李 凯1 黄振邦2 于培德1
(1.北京建工京精大房工程建设监理公司， 北京 100044； 2.北京建筑大学土木与交通工程学院， 北京 100044)
摘 要：运用BIM技术创建了某工程的BIM施工模型，并对钢结构安装工程的“内环整体提升+外环分段吊装”综合施工法、分段分块吊装高空对接法两套施工方案进行了3D施工工况展示和4D施工进度模拟，然后结合两方案的技术可行性、安全、质量、工期和成本等方面进行了对比优选。
关键词：BIM施工模型； 方案优选； 局部提升； 分段分块吊装； 施工模拟
DOI:10.13206/j.gjg201511020
ABSTRACT：A construction model of an engineering project was built by BIM technology. The 3D construction conditions display and 4D construction progress simulation of two construction schemes that integral lifting for inner ring and segmental hoisting for outer ring as well as segmental lifting and high-altitude splicing were performed. These two schemes were compared in terms of technical feasibility, safety, quality, duration and cost.
收稿日期：2015 -08 - 29
APPLICATION OF BIM TECHNOLOGY IN CONSTRUCTION SCHEME OPTIMIZATION OF STEEL STRUCTURE ENGINEERING
Li Kai1 Huang Zhenbang2 Yu Peide1
(1. Beijing Jiangong Jingjing-Dafang Engineering Construction Supervision Corporation,Beijing 100044， China;
2. Civil and Transportation Engineering College Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China)
KEY WORDS：BIM construction model; scheme optimization;local lifting; segmental hoisting;construction simulation
第一作者：李凯，男，1959年出生，教授级高级工程师。
Email:likai@jjdf.com.cn
据相关研究，在施工阶段通过分析工程建设三个主要参与单位：业主、设计、施工单位应用BIM技术的“受益、动力和能力”三个主要因素，得出以下结论：业主单位受益最大，动力不足，技术力量较弱；设计单位受益不大，动力中等，技术力量最强；施工单位受益中等，动力最大，技术力量中等。因此，目前BIM的普及在施工企业具有最先爆发的可能[1 - 2]。国内在施工阶段BIM技术的应用主要集中在施工前的BIM应用策划与准备，面向施工阶段的深化设计与数字化加工、虚拟施工，施工现场规划以及施工过程中进度、成本控制等方面。BIM对施工技术提升最主要的4个方面价值表现为：辅助深化设计或生成深化设计图纸；对施工工序的模拟和分析；基于BIM模型的错漏碰缺检查；基于BIM模型的实时沟通方式[3]。
为了加大主动控制力度，工程监理方对工程的钢结构安装方案进行了预研，以便在施工前初步确定了施工方案，并以此为基础进行经济分析，并形成了工程监管的重要依据。通过对工程施工中BIM的运用与价值分析，在施工方案演示、验证、优化、优选等方面，为BIM技术的应用开辟了一种全新的思路和尝试。运用BIM技术的3D施工工况展示和4D虚拟建造对指导施工、保证工程质量、节约成本、缩短工期，具有重要的意义，也是监理工作的一项创新。
北京某高校新校区体育馆，建筑高度为27.5 m，总建筑面积19 152 m2,占地面积4 458 m2。建筑主体地上1层，局部3层，主要功能为篮球训练和小型比赛场地。地下两层，主要功能为学生训练使用的游泳馆。主体结构体系为钢筋混凝土框架剪力墙结构加钢网壳屋顶，其首层、2层及地下部分为钢筋混凝土框架 - 剪力墙结构，局部3层及屋盖为钢结构，屋顶为大跨度双曲面钢结构屋面，如图1所示。
图1 体育馆效果
该工程地面二层以上为钢结构，楼板为厚120 mm 钢筋桁架楼承板，其主体钢结构模型如图2所示。屋盖平面投影呈椭圆形，长轴75.2 m，短轴54.6 m。框架柱为热轧无缝钢管，楼面钢梁为热轧H型钢，马道钢梁为热轧H型钢，马道吊杆、支撑为热轧无缝钢管，屋盖钢拱、环梁均为焊接箱形截面。钢结构总用量约500 t，楼承板面积约2 328 m2。
图2 钢结构BIM模型
根据体育馆的整体结构和钢结构的特点，首先从各种施工方法中筛选出以下3种方法：高空散装法、分条分块吊装法、整体提升法。高空散装法拼装支架用量大，高空作业多，施工质量难以保证，且满堂脚手架占用了几乎全部的施工空间，严重影响体育馆看台等的施工。整体提升法中，钢屋盖钢拱本身高度(18 m)较大，所有的安装工序和难度与高空散装法相差无几，且均会影响看台及1、2层混凝土结构的施工。可见，高空散装法和整体提升法均不能满足要求。根据现场施工条件对安装方法进行改进后，提出以下两种施工方案：内环整体提升+外环分段吊装综合施工法、分段分块吊装高空对接法。
内环整体提升+外环分段吊装综合施工法(方案1)：根据项目特点，钢结构施工分为屋盖钢拱及其周围附设钢结构两部分。体育馆钢结构施工程序为内环提升、外环吊装。整体提升部分屋顶钢结构投影呈椭圆形，长轴约为40 m，短轴约为30 m，周向共由24个钢拱组成，总计约为150 t。在方案确定前，用MIDAS软件对整体提升的钢结构部分进行应力应变分析(图3)，以验证其技术可行性和安全性。经计算可知：钢拱屋盖应力最大值为78.1 MPa，小于钢材Q345C的屈服强度，满足要求；最大变形点位移为25 mm，满足要求。待体育馆相关混凝土结构部分施工完毕，且达到规定要求后，方可进行钢结构部分施工，钢结构安装流程见图4。在对±0.000 m楼面板进行回顶加固后，先进行内环钢拱屋盖整体提升部分在±0.000 m地面的拼装，同时搭设4组提升龙门架；然后进行内环屋盖的整体提升，在提升至设计标高后定位固定；再搭设8个支撑架，接着进行外环钢拱梁吊装，并与整体提升部分钢拱梁对接，焊接完成后进行卸载；最后完成其他附设钢结构的安装。
图3 钢拱屋盖应力应变分析示意
图4 方案1钢结构安装流程
分段分块吊装高空对接法(方案2)：工厂加工的构件按运输条件分段或分块出厂，进入现场后，按吊装单元进行地面分段组合拼装，再用塔吊对其由下而上分段吊装。同样在对±0.000 m楼面板进行回顶加固后，在钢拱架的中心定位处和各分段处设置临时支撑架(在23.5～27.5 m高度设置33个)供吊装定位和连接使用，待构件按施工顺序吊装、校正、连接完成并整体合龙焊接后，支撑架卸载拆除。安装流程为：先在场地上定位搭设33个支撑架，然后由里到外对称安装并焊接屋盖钢拱梁，最后吊装并焊接外围附设钢结构，其钢结构安装流程见图5。
图5 方案2钢结构安装流程
传统的施工方案是以技术人员和专家的经验为主，无法定量地加以描述，并且不能对施工方案进行直观的比较、验算和优化，无法预测施工中可能出现的突发情况。BIM施工模型的创建将施工方案的全过程映射成虚拟环境，通过对此虚拟环境的操作来实现对施工全过程的观察、跟踪、控制和引导，最终达到验证、优化、调整、优选施工方案的目的。
在施工阶段，基于BIM的虚拟建造对施工方案的模拟，可以在虚拟的环境下发现施工过程中可能存在的风险，并针对风险对模型和计划进行调整、修改，用来指导实际的施工，从而保证项目施工的顺利进行[4 - 5]。
BIM施工模型不同于BIM设计模型，BIM施工模型用于指导施工，要能够真实地反映施工现状，如构件的拆分、施工段的划分等，而BIM设计模型则不包括这些内容。BIM施工模型除了包含建筑实体模型外，还包含施工机械、临时设施等施工过程元素模型。该工程在Revit软件上建立BIM施工模型，根据二维CAD图纸，按照现场施工组织计划及施工要求，对模型进行二次拆分，以便后续的应用及工程量信息的提取。BIM施工模型如图6所示。
图6 BIM施工模型
BIM施工模型包括主体结构、机械、临时支撑结构、临时办公楼、施工围挡、大门等，尽可能与实际情况相一致，通过三维模型展示各节点的施工状态，这样可以直观、形象地描述施工现场，以便论证施工方案的可行性。
利用Revit的明细表功能，在BIM施工模型中统计钢结构构件的编号、类型、规格、材质、长度、体积等，并通过计算功能统计各构件的质量。其中，钢构件的长度、质量可为塔吊的选取作参考。同时根据构件起吊和就位位置、构件质量、安装空间等工况进行全过程模拟，分析安装可行性，进而合理配置堆场。通过统计，钢结构工程中有热轧无缝钢管、热轧H形钢梁、焊接箱形钢拱梁；材质有Q235B、Q345C。钢构件总计396件，其中整体提升部分57件；钢结构总用量约为500 t，整体提升部分约为150 t；单件分段吊装最重85 kN，单件分块吊装最重95 kN。
一般来说，通过BIM进行虚拟施工的步骤是：先利用BIM三维建模软件如Autodesk Revit创建3D BIM模型，在Micro Project软件中编制施工进度计划，最后将Revit的3D模型和Project施工进度计划集成到Navisworks软件中进行4D模拟[6]。通过Project的进度计划和BIM三维模型的结合可以精确地对整个施工现场场景和施工过程进行三维展示和模拟。通过对钢结构安装工程可视化和施工过程的虚拟现实进行分析，可以提前找出施工中可能存在的问题，以采取有效的预防和强化措施，消除安全隐患，降低施工成本与时间耗费，同时验证、优化施工方案，最终制定最佳施工方案指导施工。
将Revit模型结合预定的施工计划进度在Navisworks中进行4D模拟，分析预定的施工计划进度中存在的问题和矛盾，4D施工模拟预演主要涉及钢结构吊装、临时支撑架安装、机械设备辅助装置的安装以及机械设备调整4项内容。通过时间轴TimeLiner模拟动画观察并发现问题，使用4D施工模拟具有很大的优势，它可以非常直观地看到计划中的施工工序，从而发现存在的问题。在Navisworks中整合3D模型与进度计划，最终形成带有时间轴的4D BIM(3D+时间/进度)施工模型，如图7所示。
a—方案1；b—方案2。
图7 4D BIM施工模型
利用Navisworks软件中的Animator动画工具为内环整体提升部分钢屋盖的地面拼装和整体提过程以及其他钢构件、提升龙门架、临时支撑架的吊装编制动画进行施工模拟(图8)。基于BIM的构件虚拟拼装对钢结构加工企业是十分有帮助的，其优势在于：无需大块预拼装场地，即可完成钢构件厂内的预拼装工作；节省预拼装临时支撑措施和工期；降低劳动力使用；减少加工周期。同时还可以验证钢构件拼装工序的可行性和合理性并检验已加工构件的质量，及时优化构件拼装工序中的不合理因素。
图8 Animator动画模拟
利用Navisworks软件中的TimeLiner施工进度模拟工具，分别对两个方案的主要施工流程进行模拟。方案1为内环整体提升+外环分段吊装综合施工法模拟过程如图9所示。方案2为分段分块吊装高空对接法模拟过程如图10所示。通过对两个方案的施工进度模拟，直观、系统地验证了方案的可行性，并结合方案对主要施工工序的工期进行了优化，最终把方案1的钢结构安装计划工期调整为35 d，方案2调整为38 d。
a—拼装胎架搭设；b—内环钢结构地面拼装；c—提升龙门架搭设;d—提升装置安装调试；e—试提升及正式提升；
f—中环支撑架搭设;g—中环安防措施安装；h—外环钢结构安装；i—附设钢结构安装。
图9 方案1 TimeLiner施工进度模拟
a—内环支撑架安装;b—内环安防措施安装；c—内环钢结构安装；d—中环钢结构支撑架安装;e—中环支撑架安装；f—中环安防措施安装；
g—中环钢结构安装；h—外环钢结构安装；i—附设钢结构安装。
图10 方案2 TimeLiner施工进度模拟
运用BIM技术进行的工况展示、施工过程模拟及工程量统计等，可以对两个方案作出分析和比较，便于各参建单位做出选择。
优点：1)场地占用相对较小，与土建混凝土施工可以部分交叉作业，对确保综合工期有利；2)整个内环钢结构可以在地面拼装和焊接并整体提升到位，大大减少了高空作业量，有利于施工安全和确保施工质量；3)相对地减少塔吊吊装次数、提高施工速度；4)大幅度地减少了施工支撑架的数量，同时也节省了材料和塔吊工时与费用；5)液压提升设备控制工艺先进，整个提升系统由计算机控制，同步性和可靠性良好。
缺点：1)液压提升吊点位置与结构设计受力形态差异较大，需要考虑的工况计算较多；2)提升龙门架需要设计，基础设施相对复杂；3)另外需要液压提升设备和费用。
优点：1)相比高空散装法，场地占用相对较小，与土建混凝土施工可以部分交叉作业，对确保综合工期有利；2)将部分构件在地面拼装成较大的单元进行分段组合吊装，可以减少吊装次数和高空作业；3)安装顺序与支撑塔架的卸载程序符合结构设计受力转换的计算要求。
缺点：1)高空作业相对较多，施工安全和质量控制有一定难度；2)构件在地面拼装成较大的单元进行分段组合吊装，质量较大，需要更大规格的塔吊和更多的塔吊工时，施工费用更高；3)构件高空定位、临时固定和测量校正工时较长、难度较大，也使工期会加长、费用增加；4)需要设置较多的支撑架，材料用量大和更多的塔吊工时，工期更长，施工成本更高。
通过比较方案的优缺点，两种方案均可行。该工程钢结构安装对施工进度、造价等影响的主要因素有：钢结构构件396件(包含外围附设钢结构)；其中，中环钢梁以内(整体提升部分)的钢构件57件。钢构件单件吊装占用时间为高空20～30 min，地面10～15 min，塔吊每天工作10 h。钢结构支撑架：方案1为12个，方案2为33个。
1)施工进度：结合BIM的施工模拟后得出了两个方案的计划工期，见图11。其中，方案1钢结构安装需要35 d，方案2钢结构安装需要38 d。方案1与方案2工期相差无几，方案1可节省工期3 d，优势不大。
a—局部整体提升方案；b—分段分块吊装方案。
图11 计划工期
2)工程造价：结合以上两个方案的实际情况，主要针对钢结构制作与运输费用、现场拼装与安装费用和垂直运输费用进行了项目估算造价指标分析对比，方案1比方案2节省11.59万元。
3)工程质量保证：方案1中大部分钢构件在地面拼装和焊接，避免了钢屋盖顶部构件在高空的安装和焊接。其安装几何精度的调整和焊缝质量的保证要比方案2容易。因此，方案1的优势很明显。
4)工程安全性：由于方案1钢屋盖顶部大部分构件在地面拼装和焊接，其在工程安全性上的优势显而易见。
综上所述，方案1在施工进度、工程造价、工程质量和安全性方面都具有一定优势，比较两种方案的优缺点并结合实情综合考虑，建议方案1作为最终的钢结构安装施工方案。
结合实际工程，提出了两种可行的钢结构施工方案，在重新建立BIM施工模型的前提下，通过可视化的BIM技术，运用Revit、Navisworks、MIDAS等多种软件进行了方案展示、施工进度模拟和受力分析，并围绕技术可行性、工期、成本、安全和质量等方面对两个方案进行大量的计算、对比、分析和优化，最终得出最佳施工方案。
应用BIM技术，大大提高了沟通效率，四维进度模拟直观、精确地反映整个项目的施工过程和重要环节，并为实现有效监控奠定了坚实的技术理论基础。用BIM模型代替图纸、图形、表格、文字描述等，大大提升了施工方案优化的质量；通过本次方案的优选，使BIM技术在施工前期得到了有效的应用，最终实现了BIM的价值和优势，为今后项目的实施和管理提供依据。
参考文献
[1] 何关培. 我国BIM发展战略和模式探讨(一)[J]. 土木建筑工程信息技术,2011(2):114 - 118.
[2] 何关培. 那个叫BIM的东西究竟是什么?/BIM技术应用丛书[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2012.
[3] 中国建筑业协会工程建设质量管理分会. 施工企业 BIM 应用研究(一)[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2013.
[4] 张希黔. 建筑施工科技创新及应用[M]．北京:中国建筑工业出版社,2009．
[5] 丁烈云. BIM应用·施工/建设信息模型BIM应用丛书[M]. 上海:同济大学出版社,2015.
[6] 柳娟花. 基于BIM的虚拟施工技术应用研究[D]. 西安：西安建筑科技大学,2012.
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