基于BIM的大跨度空间钢结构预制化施工管理及应用

1 研究背景

随着经济的发展以及建筑材料和施工技术的升级，大跨度空间结构在机场航站楼、体育场馆、大型剧院、火车站等公共建筑中得到了广泛的应用。与传统建筑结构相比，大跨度空间结构具有更大的开放空间、灵活的布局和多样化的形式，为人们提供了更多创造性的设计方案。同时，钢结构具有强度高、重量轻、延性和塑性好等特点，以及施工速度快、质量可控、拆装方便等优势，近年来大跨度空间钢结构已经成为空间结构发展的主要趋势。

然而，大跨度空间钢结构在施工过程中面临着一系列的问题和挑战。首先，由于跨度较大、结构形式复杂，传统的施工方法难以满足高度定制化的需求，导致存在施工速度缓慢且施工精度差等问题。同时，由于现场拼装焊接难度大、加工精度要求高，施工现场的复杂性和高风险性增加了工程的施工难度。此外，由于缺乏规划容易导致施工进程中出现混乱、低效和错误，从而出现工程进度延误和质量问题。

为解决以上问题，建筑信息模型（BIM）技术应运而生，BIM技术是一种基于三维数字模型的综合性建筑设计与管理平台，能够实现设计、施工、运维等各个阶段的信息共享和协同工作。

蔡庆森等以某工程为例分析了综合建模、可视化交底、施工进度模拟等BIM技术在装配式钢结构施工中的应用。刘宇轩借助BIM技术对超高层复杂钢结构模型进行深化设计，从而提高了钢结构的出图效率和出图精度。钱士元等利用BIM技术对多层大跨复杂形式钢结构的构件吊装进行全过程模拟，解决了场地限制等问题，不仅降低了施工成本，而且缩短了施工工期。

综上所述，其他学者的研究可能更多地集中在BIM技术在施工过程中的单一应用，未能形成一个完整的管理体系，在构件的预制化生产、加工和拼装等方面的研究不够深入或完善。

本研究基于BIM技术对大跨度空间钢结构进行预制化施工管理，通过高精度三维建模对构件尺寸进行精确提取，并与钢结构工厂进行无缝衔接。钢结构工厂利用预制化加工技术精确制作构件，提高加工精度和质量控制水平。同时借助BIM技术模拟和优化施工过程，规划合理的施工顺序和吊装方案，从而实现提高施工效率，节约工期，降低成本。

2 工程概况

某交通枢纽工程由地下3层结构和超大钢结构屋盖构成。其中地下部分地下1层层高12 m，地下2层层高8.4 m，地下3层层高9 m，结构形式为钢筋混凝土+钢结构，钢结构部分主要包括转换桁架、钢托座、钢结构连桥等，总用钢量约1.5万t。屋盖为双曲面空间薄壳结构，由风帆、竖向钢斜柱及泡泡网壳3部分组成，总用钢量约5 000 t，“米”形单曲三维节点多达1 800个，造型各异。

3 施工难点

由于大跨度空间钢结构的体量大、钢结构节点复杂，在施工过程中通常存在着以下难点，如图1所示。

图1 大跨度空间钢结构施工难点

（1）复杂多样的构件和节点类型大跨度空间钢结构的构件类型和节点类型复杂且多样化，如梁、柱、桁架等。每种构件和节点都具有独特的形状、尺寸和连接要求，施工人员需要熟悉并理解每种构件和节点的特点，掌握相应的施工工艺和技术。

（2）现场拼装、焊接难度大，加工精度要求高。由于大跨度空间钢结构的构件通常具有较大的体积和重量，现场拼装和焊接的难度相应增加。施工人员需要进行精确的定位、对齐和焊接，确保构件的精确性和结构的稳定性。

同时，现场拼装和焊接的工作量大，要求施工人员具备高度的技术水平和组织能力。此外，现场的安装精度要求非常高，通常达到毫米级，因此对构件尺寸和连接孔位的准确性要求较高，施工过程中需要严格按照设计要求进行构件拼装和焊接，以确保结构的稳定性和安全性。

（3）跨度大、重量重，吊装施工难度高。大跨度空间钢结构具有较大的跨度和重量，在施工起吊和安装过程中极易受到风荷载等因素的影响，给施工安全带来较大的隐患。因此在施工过程中需要根据建筑的结构形式和场地条件选取合适的施工安装方法，目前常见的施工方法包括高空原位拼装法、整体吊装法、整体滑移法、分条分块吊装法等。

（4）协作和管理要求高。大跨度空间钢结构的施工需要多个专业团队之间的紧密协作和管理。设计、施工、供应商等各方需要密切配合，确保施工过程的顺利进行。同时，大跨度空间钢结构的施工涉及复杂的工序和施工流程，需要详细的施工规划和协调，包括工期安排、施工顺序、材料供应和质量控制等。

4　基于BIM的大跨度空间钢结构预制化施工管理方法

针对以上问题，本研究建立了基于BIM的大跨度空间钢结构预制化施工管理方法，主要包括建立施工模型并深化设计、参数化设计及施工模拟、钢结构工厂加工、钢结构工厂预拼装和构建管理及吊装，预制化施工流程如图2所示。

图2 基于BIM的预制化施工流程

4.1 建立施工模型并深化设计

在基于BIM的大跨度空间钢结构预制化施工管理过程中，建立钢结构模型并深化设计是其中最主要的步骤，为后续钢结构的预制化施工管理建立了基础。本项目体量大、构件数量多，利用BIM仿真和精度高的特性，可以对施工所需构件进行精准排布和优化，使模型更符合实际施工情况。为保证出图符合标准，以及便于对构件进行管理，建立该项目专有的信息化族库，方便各施工阶段进行应用。同时针对支撑、连接处等细节进行精细化建模，建立连接处的活动端及连接节点处构件的参数化族库，以便于后续碰撞检测和施工模拟等BIM模型应用。利用Tekla软件对钢结构构件、部品部件进行施工建模，对钢结构节点的连接构造进行深化设计，深化设计是指将构件的构造、连接和安装等细节进行进一步优化和完善的过程。

通过Tekla软件能够对钢结构的细部构造、节点信息等进行深化，及时发现钢结构设计中的问题。然后将模型导入Navisworks工具进行碰撞检测，查找软硬碰撞点，寻找最优、最合理的解决方案，并对模型进行及时调整更新，避免结构施工过程中出现碰撞及安装问题，提高工程的施工效果。施工模型和节点深化分别如图3、图4所示。

图3 大跨度空间钢结构施工建模示意

图4 连接节点深化设计示意

4.2 参数化设计及施工模拟

待建立好钢结构模型后将钢结构构件信息如构件编号、零件编号、规格、长度、数量、材质等基本信息输入在BIM模型中，有助于查询构件的详细信息和后期的工程量统计。然后利用BIM模型对钢结构进行施工进度模拟，可以设置几种不同施工工艺及方案进行比选及方案调整，调整施工顺序及人员安排，以确定最佳的施工计划和安装方案。同时，对节点拼装进行模拟，对节点施工方法与细节、关键点进行优化和可视化展示。通过模拟施工过程，有助于发现并解决潜在的冲突和问题，提前规划并减少现场调整。

考虑到大跨度空间结构体量较大，对施工区域和安装顺序进行划分，结合施工进度计划，制订出具体到每个构件的进场计划清单。利用专业软件对屋盖节点进行有限元计算、结构整体变形计算，从工程进度、施工质量等方面综合考虑后，确定“分区独立施工、独立卸载、总体合龙”的钢结构屋盖总体施工思路和拼装方案。

4.3 钢结构工厂加工

运用BIM工程量统计功能统计参数化后的钢结构构件信息和数量，并导出精密的三维构件加工图表和加工清单给钢结构生产厂家和现场的施工人员。工厂可根据模型信息进行构件标准化生产。钢结构加工厂配备了先进的数控设备和专业的加工技术，能够实现高精度的构件加工。借助BIM技术的指导，可以将施工模型中的构件信息直接传递给加工设备，从而确保构件尺寸和几何形状的精准度。

同时，在钢结构加工厂内，采用了工厂化生产和流水线作业，大幅提高了生产效率。并且钢结构加工厂设备精良，操作工人经验丰富，有效保障了构件的质量，节约了材料的使用，减少了现场的浪费和误差，有助于实现钢结构构件的工厂化、批量化、预制化生产。

4.4 钢结构工厂预拼装

钢结构预拼装的主要目的是检查构件的加工精度、构件尺寸是否与设计图相符、是否能满足现场拼装要求，验证构件在吊装过程是否损坏。

预拼装技术分为实体预拼装和虚拟预拼装。实体预拼装不仅占用工厂场地、设备，还要设置胎架和大量的装配夹具，耗费大量的人力、物力，难以满足复杂的钢结构建造需求。

虚拟预拼装技术则可以通过激光扫描、全站仪等测量设备获取实际加工完成的钢结构构件制造模型，与钢结构设计模型进行拟合对比、分析和调整，帮助工厂工件质检人员快速、准确地把控生产质量，而且不占用预拼装场地，对提高钢结构预拼装质量、效率起到质的改变，从而提高构件生产的合格率和质量。

本项目采用虚拟预拼装技术复核进场预制构件，通过地面激光扫描仪扫描构件轮廓形成点云文件，将点云文件与Revit中钢构件模型进行对比分析，形成分析报告，作为钢结构构件合格的取证依据，并通过预装配仿真为现场拼装作业提供专业的拼装指导。若构件的尺寸、偏差等参数不符合设计要求，则需对构件进行纠正，以满足要求。

4.5 构件管理及安装

由于钢结构构件数量庞大，且结构形式多种多样，往往存在到货无计划规律，对后期的材料确认和二次倒运将会造成十分严重的影响，因此工程前期有必要做好施工进度模拟以及厂家/业主采购部的多方沟通联络。钢结构加工厂按照构件进场计划清单进行生产，将符合质量要求的构件统一粘贴标识牌，并运送到施工现场，标识牌内附二维码，扫码显示进场时间、原材厂家、规格型号以及检验等信息，可有效实现物资进出场全方位精益化管理。同时，结合施工进度计划，构件进场后需要做好施工场地的规划，结合分片/整体安装计划，合理利用材料堆场及安装场地进行施工安排。

待结构施工完成后，即可进行钢结构安装。构件安装是在构件经过出厂验收合格，且通过智能数字拼装之后，根据构件吊装方案实施构件吊装、测量及矫正，构件吊装过程全程纳入平台管理，相关资料的记录采用App进行处理，实现构件吊装数字化。其工作可细分为准备工作、构件吊装、测量校正、检查验收、上传记录5个阶段。

准备工作包括构件吊装方案的确定、定位轴线及水准点的复测、构件标注、起重机械的准备、构件吊装保护措施就位。准备工作完成后，在移动App发起构件吊装，记录吊装过程，构件吊装过程中实施构件的测量及矫正，并在平台详细记录测量校正信息，最后按照GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收规范》要求进行构件检查及验收，并将检查验收结果填报到管理平台。

基于BIM的钢结构预制化施工管理方法可以优化大跨度空间钢结构施工过程，通过BIM技术的应用，实现构件尺寸的提取与管理、钢结构工厂的加工与制造、钢结构的预拼装以及钢结构构件管理。这种方法能够提高钢结构的整体施工质量和精度，降低成本和风险，提高施工的综合效益。

5 结论

本研究以某工程为背景提出了基于BIM的大跨度空间钢结构预制化施工管理及应用方法，在建立施工模型并深化设计、参数化设计及施工模拟、钢结构工厂加工、钢结构工厂预拼装、构件管理及安装5个方面基于BIM技术进行施工管理优化，得到如下结论。

（1）利用BIM技术建立施工模型并对其深化设计，及时发现钢结构设计中的问题并指导钢结构的三维构件出图。

（2）将构件提前在加工厂内加工预制，有助于提高钢结构构件的质量和精度，避免了现场施工的不确定因素，实现了构件的工厂化、批量化、预制化生产。

（3）通过模拟拼装技术对构件进行复核，提高了钢结构预拼装的质量和效率，保障了构件生产的合格率和质量。

（4）利用BIM技术对施工方案进行模拟及优化，结合施工进度计划制订出每个构件的加工、进场、吊装计划，实现对钢结构构件的全方位精益化管理。

该方法具有提高施工效率和工程质量、节省人力和物力、降低成本等优势，为大跨度空间钢结构的预制化施工提供了可行的解决方案。