摘要：針對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝中難以準(zhǔn)確判斷機(jī)械站位及最佳吊裝路徑等問題，本文通過對(duì)吊裝設(shè)備和結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，利用BIM技術(shù)對(duì)吊裝過程進(jìn)行精確的施工模擬，從而確定出吊裝機(jī)械的現(xiàn)場最佳布置位置、最佳吊裝路徑，以輔助吊裝設(shè)備選型。此外，對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行合理分段，對(duì)分段后的鋼柱、鋼梁進(jìn)行受力分析、模擬吊裝，確定出合理的吊裝位置，并優(yōu)化支撐布置。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；大型鋼構(gòu)件；模擬吊裝

一、概述

鋼結(jié)構(gòu)建筑正伴隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快而快速崛起［1］，施工機(jī)械化水平的提高更使得大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工程中運(yùn)用得越來越多，而且結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，使得現(xiàn)場吊裝施工難度加大，吊裝技術(shù)成為影響鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的重要因素。傳統(tǒng)吊裝方法無法準(zhǔn)確得知吊裝機(jī)械的現(xiàn)場最優(yōu)站位，且對(duì)大型鋼構(gòu)件的最佳吊裝位置無法預(yù)知。

BIM技術(shù)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，可以為設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營提供相協(xié)調(diào)的、內(nèi)部保持一致的并可進(jìn)行運(yùn)算的信息［2］。本文利用BIM技術(shù)對(duì)施工吊裝設(shè)備（如：塔吊、汽車吊等）和結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，以輔助吊裝設(shè)備選型，確定出最佳機(jī)械站位、吊裝路徑，并對(duì)吊裝的全過程進(jìn)行三維可視化模擬，合理對(duì)鋼柱、鋼梁進(jìn)行分段，優(yōu)化支撐布置，最大程度地排除吊裝過程中的不確定性，可以有效地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。通過對(duì)大跨度鋼梁吊裝等方案進(jìn)行可視化演示模擬，進(jìn)一步加強(qiáng)了BIM技術(shù)對(duì)于現(xiàn)場施工的指導(dǎo)，確保了對(duì)施工安全和質(zhì)量的管理控制［3］。

二、工程概況

BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工程中的推廣，需要應(yīng)用BIM技術(shù)做好對(duì)施工現(xiàn)場的管理工作［4］，現(xiàn)以呼和浩特市文化客廳建設(shè)項(xiàng)目施工管理為例，對(duì)基于BIM技術(shù)的大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件模擬吊裝施工工藝進(jìn)行介紹。呼和浩特市文化客廳建設(shè)項(xiàng)目是呼和浩特市重點(diǎn)工程，同時(shí)也是呼和浩特市的地標(biāo)性建筑和窗口工程。地上建筑由四個(gè)弧形楔形單體組成，各單體建筑分別為圖書館（1#館）、檔案館和民俗文化展示館（2#館）、內(nèi)蒙古方志館和民族青少年宮（3#館）、演藝中心（4#館）。地上結(jié)構(gòu)總高43.2米，地上結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)框架+支撐體系，地下室采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

三、工藝原理

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立統(tǒng)一的標(biāo)高和軸網(wǎng)，在AutodeskRevit軟件中建立混凝土結(jié)構(gòu)模型，在Tekla軟件中建立鋼結(jié)構(gòu)模型，將混凝土結(jié)構(gòu)模型和鋼結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Navisworks軟件中并準(zhǔn)確拼合在一起進(jìn)行施工模擬。利用吊裝設(shè)備（塔吊、汽車吊等）和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)，在經(jīng)過多次調(diào)整后，確定出吊裝機(jī)械的現(xiàn)場最佳布置位置。針對(duì)部分大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)分段，合理、分批次吊裝。對(duì)分段后的鋼柱、鋼梁進(jìn)行受力分析、模擬吊裝，確定出合理的吊裝位置，并優(yōu)化支撐布置。

四、操作要點(diǎn)

在結(jié)構(gòu)模型建立階段，要依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙分別在AutodeskRevit、Tekla中創(chuàng)建相同的標(biāo)高軸網(wǎng)系統(tǒng)，以保證建立的混凝土結(jié)構(gòu)模型和鋼結(jié)構(gòu)模型能夠在空間位置上準(zhǔn)確拼合。創(chuàng)建模型時(shí)，要注意構(gòu)件參數(shù)輸入的準(zhǔn)確性，這是保證后續(xù)進(jìn)行準(zhǔn)確的施工模擬的必要條件。

建筑信息模型將數(shù)字技術(shù)直接應(yīng)用于建筑工程中［5］，在將混凝土結(jié)構(gòu)模型和鋼結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Navisworks中進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)吊裝仿真模擬前，可以應(yīng)用BIM技術(shù)信息數(shù)據(jù)之間的共享功能，將Tekla創(chuàng)建的鋼結(jié)構(gòu)三維模型導(dǎo)入至AutodeskRevit中與混凝土結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行整合，然后進(jìn)行三維漫游檢測，確保鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間能夠精確對(duì)接。

（一）模擬施工平面布置

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立相應(yīng)的BIM模型，輸入相應(yīng)的構(gòu)件參數(shù)，根據(jù)已建立的BIM模型和確定的構(gòu)件參數(shù)，對(duì)機(jī)械吊裝覆蓋范圍進(jìn)行模擬。對(duì)大型機(jī)械采取最優(yōu)選型和布置，應(yīng)用此方法，將11臺(tái)塔吊優(yōu)化為8臺(tái)塔吊。具體施工平面布置方法如下。

鋼結(jié)構(gòu)施工總體分為兩個(gè)施工階段，分別為“地下室鋼結(jié)構(gòu)施工階段”和“地上鋼結(jié)構(gòu)施工階段”?，F(xiàn)場構(gòu)件車道路為環(huán)路，滿足吊車及構(gòu)件車行走要求。地下室鋼結(jié)構(gòu)施工階段平面布置如圖1所示，地上鋼結(jié)構(gòu)施工階段平面布置如圖2所示。

經(jīng)BIM模擬分析，本項(xiàng)目地下室鋼結(jié)構(gòu)施工階段和地上鋼結(jié)構(gòu)施工階段采用6臺(tái)80m臂長的塔吊配合土建2臺(tái)60m臂長的塔吊可以滿足現(xiàn)場施工要求，同時(shí)可覆蓋整個(gè)地下室區(qū)域。中央部分由于僅有地下室，且為一層混凝土結(jié)構(gòu)，地上鋼結(jié)構(gòu)施工階段可以拆除配合土建施工的2臺(tái)QTZ6015型塔吊，僅考慮4個(gè)塔樓使用6臺(tái)80m臂長的塔吊即可滿足現(xiàn)場施工要求。

（二）吊裝設(shè)備的模擬選型與布置

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立相應(yīng)的BIM模型，輸入相應(yīng)的構(gòu)件參數(shù)，根據(jù)已建立的BIM模型和確定的構(gòu)件參數(shù)，對(duì)構(gòu)件的重量和機(jī)械吊裝工況、覆蓋范圍進(jìn)行模擬。對(duì)大型機(jī)械采取最優(yōu)選型和布置。應(yīng)用此方法，輔助吊裝機(jī)械選型如下。根據(jù)現(xiàn)場平面布置已確定為80m臂塔吊6臺(tái)和60m臂塔吊2臺(tái)可覆蓋整個(gè)施工區(qū)域，考慮項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)吊裝使用塔吊。結(jié)合國內(nèi)外塔吊型號(hào)的比選和鋼結(jié)構(gòu)吊重分析，80m臂塔吊采用中聯(lián)重科廠家生產(chǎn)的D110063型塔吊，以安裝地下室和地上部分鋼結(jié)構(gòu)，60m臂塔吊采用中聯(lián)重科廠家生產(chǎn)的QTZ6015型塔吊，配合地下室結(jié)構(gòu)土建施工。部分構(gòu)件超出塔吊吊重范圍采用QY160K汽車吊配合吊裝。

（三）鋼柱模擬分段及吊裝分析

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立相應(yīng)的BIM模型，根據(jù)大型機(jī)械的選型和布置，對(duì)機(jī)械吊裝工況進(jìn)行模擬分析，確定吊裝最不利位置，并對(duì)該不利位置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分段。對(duì)吊裝不利位置鋼梁，按照分段后的鋼梁荷載重量，確定最優(yōu)支撐布置方案，降低現(xiàn)場措施投入。以呼和浩特市文化客廳建設(shè)項(xiàng)目1#館（圖書館）為例，鋼柱分段如下。1#樓有4種標(biāo)高類型的鋼柱，局部鋼柱從下至上截面逐步減小，均為圓管柱，截面尺寸為A1200×50～A800×30，每層鋼柱數(shù)量為89～106根，根據(jù)塔吊性能對(duì)1#樓鋼柱進(jìn)行分段。地下室鋼柱分段為1層1段；地上鋼柱除GKZ1、GKZ8、GKZ9、GKZ8a、GKZ9a、GKZ6、GKZ13為2層1段外，其余鋼柱為1層1段，分段位置均為梁頂標(biāo)高+1.3m處。鋼柱采用塔吊吊裝，局部鋼柱超過塔吊起重性能，采用QY160K汽車吊輔助吊裝。

根據(jù)分段后的荷載，對(duì)塔吊吊重進(jìn)行模擬分析：1#塔吊在68～75m作業(yè)半徑范圍內(nèi)，鋼柱最大分段重量為10.1t，D1100塔吊在68m作業(yè)半徑時(shí)，額定起重量達(dá)10.67t＞101t；塔吊在62～68m作業(yè)半徑范圍內(nèi)，鋼柱最大分段重量為12.2t，D1100塔吊在62m作業(yè)半徑時(shí)，額定起重量達(dá)13.61t＞12.1t；塔吊在62m作業(yè)范圍內(nèi)，鋼柱最大分段重量為12.8t，D1100塔吊在62m作業(yè)半徑時(shí)，額定起重量達(dá)13.61t＞12.8t。均滿足要求。2#塔吊在62m～73m作業(yè)半徑范圍內(nèi)，鋼柱最大分段重量為10.1t，D1100塔吊在73m作業(yè)半徑時(shí)，額定起重量達(dá)11.05t＞10.1t；塔吊在62m作業(yè)范圍內(nèi)，鋼柱最大分段重量為12.8t，D1100塔吊在62m作業(yè)半徑時(shí)，額定起重量達(dá)13.61t＞12.8t。均滿足要求。

（四）鋼梁模擬分段及吊裝分析

根據(jù)施工機(jī)械布置情況分析鋼梁均自然分段后整段吊裝到位；局部共有10根大跨鋼梁需要分兩段吊裝；5根大跨鋼梁分三段吊裝。

經(jīng)模擬可知：1#塔吊在73m作業(yè)半徑范圍內(nèi)，鋼梁最不利吊重為8.8t，D1100塔吊在73m作業(yè)半徑時(shí)，額定起重量達(dá)11.05t＞8.8t，滿足要求，其余鋼梁均在塔吊起重性能范圍之內(nèi)；2#塔吊在60～73m作業(yè)半徑時(shí)，鋼梁最大重量為92t，D1100塔吊在73m作業(yè)半徑時(shí)，額定起重量達(dá)11.05t＞9.2t；在50～60m作業(yè)半徑時(shí)，鋼梁最大重量為11.4t，D1100塔吊在60m作業(yè)半徑時(shí)，額定起重量達(dá)14.19t＞11.4t；在50m作業(yè)半徑范圍內(nèi)，鋼梁最大重量為16.2t，D1100塔吊在73m作業(yè)半徑時(shí)，額定起重量達(dá)17.14t＞16.2t，滿足要求，其余鋼梁均在塔吊起重性能范圍之內(nèi)。

局部鋼梁因超過塔吊起重性能及起重范圍，在結(jié)構(gòu)外圍采用汽車吊進(jìn)行吊裝。選取吊裝工況最重、最不利的GKL20（22.7t）進(jìn)行吊重分析：選用型號(hào)為QY160K的汽車吊進(jìn)行吊裝，采用44.6m主臂工況，在汽車吊14m作業(yè)半徑時(shí)，額定起重量為25.2t＞22.7t，滿足吊重要求，如圖3所示。

五、效益分析

基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)模擬吊裝施工工藝可以準(zhǔn)確得知吊裝機(jī)械的現(xiàn)場最優(yōu)站位，能夠預(yù)先分析得知大型鋼構(gòu)件的最佳吊裝位置。

本文運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)吊裝設(shè)備（塔吊、汽車吊）和結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化模擬吊裝，輔助吊裝設(shè)備選型，確定機(jī)械站位、吊裝路徑，并對(duì)吊裝全過程進(jìn)行可視化模擬，合理對(duì)鋼柱、鋼梁進(jìn)行分段，優(yōu)化支撐布置，最大程度地排除吊裝過程中的不確定性，可以有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

運(yùn)用此施工工藝，呼和浩特市文化客廳建設(shè)項(xiàng)目成功地將初步施工設(shè)計(jì)時(shí)擬布置的11臺(tái)塔吊優(yōu)化為8臺(tái)塔吊，實(shí)施效果良好。鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場吊裝工作一次成優(yōu)、順利進(jìn)行，降低現(xiàn)場設(shè)施投入，減少不必要的浪費(fèi)，也得到了各參建單位的一致好評(píng)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。

（一）經(jīng)濟(jì)效益

最初階段：塔吊選型選用4臺(tái)D80042塔式起重機(jī)、4臺(tái)STL720動(dòng)臂式塔式起重機(jī)和3臺(tái)QTZ5015塔吊進(jìn)行材料的水平、垂直運(yùn)輸，共計(jì)11臺(tái)。采用BIM技術(shù)對(duì)本工程鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬吊裝分析，現(xiàn)采用6臺(tái)D110063型塔吊和2臺(tái)TC6015型塔吊進(jìn)行材料的水平、垂直運(yùn)輸，共計(jì)8臺(tái)，全面覆蓋整個(gè)場區(qū)。

D80042塔式起重機(jī)進(jìn)出廠費(fèi)30萬/臺(tái)，月租費(fèi)16萬/月/臺(tái)；STL720動(dòng)臂式塔式起重機(jī)進(jìn)出廠費(fèi)35萬/臺(tái)，月租費(fèi)23萬/月/臺(tái)；QTZ5015塔吊出廠費(fèi)6萬/臺(tái)，月租費(fèi)3萬/月/臺(tái)；D1100型塔吊出廠費(fèi)25萬/臺(tái)，月租費(fèi)14.5萬/月/臺(tái)；TC6015型塔吊進(jìn)出廠費(fèi)7萬/臺(tái)，月租費(fèi)3.6萬/月/臺(tái)。

本工程通過采用BIM技術(shù)模擬鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工，節(jié)約成本，按照塔吊使用時(shí)間為7個(gè)月，最初階段塔吊機(jī)械費(fèi)用為30×4+16×4×7+35×4+23×4×7+6×3+3×3×7=1433萬元。而優(yōu)化后，塔吊機(jī)械費(fèi)用為25×6+14.5×6×7+7×2+3.6×2×7=823.4萬元。經(jīng)濟(jì)效益為：1433萬元-823.4萬元=609.6萬元。

（二）社會(huì)效益

基于BIM技術(shù)的大型鋼構(gòu)件模擬吊裝施工工藝，為整個(gè)項(xiàng)目從整體上節(jié)約了社會(huì)資源，極大地降低了社會(huì)能耗，促進(jìn)綠色建筑的發(fā)展，符合建設(shè)低碳、環(huán)保型社會(huì)發(fā)展的需要，并樹立企業(yè)的良好形象，得到各參建單位及社會(huì)各界的廣泛好評(píng)。

結(jié)語

應(yīng)用基于BIM技術(shù)的大型鋼構(gòu)件模擬吊裝施工工藝，根據(jù)已建立的BIM模型和確定的構(gòu)件參數(shù)，對(duì)構(gòu)件的重量和機(jī)械吊裝工況、覆蓋范圍進(jìn)行模擬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大型吊裝機(jī)械的最優(yōu)選型和最佳布置。應(yīng)用基于BIM技術(shù)的大型鋼構(gòu)件模擬吊裝施工工藝，合理對(duì)鋼柱、鋼梁進(jìn)行分段，優(yōu)化支撐布置，降低現(xiàn)場措施投入，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，得到了建設(shè)單位、監(jiān)理單位等參建單位的一致好評(píng)，為今后大型鋼構(gòu)件模擬吊裝施工開拓了思路、提供了范例。

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作者簡介：薛志林（1992—），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，碩士，助教，主要從事雙目立體視覺測量技術(shù)、建筑施工技術(shù)等研究。