中航技易发研发展示中心工程(见图1)位于亦庄开发区,建筑面积28万m²,建筑高度近100m,为商业、办公、展示、研发为一体的航空中心。该标段结构主要由2栋高层结构和连接二者的扇形大屋盖组成。钢结构主要包括钢骨混凝土组合结构、多层钢连廊、弧形阳台和幕墙、屋顶大跨度钢梁与桁架、屋顶停机坪及扇形屋盖钢桁架。其中体量最大、形式最复杂、施工难度最大、最具特色的是扇形大屋盖钢桁架。

　　 整个屋盖平面投影面积达5 000余m²,总用钢量近2 700t,结构平面呈非对称扇形布置,由18榀单双层主桁架、预应力索、次桁架与支撑系统构成,跨度最小31m、最大90.5m,最大高度7.5m。桁架共设置27个支座,结构采用索-桁架体系,大大提高结构承载能力,提升竖向抗变形能力。

　　 1)深化难度大桁架结构杆件主要采用H形截面,自身杆件数量多、截面规格多、节点形式复杂,施工过程中钢桁架与混凝土结构、提升架、千斤顶等相关设施交叉衔接,碰撞检查工作量大,与土建穿插作业,钢结构实际施工工期短,需保证深化图纸准确性,为加工和现场安装打好基础。

　　 2)加工难度大节点处相交构件多,最多处达10多根杆件多角度汇交于1个节点,相交角度小、构造复杂、焊接操作空间狭小。

　　 3)拼装难度大多杆件、多角度导致节点和杆件定位安装非常困难。

　　 4)大屋盖提升难度大扇形大屋盖钢桁架采用地面拼装后整体提升的方法进行施工。大屋盖重约2 700t,提升高度近百米,且钢屋盖平面呈非对称扇形布置,重心不在几何中心,支座两侧共设置12个提升支架,由于跨度悬殊较大造成质量分布不均,吊点提升力最小仅300kN,最大达6 300kN。提升到设计高度且补充安装端部杆件后再卸载、拆除提升架。屋盖支座所在酒店和办公楼对提升支架的设置有空间限制,增大施工难度陡增。

　　 为解决以上问题,本项目应用BIM技术,建立三维信息模型,提前发现深化、加工、安装各阶段可能出现的问题,提出解决措施,最终圆满完成钢结构施工,工期、质量达到各项目标。

　　 大屋盖整体形状为不规则扇形(见图3),同一节点不同方向连接板件多、定位困难,如果采用传统的二维CAD软件画图,难度非常大,而采用BIM软件的三维可视化功能,设计人员只需确定各杆件中心定位线,赋予杆件截面属性,建立节点区域板件即可,极大弱化对建模人员空间想象力的要求,降低绘图难度和工作强度,且极大提高设计效率、缩短设计周期。

　　 设计院提供的施工图仅给出大屋盖节点原则性的构造要求:所有杆件采用等强节点连接,施工中自行根据构件空间位置进行深化设计。大屋盖中所有杆件均采用不同截面高度的H型钢,同一节点处最多有11根杆件相交。原则简单,但具体到每个节点中却可能造成加工焊接难度大,甚至无法实施的程度。

　　 通过BIM软件多角度观看、剖切观察,结合实体样板节点检验设计的可施工性,最后会同设计院、专家,根据受力重要程度合理简化修改800余处节点的连接及构造,减少节点焊接量,既保证结构安全、又降低施工难度、方便加工和安装、同时减少焊接及节点内应力,使节点受力更合理。优化后节点如图4所示。

　　 通过BIM模型,发现大屋盖结构完成面已超出建筑完成面,及时向设计院反馈,经设计核实后,最终将最外侧3榀桁架内移400mm。如果施工前未发现这个重大问题,实际安装过程中进行修正返工,将增加修改难度、增加高空作业安全隐患、造成材料浪费、增加人工成本,且必然延误工期。

　　 部分桁架端部杆件由于角度较小,空间位置相互叠加冲突,深化过程中,经过结构核算,采取改变次要杆件方向、调整杆件截面等措施进行解决。桁架位置调整如图5所示,杆件布置调整前后如图6所示。

　　 大屋盖结构包括钢桁架、预应力索、吊顶龙骨等多类构件。利用BIM模型可直观检验结构与预应力索、索节点(见图7)的相对位置关系,发现冲突部位,与设计院沟通后,通过调整索形、修改索节点高度、在杆件末端开孔等措施解决此类问题。

　　 钢桁架端部构件尤为密集,提升架必须位于结构桁架空隙中,才能保证后续合龙构件顺利安装。如果两者位置冲突,合龙段不能正常安装,无法形成设计图纸要求的完整受力体系,则大屋盖不能卸载、提升架无法拆除。将结构模型和提升架模型整合在同一BIM文件中,可直观发现二者位置关系,提早发现问题并调整。部分位置无法避让,通过与设计院、有关专家协商,吊装阶段去除部分杆件,并对施工阶段的结构进行计算分析,采取补强措施,保证施工的顺利进行。桁架端部区域与提升架模型碰撞检查如图8所示。

　　 利用BIM模型,可直接输出零件图、构件图、安装布置图等加工安装图,实现图纸和模型的同步更新,只要模型建立正确,则不会因人为因素发生图纸错误,将实现图纸输出的零错误。部分加工图中增加构件的三维视图,有利于加工和施工人员的识图理解,缩短识图时间,便于加工和安装,减少因误解复杂图纸造成的返工,提高加工和质量检查效率。

　　 BIM模型可实时准确快速提取任意或局部范围的构件、零件清单及整个工程的钢结构用量清单,减少预算员的工作量、提高工作效率、且清单与模型相链接,可实现同步更新及获得钢结构的精准算量。

　　 工程量计算更加准确后,能提高钢材采购的准确度,降低因人为保守增加的采购量,减少材料浪费和资金占用。尤其是工程中大量采用40,50mm厚钢板,节约效果更加明显。

　　 钢结构节点复杂,利用BIM模型输出三维图、剖面图等,对加工厂工人进行交底更直观易懂,使工人明确掌握图纸设计意图和加工组焊顺序。利用BIM模型指导工人准确定位板件,避免误读或不理解图纸造成返工,增加加工时间。

　　 本工程大屋盖形状不规则,采用整体提升技术施工,主要有地面拼装、提升、就位后边缘构件安装、卸载等环节。

　　 屋盖整体因造型和使用功能的要求,结构整体布局和局部受力不对称,给提升点的选择、提升工装的设计、提升过程的精度控制及合龙提出更高要求。方案制定阶段将三维模型导入有限元分析软件,对提升全过程进行仿真计算,通过一体化建模准确模拟巨型屋盖的脱架、提升、就位及卸索过程。通过施工模拟,进行了以下分析。

　　 1)验算提升状态下,结构应力是否超标。

　　 2)验算提升状态下,结构自身变形状况,为后续顺利合龙提供依据。

　　 3)分析大屋盖整体水平位移及扭转,验算各提升点荷载,为提升架的设计、提升器的选择、吊点设计提供依据。

　　 4)为后续结构监测点位布置提供依据。

　　 5)桁架提升过程中,提升点与支座受力点位置不同,使桁架传力途径与设计状态发生变化,部分杆件应力过大或易失稳。通过计算提出应对措施,对128根杆件进行加强或替换,使桁架在提升过程至卸载后保证结构安全。大屋盖整体提升一体化有限元模型如图9所示。

　　 1)基于BIM技术,利用三维可视化建模保证模型准确度,提高详图设计效率,保证图纸输出质量。

　　 2)通过自动碰撞校核及将模型整合在一起的主动检查,提前发现各类构件间的冲突,减少甚至避免施工阶段再进行变更修改。

　　 3)三维实体模型可视化可极大地优化结构节点,提高与设计单位的沟通效率。

　　 4)精确提取模型材料、截面规格等信息,极大地方便工程量统计。

　　 5)三维模型展示使加工和安装交底更直观。

　　 6)施工模拟分析保证方案整体和细节的可实施性、安全性。

　　 7)BIM技术可提高质量、减少返工、缩短工期、提高安全管理水平、降低成本。