田耀嘉
(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,云南 昆明 650500)
2015年,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》,明確指出建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)是繼CAD之后的多維模型信息集成技術(shù),是對構(gòu)筑物物理特征和功能特性等信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)[1]。BIM技術(shù)不僅能應(yīng)用于工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工等不同階段,還能推動(dòng)建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)建筑業(yè)信息化和現(xiàn)代化[2]。隨后,國家部委及地方部門不斷推出BIM技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、指南等,由此BIM技術(shù)在不同的工程項(xiàng)目類型,如城市綜合體[3]、機(jī)場[4]、超高層建筑[5]等項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)等不同階段得到了成功應(yīng)用。
在超高層建筑、大型城市綜合體、體育場、客運(yùn)站等工程項(xiàng)目中,重要結(jié)構(gòu)部位設(shè)計(jì)會(huì)考慮采用全鋼或者型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)。這是源于鋼結(jié)構(gòu)具有能夠?qū)崿F(xiàn)大跨度、大體量的優(yōu)勢,但同時(shí)也帶來施工深化設(shè)計(jì)難度高、施工工藝復(fù)雜等問題[5]。BIM技術(shù)能夠輔助工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工,如通過三維建模進(jìn)行型鋼構(gòu)件深化設(shè)計(jì),通過碰撞檢測發(fā)現(xiàn)不同專業(yè)間的碰撞問題[6];運(yùn)用BIM型進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工仿真、鋼結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計(jì)等[7]。因此,BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)與施工中得到一定研究與應(yīng)用,如基于BIM技術(shù)解決工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)建筑改造設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)交換、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問題[2]。
雖然已有學(xué)者利用BIM、Tekla Structures以及Advance Steel等技術(shù)在不同工程項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)的施工深化設(shè)計(jì)與施工應(yīng)用方面進(jìn)行了探索,但鋼結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)深度不足,導(dǎo)致與施工現(xiàn)場實(shí)際情況出入較大[8];在施工方面對專業(yè)協(xié)同需求高,可能成為影響工程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要節(jié)點(diǎn)工程[5]。同時(shí),現(xiàn)階段很多BIM技術(shù)的應(yīng)用更側(cè)重模型演示,導(dǎo)致BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用程度無法滿足設(shè)計(jì)和國家規(guī)范的要求,且BIM技術(shù)成果的成熟度無法滿足現(xiàn)場實(shí)際施工的需求,設(shè)計(jì)與施工的協(xié)同銜接方面缺乏較為成熟的應(yīng)用流程和實(shí)施路線。因此,本文選取城市綜合體項(xiàng)目,結(jié)合城市綜合體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工特點(diǎn)和重難點(diǎn),利用BIM技術(shù)構(gòu)建實(shí)施路徑,開展碰撞檢測、施工深化設(shè)計(jì)、施工輔助、協(xié)同管理等方面的探索,對發(fā)揮BIM專業(yè)團(tuán)隊(duì)能動(dòng)性、整合參建方、促進(jìn)設(shè)計(jì)與施工協(xié)同、提高管理效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
昆明呈貢萬達(dá)廣場位于云南省昆明市呈貢區(qū),地處彩云路與駝峰街交界處,項(xiàng)目連通地鐵線二號線駝峰街站,緊靠昆明市行政中心和大學(xué)城。本項(xiàng)目一共包括2層地下室、1棟萬達(dá)商業(yè)樓、6棟塔樓及商業(yè)裙樓,總用地面積72 251m2,總建筑面積43.69萬m2。
其中,萬達(dá)商業(yè)樓建筑面積10.05萬m2,共6層,規(guī)劃停車位2030個(gè)。商業(yè)樓采用型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu),為保證商場內(nèi)部可用空間,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用大跨度和高凈空的空間布局,詳見圖1。其中,地下負(fù)1層至地上4層部分結(jié)構(gòu)柱為型鋼混凝土柱,地上1~4層部分梁為型鋼混凝土梁,如圖2所示,型鋼總工程量約為452t。
圖1 萬達(dá)商業(yè)樓整體結(jié)構(gòu)模型
圖2 萬達(dá)商業(yè)樓局部鋼結(jié)構(gòu)模型
2.1.1 初步設(shè)計(jì)圖樣不滿足施工所需深度
萬達(dá)商業(yè)樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式與常規(guī)商業(yè)項(xiàng)目類似,初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果只需滿足受力計(jì)算和鋼含量等規(guī)范指標(biāo)即可。設(shè)計(jì)單位提供的初設(shè)圖樣僅表達(dá)鋼結(jié)構(gòu)的截面尺寸、材質(zhì)等基本信息,施工單位無法直接將初設(shè)計(jì)圖用于現(xiàn)場施工作業(yè),初設(shè)圖樣經(jīng)專業(yè)廠家進(jìn)行二次施工深化設(shè)計(jì)之后方可使用。同時(shí),受對現(xiàn)場進(jìn)度的了解和廠家專業(yè)能力等因素的影響,由專業(yè)廠家進(jìn)行的施工深化設(shè)計(jì)成果可能會(huì)出現(xiàn)與施工進(jìn)度不匹配、不同專業(yè)交叉施工發(fā)生沖突等問題。
2.1.2 施工深化設(shè)計(jì)要求高
萬達(dá)集團(tuán)下屬項(xiàng)目要求型鋼構(gòu)件在進(jìn)行施工深化設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)滿足:國家規(guī)范、設(shè)計(jì)指標(biāo)的需求;萬達(dá)集團(tuán)企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的需求;現(xiàn)場施工進(jìn)度的需求;商業(yè)后期運(yùn)營的其他需求??梢姡枨蠖嗳菀自斐蓪?shí)施標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、實(shí)施目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)等問題,進(jìn)行施工深化設(shè)計(jì)時(shí)還須同多方協(xié)調(diào)以順利完成建設(shè)目標(biāo)。
2.2.1 施工現(xiàn)場環(huán)境限制多
萬達(dá)廣場緊鄰昆明市級行政中心,周圍環(huán)繞均為城市主干道。型鋼構(gòu)件需在工廠預(yù)制,運(yùn)抵施工現(xiàn)場后安裝。為避免運(yùn)輸過程干涉市政交通,所有型鋼構(gòu)件的場外調(diào)運(yùn)都必須限時(shí)和定點(diǎn)。為保證施工現(xiàn)場正常運(yùn)轉(zhuǎn),不受型鋼構(gòu)件場內(nèi)運(yùn)輸?shù)牧Ⅲw干涉,構(gòu)件的場外調(diào)運(yùn)和場內(nèi)運(yùn)輸需同時(shí)進(jìn)行。
2.2.2 型鋼構(gòu)件現(xiàn)場施工要求特殊
要保證型鋼構(gòu)件施工過程中的絕對安全,施工之前必須對構(gòu)件施工范圍內(nèi)已施工的部分進(jìn)行誤差復(fù)核和數(shù)據(jù)采集,將施工誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,分析計(jì)算現(xiàn)場施工誤差是否會(huì)對型鋼安裝產(chǎn)生影響。施工過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)、規(guī)范要求進(jìn)行吊裝、焊接等施工工序。要嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量和焊接質(zhì)量,及時(shí)進(jìn)行探傷檢測等工作。施工時(shí)要注意與鋼筋制作、模板搭設(shè)以及混凝土澆筑等不同工序之間的搭接。
本項(xiàng)目施工總承包單位為云南地區(qū)企業(yè),聯(lián)合體設(shè)計(jì)單位為上海地區(qū)企業(yè),鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)廠家為北京地區(qū)企業(yè)。三家單位首次進(jìn)行合作,彼此間的協(xié)作默契程度不夠,在施工信息傳遞和專業(yè)技術(shù)的配合方面尚需磨合??偝邪鼏挝粚υO(shè)計(jì)意圖的理解不夠充分,設(shè)計(jì)單位無法把控現(xiàn)場施工質(zhì)量,專業(yè)廠家對各方信息的接收存在缺失,均給項(xiàng)目施工作業(yè)的開展增加了難度。
總承包單位采用BIM技術(shù)對初步深化方案進(jìn)行建模—檢測—模擬,基于碰撞檢測的結(jié)果定位和分類存在的問題,BIM實(shí)施團(tuán)隊(duì)通過召開定期會(huì)議的方式對發(fā)現(xiàn)的碰撞問題和深化不合理的部分進(jìn)行會(huì)審。參照各方意見和規(guī)范對模型進(jìn)行修改,并同步更新模型,重復(fù)該步驟直至修正碰撞問題,達(dá)到利用BIM技術(shù)對原專業(yè)廠商方案開展進(jìn)一步施工深化的目的。
利用BIM技術(shù)三維可視化的優(yōu)勢對BIM模型和方案中的重難點(diǎn)進(jìn)行交底,輸出二維深化圖、視頻等BIM成果,方便現(xiàn)場工人和管理人員使用。在場布模型中提前規(guī)劃構(gòu)件位置和運(yùn)輸路徑,提前規(guī)避由于場地限制可能會(huì)給型鋼施工帶來的問題,進(jìn)行型鋼安裝模擬,提高現(xiàn)場施工效率。過程中要及時(shí)進(jìn)行檢查和問題反饋,確保遇到突發(fā)問題能夠及時(shí)處理。
由總承包BIM團(tuán)隊(duì)牽頭,組織現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)施工班組以及其他各班組施工人員對BIM深化方案進(jìn)行再次優(yōu)化。結(jié)合現(xiàn)場條件、施工班組的技術(shù)水平以及施工人員有關(guān)施工操作的建議,對型鋼構(gòu)件施工深化方案進(jìn)行調(diào)整。同時(shí),將各方意見轉(zhuǎn)換為參數(shù),以模型為載體實(shí)現(xiàn)信息在單位間的快速傳遞,最大限度地減少信息缺失。深化成果修改定案后,經(jīng)設(shè)計(jì)單位復(fù)核確認(rèn)便可進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施。由此借助BIM技術(shù)實(shí)施流程,增強(qiáng)各單位間的協(xié)作水平,改善不同單位間的協(xié)作默契程度,提升項(xiàng)目信息化管理的效率。
針對鋼結(jié)構(gòu)在施工深化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工中存在的難點(diǎn)問題,總承包單位BIM團(tuán)隊(duì)于現(xiàn)場型鋼施工之前搭建高精度BIM模型。利用BIM技術(shù)碰撞檢查功能檢測專業(yè)廠家施工深化中存在的各類問題?;诖罱ㄍ瓿傻腂IM模型進(jìn)行二次深化工作,在發(fā)揮BIM成果指導(dǎo)現(xiàn)場施工作用的同時(shí),以BIM模型為載體進(jìn)行工程信息的傳遞,達(dá)到項(xiàng)目信息化協(xié)同管理的目的。
4.1.1 型鋼構(gòu)件施工深化BIM模型的搭建
BIM團(tuán)隊(duì)利用Revit軟件開展深化工作,根據(jù)專業(yè)廠家深化圖樣進(jìn)行型鋼柱、梁等構(gòu)件的BIM模型搭建,在總承包單位建模標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,將設(shè)計(jì)要求、施工數(shù)據(jù)等信息添加至三維模型中,同時(shí)把鋼筋、混凝土等其他構(gòu)件模型與型鋼模型進(jìn)行整合。型鋼核心節(jié)點(diǎn)模型如圖3所示。
圖3 型鋼核心節(jié)點(diǎn)模型
4.1.2 型鋼構(gòu)件核心節(jié)點(diǎn)處鋼筋碰撞檢測
型鋼柱與鋼筋混凝土梁等構(gòu)件交匯位置受力形式復(fù)雜,核心節(jié)點(diǎn)鋼筋分布密集,在設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)范中對受力部位鋼結(jié)構(gòu)開孔位置和數(shù)量有嚴(yán)格的限制,因此對于核心節(jié)點(diǎn)處的鋼筋碰撞問題要進(jìn)行著重檢測。將型鋼Revit模型傳遞至Fuzor或Navisworks中,利用軟件對鋼筋進(jìn)行碰撞檢查。檢測出X方向與Y方向梁構(gòu)件與型鋼柱交匯位置處,由于專業(yè)廠家進(jìn)行施工深化時(shí)未按照圖集要求進(jìn)行布孔,導(dǎo)致型鋼開孔位于同一水平面,梁上部縱筋在交匯時(shí)發(fā)生碰撞,梁上部鋼筋無法穿過核心節(jié)點(diǎn),如圖4所示。專業(yè)廠家深化設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮梁構(gòu)件上部鋼筋和柱構(gòu)件豎向鋼筋在核心節(jié)點(diǎn)處交匯,同時(shí)牛腿板開孔位置不合理,導(dǎo)致柱縱筋與梁上部鋼筋在牛腿板處發(fā)生碰撞,如圖5所示。
圖4 梁上部鋼筋碰撞
圖5 柱鋼筋與梁鋼筋碰撞
4.1.3 型鋼構(gòu)件核心節(jié)點(diǎn)處型鋼碰撞檢測
在有限的核心空間進(jìn)行高密度鋼筋排布的同時(shí),還要將各類通長鋼筋穿過型鋼構(gòu)件。因此,完成對鋼筋之間的碰撞檢查之后,為保證通長鋼筋能順利穿過型鋼節(jié)點(diǎn),還需著重對型鋼與鋼筋之間的碰撞問題進(jìn)行檢測。檢測處由于型鋼牛腿板開孔位置不合理,柱縱筋與牛腿板位置重合,柱配筋發(fā)生設(shè)計(jì)變更,原施工深化設(shè)計(jì)未及時(shí)進(jìn)行更新,導(dǎo)致柱縱筋無法穿過牛腿板,如圖6所示。
4.1.4 型鋼構(gòu)件專業(yè)廠家深化設(shè)計(jì)合理性檢測
結(jié)合設(shè)計(jì)意圖和及現(xiàn)行規(guī)范文件,對型鋼構(gòu)件中保護(hù)層厚度、鋼結(jié)構(gòu)開孔率以及鋼構(gòu)件空間布置是否有滿足要求等問題在BIM模型中進(jìn)行查驗(yàn)。將鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞檢查后的問題進(jìn)行匯總,篩除模型中的無效碰撞,并將部分共性問題進(jìn)行梳理整合,最終形成BIM模型碰撞檢測報(bào)告。
4.2.1 針對鋼筋與鋼筋碰撞的施工深化
根據(jù)對所發(fā)現(xiàn)的碰撞問題展開下一步深化工作,規(guī)范要求核心節(jié)點(diǎn)梁中縱向鋼筋應(yīng)盡可能多地貫通節(jié)點(diǎn),其余縱向鋼筋可在柱內(nèi)型鋼腹板上預(yù)留貫穿孔。專業(yè)廠家原施工深化雖預(yù)留了腹板開孔,但未考慮其他構(gòu)件鋼筋分布情況,導(dǎo)致開孔處的鋼筋穿孔時(shí)發(fā)生碰撞。針對類似問題,BIM團(tuán)隊(duì)提出將型鋼腹板開孔位置進(jìn)行上下錯(cuò)位布置或采用U形開孔兩種優(yōu)化方案,均能使梁上縱筋順利穿過節(jié)點(diǎn),如圖7所示。
圖7 模型調(diào)整開孔位置后鋼筋穿過
4.2.2 針對鋼筋與型鋼碰撞的施工深化
對于核心節(jié)點(diǎn)處鋼筋與型鋼碰撞的情況,在滿足配筋率要求時(shí)調(diào)整鋼筋空間排布,避免型鋼構(gòu)件二次開孔。在原有開孔位置基礎(chǔ)上調(diào)整開孔和分布形式,避讓鋼筋與型鋼構(gòu)件碰撞,如圖8所示。
圖8 模型深化后更改開孔分布
施工深化設(shè)計(jì)要求繁雜,過程中很難實(shí)現(xiàn)面面俱到。搭建BIM模型進(jìn)行模擬可以有效驗(yàn)證方案中存在深化不合理的問題。靈活使用碰撞檢測可以快速識別不同類型的碰撞問題,最大限度探測構(gòu)件碰撞,避免造成成本和工期浪費(fèi)。另外,利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工深化方案的修改,以模型為載體進(jìn)行信息的傳遞,極大程度縮短了傳統(tǒng)模式下由于方案審批、意見交換修改所需要的時(shí)間,大幅度提高施工深化設(shè)計(jì)的工作效率。
確定BIM型鋼深化模型和施工方案后,使用施工模擬等功能對型鋼構(gòu)件的現(xiàn)場安裝進(jìn)行模擬,解決管理人員和作業(yè)人員對方案理解困難的問題。由總承包BIM團(tuán)隊(duì)為專業(yè)廠家現(xiàn)場作業(yè)人員以及總承包現(xiàn)場管理人員進(jìn)行技術(shù)交底,對模型修改后的重點(diǎn)部位、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳盡的展示和講解。具體而言,借助BIM技術(shù)的三維可視化優(yōu)勢,利用Lumion、Fuzor等軟件進(jìn)行施工工藝和工序模擬,讓被交底人員直觀地看到施工中的工序搭接和施工控制重點(diǎn)。
施工過程中要嚴(yán)格把控施工質(zhì)量,BIM團(tuán)隊(duì)及時(shí)復(fù)核現(xiàn)場進(jìn)度是否與計(jì)劃一致,檢查鋼筋施工時(shí)的搭接、穿孔以及排布與BIM模型的匹配度。與現(xiàn)場施工人員溝通,了解BIM成果使用情況及施工人員對BIM成果的理解程度,并在施工完畢后依托BIM模型、深化圖等資料文件輔助內(nèi)部預(yù)驗(yàn)收工作,確?,F(xiàn)場施工質(zhì)量以及BIM應(yīng)用的落地性,現(xiàn)場施工跟進(jìn)與核查效果,如圖9所示。
圖9 對現(xiàn)場施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟進(jìn)與核查結(jié)果
BIM深化成果的落地實(shí)施,是提高現(xiàn)場施工效率和質(zhì)量的前提。通過技術(shù)交底等方式,將BIM成果更直觀地向作業(yè)人員展示,BIM技術(shù)交底能大幅縮短交底時(shí)間。同時(shí),BIM技術(shù)的介入能最大限度地減少由于設(shè)計(jì)、技術(shù)方案等原因造成的源頭錯(cuò)誤,輔以過程跟蹤等手段可以提高型鋼構(gòu)件的施工質(zhì)量。另外,借助BIM場布模型提前規(guī)劃運(yùn)輸路徑,可以有效提升大型構(gòu)件在施工場地內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)的效率,并充分考慮周圍交通以及空間高度影響。
采用BIM技術(shù)不僅是為了發(fā)現(xiàn)各類技術(shù)問題,更重要的是在項(xiàng)目管理過程中將參建各方進(jìn)行整合,及時(shí)、完整地傳遞信息,提高項(xiàng)目協(xié)作的信息化程度。例如,可以通過搭建BIM模型對方案進(jìn)行驗(yàn)證。運(yùn)用線上、線下會(huì)議以及模型傳遞等方式積極調(diào)動(dòng)參建各方,降低由于信息傳遞不暢造成的協(xié)作難度。另外,輸出的BIM成果還要重視實(shí)用性,符合施工習(xí)慣且易于被現(xiàn)場施工人員接受,由此形成現(xiàn)場和BIM團(tuán)隊(duì)之間良性循環(huán)反饋、參建各方與BIM團(tuán)隊(duì)間高效協(xié)作的項(xiàng)目管理模式,從而提升項(xiàng)目整體管理水平。
鋼結(jié)構(gòu)由于自重輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)在許多工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用,同時(shí)對設(shè)計(jì)與施工提出了要求和挑戰(zhàn)。本文通過對萬達(dá)廣場這一城市綜合體項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用剖析,運(yùn)用BIM技術(shù)提出解決思路,并對實(shí)施效果進(jìn)行展示與對比,得出如下結(jié)論:
(1)提出運(yùn)用碰撞模擬發(fā)現(xiàn)專業(yè)廠家施工深化設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問題,總結(jié)基于BIM技術(shù)針對深化設(shè)計(jì)不合理、現(xiàn)場施工難度高、不同專業(yè)間協(xié)調(diào)難度大三類問題的實(shí)施方案。
(2)明確采用BIM技術(shù)進(jìn)行技術(shù)交底可以極大提高作業(yè)人員對于方案的理解程度,提高現(xiàn)場工作效率。利用BIM技術(shù)在前期將原始設(shè)計(jì)和方案中存在的問題進(jìn)行優(yōu)化后,還可進(jìn)一步提高現(xiàn)場施工質(zhì)量。
(3)運(yùn)用BIM技術(shù)可以再次深化專業(yè)廠家的鋼結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì),尤其是鋼筋之間、鋼筋與其他構(gòu)件(如型鋼)之間的碰撞深化檢查;運(yùn)用BIM技術(shù)可以展開鋼結(jié)構(gòu)的施工工序模擬,并實(shí)施跟蹤檢查;運(yùn)用BIM技術(shù)可以提供信息化手段整合參與各方,提升項(xiàng)目管理效率和水平。
因此,本文為類似鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)深化、施工輔助、協(xié)同管理提供了參考和借鑒,局限性在于僅選取城市綜合體項(xiàng)目進(jìn)行BIM技術(shù)應(yīng)用探討,未來可考慮對比BIM技術(shù)在不同鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目中的應(yīng)用,深入挖掘不同鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目特點(diǎn)與BIM技術(shù)的契合。另外,本文主要側(cè)重施工深化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場施工階段,對于后期運(yùn)營維護(hù)階段的應(yīng)用有待進(jìn)一步探討。