BIM技术在建筑结构中的应用

 摘要：以BIM技术在苏州中惠铂尔曼酒店项目建筑结构优化及前期施工策划中的应用为背景，从前期策划、施工组织指导、连廊结构优化方案等方面，介绍了利用BIM技术进行结构优化和项目策划的方法，并利用BIM可视化、参数化的特点给业主和施工方提供了新的概念和思路。为BIM技术在建筑结构优化和前期施工策划中的应用提供参考。

关键词：BIM；可视化模型；建筑结构优化；场平布置；施工策划

1工程概况

中惠铂尔曼酒店项目位于苏州市相城区陆慕地块，紧邻相城大道，位于整个相城区核心地带，与中心城区唇齿相连，邻近北环高架道路、227国道及地铁枢纽。交通十分便利，具有优越的地理位置和区位优势（图1）。本工程由酒店主楼及裙楼、连廊及精品商业裙房组成，其中酒店主楼为中惠铂尔曼酒店，是集五星级豪华酒店和其他设施为一体的大型高层建筑，建筑高度99.84 m，共25层，酒店裙房建筑高度21.75 m，共4层；精品商业裙房建筑高度42.95 m，共8层；连廊位于酒店部分及商业裙房中间，宽约18 m，长约70 m，4层。主要结构形式为框架剪力墙结构，属高层民用公共建筑。中惠铂尔曼酒店项目设计要求高、施工难度大，且采用总承包管理模式，BIM技术结合总承包管理是这个项目最好的管理模式，有利于成本、技术、进度、图纸、资料、人员、现场布置等方面的管理，也是未来的发展趋势[1-2]。

2整体建模

本工程土建以及建筑建模采用Revit 2016和鲁班BIM系列软件分别进行建模，Revit模型主要应用于前期施工组织设计和结构优化，鲁班模型主要用于计算工程量。团队在建模过程中发现了许多问题，具体如下。2.1 大量图纸问题在建模过程中发现大量图纸问题，仅在酒店主楼模型建模中就发现图纸问题62个，其中有详图与平面图不对应、结构图与建筑图矛盾、结构构件尺寸不清、做法说明模糊不清、标注错误等一系列问题，较明显的问题可以在反复对比CAD图纸后发现，但是有些问题很难发现，在以后的施工中会造成返工等问题。2.2 施工场地狭小、周围环境复杂由于项目所处位置在商业住宅密集区，南侧紧邻相城区人民政府和加油站，东侧为泰峰大厦（15层），北侧有大润发购物超市，施工中存在较大施工安全隐患，并可能会出现扰民现象；施工现场东西长约250 m，南北宽约110 m，除东侧有部分场地可作为施工便道之外，其余三边均无可利用场地进行施工机具存放和材料堆放，对施工流水作业影响也非常大。2.3 结构图纸不合理边跨均为大柱距、大层高，采用传统的钢筋混凝土结构，构件截面很大，建筑空间受影响，同时存在结构强梁弱柱，不利于抗震；存在大量超高模板支撑施工，造成风险大，成本高。设缝、设后浇带：大跨度留后浇带施工风险很大、效果不佳；双柱设计形式占用建筑空间、增加成本。双柱双柱酒店酒店裙房商业170m后浇带图2大跨度留后浇带施工示意（俯视）2.4 高大支模施工本工程中存在众多高大支模构件，酒店裙房屋面存在大跨度超大截面劲性梁，南北方向3根，长45 m（截面500 mm×1 000 mm），东西方向4根，长30 m（截面800 mm×2 500 mm）。针对以上情况，图纸会审期间，项目部以模型作为主要依据和平台，与业主、设计、监理单位进行研讨和沟通，提高了图纸会审的准确性和效率，同时也更有说服力。模型完成后，我们对建筑进行虚拟漫游，检查了设计合理性，在不合理的部位进行结构优化，从而降低了工程投入成本，也更加满足了建筑的功能要求。

3基于BIM模型的结构优化设计

在前期项目策划中采用BIM技术建立3D模型进行场地布置以及配合项目施工组织设计的编制，并根据施工阶段不断调整优化，保证模型的精确性。传统的结构深化设计需要翻看许多图纸，然后凭技术人员的三维想象能力来完成二维图形到三维图形的转换，低效且容易出错。而结合BIM模型可以比较高效地发现未来施工过程中的问题、危险源、利润流失点，降低风险和成本。以本工程的连廊为例（图3），在结构优化过程中有以下几个难点需要重点考虑[3-4]：1800028.90m16.95m10.45m195010450屋顶花园多功能厅消防车道6500图3连廊部位CAD剖面1）连廊1层以及3层层高超过8 m，属于超高支模的范畴。从经济方面考虑，超高支模支撑时间长，且满堂脚手架需要加密，措施费昂贵；从施工方面考虑，由于脚手架间距较密，大梁下方还需另行加密，施工工作面狭小，同时为了承担连廊施工荷载，支撑需要一直做到基础底板，占用空间，最终导致施工难度大；从安全方面考虑，超高支模不但被列为工程建设中的重大风险源，需做专项施工方案，专家论证评审，而且超高支模的搭设和拆除均需遵循严格的技术规程，对工人要求高，一旦操作不当，容易引起重大工程事故。2）连廊两侧结构高度不同，会产生不同的沉降差，按设计要求需要设置沉降后浇带。从施工角度来说，在底板浇筑大面积混凝土时，后浇带两侧如果措施不当容易产生漏浆现象，在主楼封顶后，每周对主体结构沉降差进行观测，待沉降曲线平缓后再闭合后浇带，最终导致延误工期，且此处后浇带刚好落在连廊2/3处，层高均有10 m左右，并为大跨边跨梁位置，在后浇带闭合前，要做好两边的稳定支撑有一定难度；从使用的角度上来说，建筑完工后，观感质量也会大打折扣，且存在防水隐患。3）主梁截面普遍都较大，最大的达到800 mm× 2 700 mm，大支模施工难度大，而且又是超高支模，如采用普通扣件式钢管支撑体系，立杆偏心率高，钢管长细比较大，水平杆和立杆之间采用扣件连接，节点嵌固能力不足，故不是超静定结构。混凝土浇筑过程中会对支撑体系产生横向作用力，立杆易产生小偏心现象，从而发生杆件局部失稳和系统失稳等问题，安全风险极高。综上所述，如采用混凝土结构施工，需采用稳定性更高的盘扣式脚手架支撑体系，初拟支撑方案为：水平横杆和立杆采用φ48 mm×3.0 mm钢管，横距、纵距900 mm、步距1 500 mm。为真实模拟支撑与混凝土结构协同工作时的荷载分配情况、每层施工荷载层层传递的实际情况，以及每层混凝土构件不同时期达到的不同强度，BIM结构小组建立了“高支模+混凝土结构”的一榀整体框架模型，采用Midas-Gen空间计算软件进行了尽可能接近实际施工工况的计算模拟分析。经过计算，应力比不满足的地方主要集中在梁下支撑，因此梁下支撑需要加密。结构跨度大且排架搭设较密，对材料组织、施工安排、施工人员技术水平提出了很高的要求，对排架拆除的管理要求高、风险大。经过BIM优化后解决了以上问题，拟采用钢结构连桥的概念，将原来的酒店和商业彻底脱开，采用钢梁+组合楼板，通过两边铰接滑动支座，来协调两边建筑的变形、沉降差（图4）。优化后的方案取消了双柱，且梁高为1.7 m，空间净高增加1 m。由于无双柱和超高支模，措施费减少、节约造价，且增加建筑使用面积、空间感更强烈。同时，工期短，钢构件从加工厂出来后在现场进行吊装、拼装，楼面做压型钢板组合楼板，预计工期仅有36 d左右。该方案解决了大跨度后浇梁柱节点不安全，且超高支模为重大风险源的问题，只需做好防火涂装即可。另外，现场湿作业少，场地干净整洁、绿色环保，提升工程和企业形象。

43D可视化实体建模

按照传统二维CAD平面作图进行场平布置，单单依靠平面的横线，配以少量文字，不能清楚地表达现场静态构筑物和临建设施之间的空间关系，且现场情况瞬息万变，这些变化使用传统方法也不能及时和确切地表现出来。利用BIM模型的可视性进行三维立体施工规划，可以更高效、精确地进行施工布置策划，解决二维施工场地布置中难以避免的问题，如塔吊和围护、土建结构的碰撞，施工电梯的布置、泵车行进路线以及覆盖范围等。利用项目整体结构BIM模型，对施工场地进行三维立体规划，包括加工区、材料堆放场地、工具仓库、生活区、临时道路等的布置，可以很直观地反映施工现场情况，节省施工用地、保证现场道路畅通、方便管理人员进行管理，避免二次搬运及事故的发生（图5）[5]。

5BIM模型在施工组织设计中的应用

在BIM模型建立后，项目部应利用BIM模型着手进行施工组织设计的编制，用来指导施工项目全过程，确保工程施工活动高效、有序、绿色、科学合理地进行。传统的施工组织设计以文字为主，配以少量二维CAD图形对整个施工全过程中的场地布置、技术、组织和经济进行阐述和指导，总体上简明扼要，但是又不够直观，同时由于是技术人员基于二维图纸产生的思维，对技术人员的经验和水平提出了相当高的要求。现如今基于BIM模型来编写施工组织设计会更加高效和直观。在模型建立过程中，技术人员需要把图纸重新梳理一遍，并且在三维模型中更容易发现结构中存在的问题，加快了审图速度，降低了审图难度，为施工组织设计以及图纸会审提供帮助。现场塔吊布置采用BIM模型定位，避免了和结构碰撞以及和周围已建建筑的碰撞。塔吊拆除中，在场地允许的情况下避免吊臂和结构发生碰撞，加快了塔吊布置速度，特别适合结构复杂和周边环境复杂的工程。通过BIM软件的相关应用功能，实现一键查找项目中存在的高大支模构件，本工程酒店主楼查找出了164个高大支模构件，软件查找比人工手动查找省时省力，针对本工程180 000 m2大体量工程避免了遗漏出错。利用BIM模型可以很容易生成各个部位的剖面图，帮助方案的制订，省时省力，模型建立准确，任意位置都可以直接生成剖面图。利用BIM模型进行施工模拟，再对技术人员进行技术交底，直观明了，更加具有操作性和针对性。

6结语

BIM技术作为近年来的新鲜事物，受到众多大型建筑企业的认可，但在国内能全面应用的项目仍不多。本项目体量大、场地狭小以及结构复杂，公司看中了BIM技术可视化三维信息模型、多元化的信息输出方式和参数化建模的特性，故在这个项目全面推行BIM技术。在前期应用的过程中，整个团队在利用模型进行结构优化、前期策划中都积累了一定经验，但仍存在许多不足，例如模型的精确度、模型的传递、团队磨合等。随着工程进度的推进，团队希望在管线碰撞、复杂节点施工模拟、预留洞口施工、砌体排布、运营维护等多个方面探索BIM技术的应用点。

参考文献

[1]郭志博.浅析BIM技术在建筑结构优化设计中的发展应用[J].工程技术(引文版),2016(6):115.

[2]安培,周晓帆.BIM技术在天津117大厦项目工程总承包管理中的应用[J].工程质量,2014(12):31-37.

[3]牟茗.四维建筑信息模型技术研究[M].北京:北京林业大学,2009.

[4]李昂,石振武.BIM技术在建筑工程项目中的应用价值[J].经济师,2014(1):62-64.

[5]刘莉莉.基于BIM技术在建筑设备管线中的优化和技术应用[J].工程技术(全文版),2016(12):319.