基于BIM技术的辅助钢结构施工及质量管控研究_张洁.pdf

43建筑科技2023 年 第 3 期建筑工业化Building Industrializayion基于BIM技术的辅助钢结构施工及质量管控研究Research on Construction and Quality Control of Auxiliary Steel Structure Based on BIM Technology张洁（上海建工集团股份有限公司,上海 200080）摘要：BIM 技术在房屋建筑施工中的应用越发广泛,在深化设计、碰撞检查、施工模拟和信息集成等方面发挥着越来越明显的优势。针对钢结构施工,介绍了 BIM 技术对钢结构复杂节点的深化设计以辅助施工,BIM 与三维激光扫描配合使用以辅助钢结构幕墙协同施工以及钢结构构件尺寸校核,预埋件施工的精准安装以及钢结构构件的吊装安装施工模拟等内容。研究发现引入 BIM 技术可在一定程度上确保钢结构施工的效率与施工质量,BIM 技术也可与其他施工技术配合使用以发挥更大的作用。关键词：BIM;钢结构;施工模拟;质量管控中图分类号：TU17;TU758.11 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）03-0043-030引言钢结构节点复杂、构件众多且体量较大1,在施工过程中难度较大,对施工精度有着较高的要求。伴随着信息化技术的发展,房建工程中钢结构施工在相关数字化水平的加持下,也逐渐向更高效和高精度推进。BIM技术有着强大的三维可视化及信息集成能力,拥有服务于建筑全生命周期的配套软件,可以与现有的施工测量手段协同使用,也可以与其他数字化技术如三维激光扫描2,3、物联网4,5、GIS等深度融合,以提高土木工程智能化建造水平与施工效率。基于BIM技术的施工技术开发与工程应用,相关研究人员在此领域已经进行了诸多的研究与探索。高峰6等人借助BIM可视化与参数化建模的优势,对铁路预应力混凝土连续梁拱拱脚设计和施工进行深化设计;陶佳能7等人通过建立三维BIM协同平台对施工阶段中竖向构件套筒灌浆质量控制、预制构件质量控制等方面实现更加精细化的管理;张欣8通过某商业大厦工程案例,介绍了BIM碰撞检测技术在管线施工的应用优势和实际应用;李元9等人借助BIM技术对幕墙进行深化设计,规划幕墙施工顺序并解决幕墙与钢结构的碰撞问题;刘齐10等人利用BIM技术开发了大体积混凝土浇筑温度控制检测方法,实现了大体积混凝土浇筑和养护的合理控制。本文基于某一钢结构工程案例,介绍了BIM技术在钢结构施工过程中的相关应用与实际效益。1工程概况背景工程位于杭州市西湖区三墩双桥区块内,项目总用地面积约为42万m2,总建筑面积约为44万m2（其中地上建筑面积约为32万m2,地下建筑面积约为12万m2）。项目东侧为幼儿园和小学,西侧为云涛北路,南侧为墩余路,北侧为预留规划地。工程项目中的钢结构体系主要包括以下部分。（1）学术会堂屋顶采用钢结构体系,全金属屋面。（2）学术环圆环采用钢框架结构体系,框架梁柱均采用钢柱、钢梁,楼板全部采用钢筋桁架楼承板组合楼板。（3）教师食堂及学生食堂采用金属屋面,包括钢柱、钢梁。（4）学术交流中心塔楼部分采用钢框架-混凝土核心筒结构体系,框架梁柱均采用钢柱、钢梁。核心筒施工领先于外框,因此钢结构的安装对筒体的定位和垂直度有着极高的精度控制要求。由于钢结构与土建工程的操作面位于不同高度,控制网相对独立,必须在测量系统、测量工艺和仪器配备等方面保持高度一致,确保施工测量的协调统一,并对筒外钢结构竖向变形差异及时进行调整和补偿。2BIM技术深化设计辅助钢结构施工利用BIM技术进行深化建模工作,模型中可进行碰撞分44建筑科技2023 年 第 3 期建筑工业化Building Industrializayion析同时可通过模型确定各专业间的界面划分问题。在确定模型可以进入深化阶段后,再进行详细建模、节点深化、详图出图。复杂节点建模过程中,统一考虑了钢筋、模板接驳器和混凝土流淌孔等细部构造,同步对此位置进行仿真施工以确定后期施工的重难点。将这些部位的施工方案用三维动画的形式表现出来,帮助施工管理人员就施工环境、施工安全以及施工可行性进行全面分析,从而获得以上部位的优化施工方案,提高施工的效率。3BIM三维激光扫描施工管理与尺寸修正3.1点云扫描幕墙定位与BIM模型修正对于本工程的钢结构与幕墙施工,由于其空间的变化,利用三维激光扫描技术对外框进行实体扫描,随后将钢结构扫描数据与幕墙模型进行合模检查,便于后期的优化设计。利用Cyclone软件自带的建模功能,将钢结构点云数据逆向建模成数字模型。幕墙钢结构在荷载作用下,会出现变形现象,原始设计图纸尺寸将无法使用,只能使用现场实测的信息进行确定。将扫描的点云模型拟合成为已知坐标下的实体模型,可利用数字模型来确定幕墙玻璃固定点的位置,有助于钢结构施工与幕墙施工之间的进度协调与协同施工。3.2钢结构生产阶段尺寸修正本工程钢结构体量大、构件节点多,针对质量管控,主要分以下2步。（1）派出本项目专职质量检验人员进驻钢厂,对供货商投入生产的钢坯实物进行现场检验和跟踪,保证此批钢材的数量、尺寸和外观符合国家标准及规范要求。（2）对钢结构的关键构件进行三维激光扫描。为了保证扫描构件的完整程度,需要在多站点进行扫描,同时采取基于标靶拼接的方式将不同测站点的点云数据统一到同一坐标系中。模型完成后,将BIM软件中的关键构件以dwg（AutoCAD的图形文件）的格式导出,随后通过接口程序导入到Geomagic软件中,同步将上述已整理拼接完成的点云数据导入软件从而与BIM模型对齐。通过软件计算出实际扫描构件与理想的BIM模型之间的尺寸误差,判断是否超过偏差限度。4基于BIM技术的预埋件安装的精准控制预埋件的安装是整个钢结构安装的基础,其精度直接决定了上部钢结构安装的精度,因此要严格控制预埋件的埋设精度和质量。基于上述因素,需要依据施工图纸对预埋件提前进行BIM深化设计,包括锚栓定位架、地脚锚栓的设计与定位等。根据预埋件的施工顺序提前进行施工模拟,导出BIM施工图纸与相关定位中线、定位点与标高等。现场施工过程中,BIM技术辅助控制预埋件精度的具体实施步骤如下。（1）固定锚栓定位架。采用锚栓定位架可确定锚栓的安装精度与垂直度,在现场实施过程中,锚栓的固定须采用上下2层角钢,并且将锚栓与角钢焊接定位确保其垂直状态。（2）测量放线。BIM模型可导出相应的深化设计图纸,根据此图纸找出锚栓安装位置的控制线（基轴线或中心线等）及锚栓上角钢顶面的定位线等,及时通过全站仪对锚栓安装的位置与标高进行量测校核和复核。（3）锚栓预埋及加固。根据锚栓定位架上角钢的纵横向中心线,复核其与前期测量的定位基准线的吻合度,随后采用水准仪校核定位架四角上锚栓的标高,若出现偏差需通过调整定位架的标高来校正。在结构混凝土浇筑时,为防止埋件的变形或移位,需对定位架采取额外的加固措施：定位架底部与底板钢筋焊接牢固,在定位架四周加设刚性支撑,待底板的钢筋绑扎完毕后,将预埋件与基础梁的钢筋焊接为一个整体,在锚栓固定前后根据BIM图纸吊点定位进行二次复核。在底板混凝土浇筑前,须再次确认埋件的平面位置、整体的牢固性以及标高的准确性,从而确保混凝土浇筑过程中埋件不发生偏位。可在埋件上部的丝牙螺纹涂抹黄油,后用油纸包裹,其上再增加套管进行保护。浇筑过程中需实时监控埋件,当发生偏位时需及时调整。由于地脚螺栓的预埋精度直接关系到后期钢结构的安装质量,因此在定位架安装、混凝土浇筑前后须对埋件的位置多次复核,同时做好地脚螺栓的成品保护工作,减少土建工程施工过程的破坏,从而有效避免已安装的地脚螺栓出现松动或移位。5基于BIM技术的钢结构吊装与安装施工模拟钢结构吊装与安装是钢结构施工过程中的核心环节,吊装和安装质量的好坏将直接影响到工程质量与施工安全,因此在钢结构吊装与安装工程施工前需要对整体流程进行BIM施工模拟与安全性评估,提前设置相关的安全措施,考虑相关的注意事项。5.1钢柱吊装的BIM施工模拟本工程地上钢柱拟采用无缆风的施工技术,钢柱的吊装BIM模拟措施包括以下5个方面。（1）爬梯安装。爬梯安装是上部钢柱施工的有效措施,安装完成后可便于工人上下钢结构安装操作平台（通常为钢梁下1.2 m处）。爬梯安装后需及时焊接用于固定操作45建筑科技2023 年 第 3 期建筑工业化Building Industrializayion平台的临时槽钢,确保爬梯与临时槽钢的安全可靠。（2）吊点设置及起吊方式。吊点设置在预先焊好的连接耳板处,为防止吊耳起吊时变形,采用专用吊具装卡,起吊前须在钢柱底部设置枕木等保护措施从而有效避免钢柱与地面接触,起吊过程中不得出现在地面上拖拉等现象。（3）柱脚定位。钢柱通常先吊至就位标高上方200 mm处,在吊机停稳且钢柱稳定之后再进行螺栓孔和十字线对准等工作。（4）钢柱临时固定。临时固定后,须借助经纬仪等仪器对钢柱的垂直度进行初步测量和校正。（5）钢柱定位。柱脚定位后,钢柱须对准下节柱,使上下两节钢柱的四边中心线对齐,下落至安装标高后,采用双夹板和螺栓临时固定。5.2钢梁安装的BIM施工模拟楼层梁的安装采用常规方法,安装时两端的连接耳板同时安装固定,两侧固定后塔吊松钩,上全部螺栓并初拧,吊挂架焊接连接板,焊接后终拧。钢梁的安装主要是楼层的安装,钢梁以钢柱吊装分段作为安装节,利用塔吊分层分段吊装。5.2.1钢梁的安装顺序根据钢柱分节,钢柱定位后钢梁以先主梁后次梁的顺序,由下层至上层进行安装。在钢梁吊装完成后,各钢梁之间须及时连接从而将各构件组合成稳定的框架。同时,每日安装的钢柱之间必须采用钢梁连接,从而减小钢柱的悬臂。为了结构稳定和便于校正安装精度,对于3层1分段的钢柱,应首先固定顶层梁,然后固定下层梁,最后固定中间梁。当1段钢柱分段内的钢梁吊装完成后,应及时对钢结构的安装进行测量校正。5.2.2钢梁的安装方法（1）吊点设置。对于“H”形钢梁,吊点位置上预先设置吊装耳板,通常焊接于钢梁翼缘上。（2）连接耳板。对于普通钢梁,连接耳板设置在钢梁的端部,且两端上下各设置2块。钢梁安装就位时须及时夹好连接板,对孔洞有偏差的接头应微调跨间距,然后再用普通螺栓进行临时连接。根据规范要求,普通螺栓安装的数量不得少于该节点螺栓总数的30%,且不得少于2个。（3）钢梁安装安全措施。安装时须用临时螺栓进行固定,不得将高强螺栓直接穿入。安装后应及时拉设安全绳,便于施工人员行走时挂设安全带,确保施工安全。6结语本文介绍了BIM技术协助钢结构施工与质量管控等方面的应用。BIM技术通过深化设计处理复杂钢结构节点,可以协助施工管理人员安排进度和施工设计,优化施工方案,提高施工效率。通过对预埋件的深化设计,可以提高预埋件的埋设精度与埋设质量。BIM技术可以对钢结构构件的吊装与安装进行施工模拟,以优化方案并进行安装性评价。同时,BIM技术可以与三维激光扫描技术相结合,通过三维激光扫描逆向建模,以修正BIM模型进而指导施工,还可以通过BIM点云与扫描点云的比较分析进行尺寸校核和方案修订。本文从多方面介绍了BIM技术在钢结构施工过程中的应用,但BIM施工监测、BIM信息交互等内容需要进一步研究。参考文献:1 胡绍兰,黄凤玲,张国兴,等.基于BIM+点云数据的钢结构质量智能检测方法J.土木工程与管理学报,2022,39(5):28-33,49.2 王海龙,牛立舒,阙圣超,等.BIM三维扫描技术在天津平安泰达金融中心超深基坑施工中的应用J.施工技术,2020,49(22):83-86.3 丁延书.基于“BIM+三维激光扫描”的逆向模型重构仿真分析技术在高边坡及隧道施工中的应用J.公路,2020,65(9):55-59.4 穆丹丹.基于BIM和物联网的智慧建筑运维系统设计J.自动化与仪器仪表,2022(10):133-137,142.5 吕桂林.基于“BIM+GIS+物联网技术”的高职院校校园智慧运维管理J.工业技术与职业教育,2022,20(5):19-22.6 高峰,苗永抗,宋树峰,等.基于BIM的铁路预应力混凝土连续梁拱拱脚设计与施工