目前, 我国BIM技术应用发展迅速, 建筑行业的BIM应用已进入落地实用的研究探索阶段。钢结构专业与其他专业相比, BIM应用较早, 已形成了一套完整有效的应用标准规范。本文针对天津周大福金融中心项目钢结构复杂多变的特点进行分析研究, 采用多种BIM软件进行灵活应用, 最终达到异形钢构件从深化到加工、安装一系列过程的质量、安全等方面要求。

天津周大福金融中心塔楼结构形式为框架-核心筒结构, 裙楼为框架结构。钢结构总用钢量约60 000t, 由塔楼外框钢柱钢梁、转换桁架、环带桁架、帽桁架、塔冠、雨篷、核心筒内插钢骨柱与剪力墙钢板、裙楼钢柱钢梁、宴会厅桁架、天幕、屋顶钢构架等11个部分组成。钢结构构件约32 000件, 施工过程中需要约24 000吊次, 焊缝长度约37.6万延长米。

塔楼外框钢柱多次变化分离, 部分组合交汇节点存在大角度扭转及双向倾斜, 构件深化加工和现场安装是本项目的重难点。

针对项目钢构件空间位置关系和截面形式多变的特点, 决定采用多种软件分对象、分批次进行深化。复杂异形柱采用Auto CAD、Solid Works进行精细建模深化, 其余钢构件采用Tekla深化。在整个深化过程中, 针对钢构件结构形式不同, 结合实际加工工艺, 满足钢构件规范要求并利用BIM数据共享的优点, 完成了项目钢结构深化工作。

本项目16~27层交汇扭转异形柱深化时, 结合构件实际加工流程进行深化建模。在深化扭转变截面模型时, 采用Solid Works放样产生实体, 找出所有控制点坐标、且自定义每块板截面, 速度快, 效率提高57%, 并减少了因加工可行性导致的返工率, 节约原材料, 如图1所示。

本项目43~47层组合交汇节点在8m内扭转角度超过90°, 通过BIM深化, 发现原设计会造成交叉扭转部位局部减小, 从而使柱有效截面减小, 承载力下降, 造成结构不稳定性。最终改变交汇柱的定位点, 调整扭转角度, 并在圆柱至五边形箱形柱过渡时增加了四边形过渡层, 如图2所示。

利用MIDAS结构验算软件完成顶升平台结构受力分析计算后, 将MIDAS内创建的三维模型导入Tekla, 在导入的模型基础上对顶升平台近2 000个节点进行深化设计。数据共享节省了40%的深化时间, 提升了工作效率。

对钢结构、幕墙、机电等专业的BIM模型进行碰撞检查, 提前预知各专业碰撞点, 减少了后期产生碰撞造成的各类损失。如对塔楼1~47层钢结构模型及幕墙表皮模型合模进行碰撞检查, 共发现碰撞点84处, 多为幕墙V形口与钢柱碰撞, 帮助幕墙单位提前采取避让措施, 避免了损失。

该项目异形构件在加工阶段的下料、制作、焊接工艺等都不同于其他规则构件, 如何节约原材料、提高加工效率和质量是构件加工阶段的关键。利用深化软件对异形板材进行自动展开、精准下料, 用三维激光扫描仪比对等技术手段, 多方面提高了钢构件的加工效率和质量。

在Solid Works中深化异形构件, 需要BIM出图时, 图纸中构件属性与模型关联;模型修改时, 工程图同时更新;也可以任意调整定义模型的视图属性, 增加异形构件图纸表达的多角度性, 提升了图纸表达的清晰度和精准度, 方便后期加工制造。

该项目中的三维异形曲面构件用传统方法下料难以精准, 容易形成材料浪费。Solid Works中可对模型自动展开, 求解最小下料尺寸, 能更精确地指导加工厂下料, 减少材料浪费, 提高板材利用率。

本工程异形构件BIM模型文件和pdf文件交付于加工厂, 加工厂利用BIM模型生成自动加工的标准化NC文件, 适用于国内常用数控系统, 可直接在数控机床上进行套料切割, 有效保证构件精度, 从而提高了加工效率。

本项目中CFT向SRC转换过渡段节点构造复杂, 组焊顺序确定难度大。利用BIM技术反复模拟焊接顺序, 以确定各组成零件加工坡口方向及安装施工操作人孔的预留位置。可视化工艺模拟提高了项目技术人员的决策力, 如图3所示。

为了提升钢构件的加工质量, 本项目针对异形复杂构件使用了三维激光扫描技术, 对工厂加工好的构件进行扫描, 将扫描后的点云模型和BIM标准模型进行对比分析, 对关键部位的误差尺寸进行校核、得出结论, 使构件在加工厂内就能迅速进行误差整改, 提高了构件加工质量, 减少了返厂率。如图4所示, 通过此次扫描比对, 证实加工实际公差控制在3mm左右, 满足质量要求, 同时发现少量焊缝问题, 进行及时处理, 为后续加工方案提供了依据。

在安装施工阶段, BIM应用更具备时效性, 不仅更多节点、安装流程的演示交底、质量安全的管控问题运用BIM技术得到了很大帮助和提升。而且基于BIM进行知识管理, 有效提升了项目管理水平。

对加工厂合格钢构件进行三维激光扫描, 利用扫描后的点云模型进行逆向建模, 将逆向模型与标准模型在数字平台整合进行模拟预拼装, 检查关键部位的误差值, 以防止构件运输至现场、安装之后再出现大偏差, 造成返工、运输、材料等一系列经济损失, 同时也减少了加工厂内预拼装的人力、物力, 大大提高了预拼装和安装效率, 如图5所示。

本项目的物流管理系统给每个构件赋予二维码, 利用物联网预设运输路线, 推算到达的时间, 跟踪构件运输过程。管理人员可在手机上安装物流管理APP系统, 通过对车辆的监控调度, 实时了解钢构件的在途情况, 解决了物流调度与管理的瓶颈问题。此做法优化了企业资源配置, 降低了油耗30%、企业成本30%~50%。

由于天幕每个拼装单元所需要的支撑胎架高度不同, 为避免现场制作较多不同高度的胎架, 根据单元自两端向中间的拼装顺序及各单元胎架高度, 通过采用基础胎架“加节”的方式来保证各拼装单元的胎架高度。项目利用BIM技术模拟演示了各种设计加节拼装平台方案, 进行了详细比对, 最终设计出如图6所示的加节拼装胎架。

在构件安装前期, 使用BIM技术再次对钢结构与土建、机电等相关专业进行碰撞、交底应用。如本项目地下室施工时, 钢筋预留长度密集, 导致了钢结构柱焊接困难, 利用BIM交底, 清楚地解释并解决了该问题, 如图7所示。

对该项目的环带桁架和裙房天幕进行了施工流程模拟。环带桁架结构复杂、精密, 对安装顺序和精确度有很高的要求。利用BIM技术对F48M~F51层环带桁架进行施工模拟, 对施工难点进行直观分析并改良, 提高了施工过程的效率和精确度。通过BIM模型, 检查并完善施工方案, 提高了30%的施工效率, 如图8所示。

考虑到裙楼天幕构件运输尺寸限制和现场塔式起重机吊装工况, 将裙楼天幕交叉网格部分分成38个网格单元、9个杆单元及部分散件进行安装。利用BIM模型模拟裙房天幕施工工艺, 提前规避了实际施工中可能出现的问题, 如图9所示。

在施工过程中, 项目通过MIDAS对焊接房和水平通道等进行了结构计算, 对高空作业现场及设施进行预演分析, 提前做好施工方案和流程, 确保现场施工安全, 提高施工效率。

BIM软件分工使用, 深化模型产生的辅助数据, 可更准确快速地统计选定构件的用钢量, 同时输出构件材质规格、数量、单重、总重及表面积等信息。将造价估算控制在3%精度范围内, 造价估算耗费的时间缩短80%。

在天津周大福金融中心钢结构专业的BIM应用过程中, 针对项目实际情况, 灵活选用合适的BIM软件更精确、快速地完成了深化任务。BIM的推广应用, 复合型BIM人才是推动BIM的关键因素, 有工程专业背景和实践经验、能熟练掌握BIM理念和实际操作, 两者结合才能将BIM应用的层次达到质的提升。三维激光扫描仪的使用, 大大提高了构件的加工和安装质量及效率, 物联网等新技术的探索则提升了项目管理水平, 将单向的管理系统拓宽至建设工程全生命周期不同阶段的数据、过程和资源。