，標準展館跨度最大跨度72m，可采用地面整體拼裝、整體吊裝的方式進行施工，整體拼裝時充分發(fā)揮了BIM模型的優(yōu)勢。利用BIM平臺與相關(guān)各方就結(jié)構(gòu)施工采用最精準高效的方法施工，臥式拼裝[6]無疑是最好的方案。

(2)BIM深化

根據(jù)BIM深化設(shè)計胎架分段圖紙，分別定出分段弧形的中線。通過校正拼裝胎架，進行測量拼裝胎架的標高，并隨著線錘配合桿件吊裝到位，實時跟蹤測量焊接產(chǎn)生的應(yīng)力變形(≤0.005m)，從而精確測量拼裝胎架的標高，如圖11所示。

圖11 BIM模擬圖形展示

(3)現(xiàn)場拼裝控制措施

地面拼裝完成就是整體的成型效果，因此，對地面的質(zhì)量要求把關(guān)要嚴苛，且要符合BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出的數(shù)值。首先，地面放樣的弧形節(jié)點控制點需要清晰，復(fù)核弧形控制點與設(shè)計值要一致； 其次，H型鋼支撐橫桿的標高復(fù)核[7]要符合上弦桿之間距離及上弦桿至下弦桿之間的距離，拼裝時要利用線錘控制各節(jié)點的焊接位置，全站儀復(fù)核整體焊接變形控制在可允許范圍內(nèi)(0.02)； 最后，履帶吊吊裝至支座上時，要跟蹤測量桁架是否就位，一段就位后再調(diào)整另外一邊直至桁架安裝完成，此時也要復(fù)測桁架的下?lián)献冃?，控制在可允許范圍內(nèi)(L/ 800)，現(xiàn)場拼裝如圖12所示。

圖12 臥式拼裝完成的桁架圖

(4)桁架翻身吊裝

受場地小的限制，利用倒退式吊裝翻身桁架的施工模式[8]，對拼裝完成的桁架進行吊裝到位； 桁架吊裝前預(yù)先貼6個反光片至焊接節(jié)點上，在整榀焊接完成后，用260T履帶吊脫胎，吊裝至2臺13t板車，更換至兩上弦桿的吊點，測量人員持續(xù)跟蹤測量至桁架吊裝至支座上(≤0.04m)，如圖13所示。

圖13 倒退式桁架翻身吊裝

4.4 鋼柱安裝測量

(1)控制變形

在鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，由于結(jié)構(gòu)為承重鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自重變形以及平臺區(qū)域大跨度結(jié)構(gòu)變形相對較大，施工時必須設(shè)置合理的臨時支撐體系[9]，確保結(jié)構(gòu)安裝過程中的變形為最小，以免安裝累積變形導(dǎo)致鋼柱傾斜及平臺構(gòu)件無法精確定位。利用BIM模型輸出相關(guān)數(shù)據(jù)進行臨時支撐體系設(shè)置，可有效控制結(jié)構(gòu)在安裝過程中的變形。

(2)現(xiàn)場校正

利用全站儀的懸高測量原理去測量每個螺栓的標高，進行調(diào)節(jié)和定位； 在螺栓焊接時需利用全站儀跟蹤測量，在混凝土澆筑前還需復(fù)核一次，以防人為走動而破壞了原先調(diào)節(jié)好的螺栓； 在混凝土澆筑完畢后，進行最后一次的坐標和標高測量，以防出現(xiàn)較大誤差，如圖14所示。在安裝鋼柱前，先在混凝土面上放樣柱子“十字”交叉線，鋼柱吊裝就位后，確保鋼柱的柱中線與“十字”交叉線重合； 在安裝完成后，使用經(jīng)緯儀復(fù)核鋼柱的垂直度[10]； 二節(jié)柱及以上鋼柱的測量鋼柱； 在二節(jié)柱吊裝就位后，需要檢查本節(jié)鋼柱與一節(jié)柱接口是否錯位，工人手持小型棱鏡，利用全站儀對鋼柱上的耳板(“十字”交叉中線)進行測量校正，再利用千斤頂對偏位的鋼柱進行調(diào)整，后續(xù)需要對標高進行校正； 依據(jù)本節(jié)柱的實際長度偏差值和一節(jié)柱的柱頂標高確定本節(jié)柱的調(diào)整值，再次利用千斤頂調(diào)節(jié)標高，鋼柱軸線調(diào)整就位后利用耳板零時固定； 利用已經(jīng)平差過的控制點對鋼柱整體的柱頂軸線和標高進行復(fù)核，以復(fù)核相關(guān)規(guī)范的要求； 在焊接完成后，通過全站儀測量本節(jié)柱的軸線和標高偏差值，將數(shù)據(jù)收集整理后報監(jiān)理驗收，為下節(jié)柱的安裝和測量校正提供依據(jù)，如圖15所示。

圖14 預(yù)埋螺栓BIM工況模擬圖

圖15 鋼柱安裝BIM模擬調(diào)節(jié)

4.5 倒三角抗風柱拼裝及定位

(1)模型輸出

針對構(gòu)造復(fù)雜的鋼構(gòu)模塊，需要提前規(guī)劃和模擬好現(xiàn)場的拼裝測量數(shù)據(jù)。對于體量重、構(gòu)造節(jié)點多的問題，需要多個支撐節(jié)點來輔助拼裝，以免發(fā)生變形，同樣需要BIM模型輸出相關(guān)數(shù)據(jù)進行臨時支撐體系設(shè)置。

(2)現(xiàn)場實際應(yīng)用

支撐體系的現(xiàn)場定位，通過建立臨時坐標系，后方交會法進行每次拼裝的測量，在不發(fā)生沉降變形后開始抗風柱的安裝。由于是兩節(jié)鋼管對接拼裝而成，故需要對單節(jié)柱的定位要求精度高。通過各個管口的最高點進行定位和標高調(diào)整，直至整榀桁架的拼裝完成復(fù)核各管口節(jié)點的坐標在允許范圍內(nèi)(≤0.005)，如圖16所示。

(3)節(jié)點輸出

倒三角抗風柱的吊裝拼裝是一項難度較大的施工工序，且風險系數(shù)較高，對接難度大； 整體由三段對接完成，且為外懸挑狀態(tài)，頂部為圓弧懸挑檐，因此，對每一道前置的拼裝工作都必須控制在允許的誤差范圍內(nèi)(0.005)； 對每一個測量節(jié)點都需要在BIM模型中選取節(jié)點突出、測量方便的點構(gòu)成，如圖17所示。

圖16 抗風柱地面拼裝圖

5 結(jié)論

本項目的BIM技術(shù)應(yīng)用在測量工作中，利用BIM模型可直接獲取每個測量點的空間三維坐標，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)自身特點和施工工藝，遵循以“加工精度控制安裝精度”的原則，通過BIM技術(shù)平臺進行施工模擬測量，可在虛擬空間中模擬各種實際施工方案中可能隱藏的問題，提前做出調(diào)整和優(yōu)化，避免實際施工中對項目實施造成不利影響，實現(xiàn)動態(tài)、集成和可視化的4D施工管理，達到“精細化管理”的目標。