基于BIM技术的预应力空间结构全过程施工控制

1.预应力钢结构特点及难点

随着拉索材料性能的改善、计算方法的进步和预应力施工技术的提高，预应力钢结构已成为现代结构工程中最活跃最具有发展潜力的结构体系之一。结构形式主要有张弦梁、张弦桁架、弦支穹顶、弦支筒壳、弦支网架和索穹顶等，已在体育场馆、火车站房、航站楼和飞机库等建筑中得到了广泛应用。目前空间结构正向着轻量、超大跨方向发展，如已建的盘锦体育场和待建长春体育场（见图1和图2，跨度均大于260m，悬挑均在42米左右）等便是顺应这种趋势产生的一种新的结构形式。

　　　　　　　　　　　　　　　　图1 盘锦体育场

　　　　　　　　　　　　　　　　图2 长春体育场

该类结构通常也给施工带来下难点和问题：

(1)具有跨度大、悬挑长、体系受力复杂、预应力张拉难度大、影响结构施工质量因素多等特点。

(2)传统的建筑模型的建立和施工控制技术已不能满足其施工过程中力学性能预测与施工过程安全控制的需要。

(3)如何合理的安排施工和进度，如何控制施工过程中结构应力状态和变形状态始终处于安全范围内，都是目前预应力钢结构迫切需要研究的内容与技术。

近年来，BIM技术、仿真分析技术和监测技术在建筑的施工过程中得到了广泛的应用。为了满足预应力空间结构的施工需求，把上述技术结合起来，实现学科交叉，建立一套完整的全过程施工控制及监测技术，从而保证结构的合理安全施工。

2. 应用BIM技术的必要性

预应力结构在施工过程中，由于其不可逆性，如果施工控制不合理，都有可能引起经济损失和人员伤。因此，针对预应力空间结构的特点，开展基于BIM的预应力结构施工全过程控制及监测成套技术研究，是非常有意义和必要性的。具体表现为以下几个方面：

(1)预应力空间结构通常空间形体关系复杂、形式多样，项目施工方案的制定和选取、施工进度的控制和安排、协调沟通方案及修改都成为技术难点。而BIM技术能简化分析过程，对施工过程的安全性能进行连续动态地分析和4D可视化模拟，并能实现设计和施工阶段的信息交换和共享，具有准确、快捷和及时性。

(2)采用先进的全过程施工控制方法和现代结构分析手段，对结构施工全过程进行仿真分析。模拟在施工过程中不同时段的力学性能和变形状态，全面了解结构施工过程中内力和变形等的演化规律，初步确定施工控制的阶段控制目标，作为施工控制可操作性的依据。

(3) 近年来建筑安全事故不断发生，人们防灾减灾意识也有很大提高，所以建筑结构全过程施工控制及监测研究已成为国内外的前沿课题之一。预应力钢结构施工阶段的风险率很高，对施工过程进行实时施工监测，可以及时了解结构的受力和运行状态。监测技术的先进合理与否，对施工控制起着至关重要的作用，开展基于BIM技术的三维可视化动态监测技术则能顺应需求，也是施工过程信息化的一个重要内容。

综上所述，BIM技术、监测和全过程施工控制技术是预应力钢结构合理和安全施工的保障，如果三者结合起来将会相得益彰。所以开展此方面的研究，能为施工提供新的安全技术手段和管理工具，能够提高建筑施工安全管理水平，促进和适应新兴建筑结构的发展。

3.预应力空间结构全过程施工控制主要内容

(1)研究BIM技术在预应力钢结构施工中的应用，基于BIM平台，以实际工程为例，定义与施工过程和时间相关信息，建立3D施工过程模型；

(2)以施工进度为时间维度，编制相应的扩展数据接口，建立4D信息模型和4D施工管理系统；

(3)基于ANSYS平台，进行施工全过程仿真分析二次开发，确定适应施工全过程控制的目标体系，建立施工全过程仿真分析系统；

(4)开发相应程序把基于BIM技术建立的4D施工管理系统引入施工全过程仿真分析平台中，并和监测与安全评价系统有效结合起来，最终形成施工全过程控制系统，见下图3。

　　　　　　　　　　　图3 全过程施工控制系统技术路线图

4.结语

针对盘锦体育场、徐州奥体中心体育场等实际大型预应力空间结构工程的需求，北京市建筑工程研究院BIM技术中心在此方面开展了大量的BIM技术研发及实践工作。通过发挥科研单位的特长，依托北京市博士后基金项目 “基于BIM的预应力钢结构全过程施工控制及监测技术研究”，把BIM技术、结构分析、施工控制与监测技术相结合，开展了成套技术研究，实现了学科技术交叉。

后期，作者将会把徐州奥体中心、盘锦体育场等工程的BIM实施目标、技术路线、结构参数化分析、动态模拟、施工控制与三维可视化监测技术等BIM方面的应用与大家一一分享。