大跨度双曲异形空间钢结构BIM管理应用

大跨度双曲异形空间钢结构BIM管理应用
发布时间：2021-11-26T09:10:13.195Z 来源：《中国建设信息化》2021年第14期作者：陈赟[导读] 为实现某工程共享大厅的异形空间造型，在结构设计施工阶段，应用Rhino、Tekla、Midas等软件，通过BIM模型对钢结构设计优化、施工构件单元划分、
陈赟
中国民用航空局空中交通管理局北京 100022
摘要：为实现某工程共享大厅的异形空间造型，在结构设计施工阶段，应用Rhino、Tekla、Midas等软件，通过BIM模型对钢结构设计优化、施工构件单元划分、支撑体系卸载等进行分析，解决大跨度双曲异形空间钢结构实施中制作安装精度、施工质量监测、支撑卸载等方面的难题。

基于此，本文主要对大跨度双曲异形空间钢结构BIM管理应用进行分析探讨。

关键词：异形建筑；双曲钢结构；BIM技术；仿真卸载
前言
大跨空间结构因其建筑造型丰富，空间布局灵活，能够充分满足公共建筑在功能、审美、空间等方面需求，随着建筑信息模型“BIM”技术在建筑工程中的广泛应用，异形材料加工技术趋于成熟，造型新颖独特的建筑越来越多，同时也给结构设计和施工带来重大变革与挑战。

本文将以某建筑为例，分析该项目共享大厅钢结构的特点，通过在设计和施工阶段对BIM技术的有效应用，克服工程中施工精度的难题，实现复杂造型、曲率变化的钢结构精准实施，以确保结构安全的同时满足建筑效果。

一、项目概况
共享大厅位于该项目的中心位置，面积约5400㎡，呈米字型布局，连接其余4个单体建筑，钢结构形式为大跨度双曲异形空间网格屋面及竖向亚腰形编织筒钢结构体系，实现了建筑复杂的曲面造型与通透的视觉效果。

共享大厅总用钢量约2300t，屋盖为高低起伏的大跨度曲线网格钢结构，由单层网格和侧桁架组成，单层网格分为上下两个曲面，最大跨度78m，单层网格的上下曲面由异形双曲面侧桁架连接。

竖向支撑结构由32根圆管柱和编织筒钢结构组成。

编织筒为上下宽、中间窄的“亚腰筒形”钢结构，长轴22m，短轴15m，高11m，编织筒各钢骨架交点汇聚成“米”字形节点，上端与单层网格上曲面相连接，下端与地面埋件相连接。

二、技术特点分析
1、本工程共享大厅钢结构上下两层网格均为双曲线，其4个侧桁架为双曲面，曲率渐变各不相同，BIM模型建立难度大，结构设计复杂，曲线、曲率调整难度大。

2、共享大厅网格屋盖最大跨度为78m，其中间支撑结构仅为一“亚腰筒形”钢结构，结构安全隐患大，需结合BIM模型分析复杂工况，施工难度较大。

鉴于共享大厅钢结构造型复杂，结构设计难度大，“米”字型节点、圆管柱与箱型梁连接等节点施工复杂，在设计、施工阶段采用BIM 技术进行钢结构建模及有理化分析，保证钢结构施工顺利。

三、BIM技术在钢结构设计中的应用
1、风洞测压试验
《建筑结构荷载规范（GB50009-2012）》中关于风荷载体型系数明确要求：“对于重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定”。

为获取共享大厅的体型系数、围护结构风荷载标准值、主体结构风荷载标准值及风振舒适度分析等一系列重要设计数据，通过风洞测压试验，建立共享大厅的刚性试验模型，以10度为间隔，共36个风向角，模拟50年重现期基本风压，得到共享大厅风洞试验报告和风致振动分析报告，为整体设计和围护结构设计提供有效数据支持。

2、BIM技术优化设计
运用Rhino 犀牛软件搭建结构中线模型，对共享大厅钢结构杆件进行模数优化，对侧立面双曲幕墙结构杆件进行几何优化，优化后的几何数据与结构交点坐标通过导出参数输入至MIDAS与盈建科软件进行结构荷载分析、震动模拟分析，确定各部分结构材料，计算杆件截面尺寸，同时对钢构件节点进行受力分析与节点深化设计。

四、BIM技术在钢结构实施中的应用
大跨度双曲异形空间钢结构在实施过程中，存在钢构件生产制作精度、安装精度、施工质量监测、支撑体系卸载等一系列技术难点等，采用BIM模型进行优化和有理化，提取构建尺寸参数、实施过程中观测数据与模型分析比对正是必不可少的解决途径。

1、BIM技术在钢结构深化设计中的应用
针对钢结构弧形造型施工，共享大厅钢结构施工前利用Tekla、Midas等软件对钢结构弧形曲线有理化深化设计，将三维空间曲梁分解为多段二维曲梁，划分连接节点和结构单元为有限种类，根据加工要求提取每段曲梁模型信息进行工厂钢结构拉弯，保证钢构件曲线满足设计要求。

模块化的钢构件数据降低钢结构加工难度，提高构件精度，二维码构件信息对加工全过程追溯，同时指导现场安装工作。

2、BIM技术在钢结构施工的应用
利用BIM技术对钢结构模型分析，结合施工现场塔吊性能，合理划分屋盖空间网格钢结构，采用高空散拼的施工方法，经专家论证后确立最优施工方案。

（1）利用BIM技术合理划分钢结构模块单元根据钢结构构建特性和现场ST7030塔吊性能分析，将屋顶单层网格钢结构拆分为片状单元模块及补档散件，东西向最近处片状单元为4.6t，南北向最近处片状单元为3.6t，标准分块为3.8t，补档散件约0.1t。

将编织筒拆分为直线圆管及圆弧形横梁，最重圆管为1.2t。

将共享大厅圆管钢柱、圆管主梁、箱型钢梁合理拆分，最重的φ700圆管钢柱为 5.0t，箱型主梁为4.4t，可使用QY50汽车吊进行吊装。

（2）BIM模型确立编织筒实施方案编织筒作为共享大厅钢结构竖向支撑结构，根据施工工艺及BIM结构模型划分，将整体安装划分为上下两层，共设置6个标准化（2m×2m）型钢整体式胎架。

在编织筒基础上预埋球形节点，从编织筒入口处安装第一层的菱形标准片状单元，然后按照预设分段依次向两侧扩展安装完成上下两层。

（3）BIM技术确定屋盖网格结构安装共享大厅上部屋盖网格钢结构与编织筒周围向四周扩展安装，并延伸至侧桁架上部圆管弧形钢梁。

根据BIM深化设计及吊装单元的划分，依次将工厂预制加工完成的片状单元网格与弧形钢梁焊接，片状单元网格之间使用补档散件连接，完成上部网格的安装。

（4）Midas仿真卸荷模拟及验证共享大厅钢结构安装完成后的卸载和卸载后的质量监测需同步进行，是检验设计和施工质量的关键环节。

屋盖单层网格结构的临时钢支承胎架采用液压千斤顶逐级分步卸载，通过缓慢控制每个液压千斤顶行程，使屋盖结构与临时支撑系统脱离，达到共享大厅钢结构自身承重的目的。

通过有限元分析软件MIDAS对胎架卸载过程进行施工过程仿真模拟分析，根据共享大厅设计位移分布图，显示最大位移为23.3mm。

因此胎架分部卸载时，每次卸载量为5mm，共分5次，总卸载量为25mm。

卸载同步进行单层网格钢结构位移监测，卸载后的最大位移为22.7mm，与模型对比一致。

五、结论
通过BIM技术在大空间复杂钢结构的应用，保证了共享大厅钢结构的设计、施工质量和结构安全性，通过对模型调整、优化、分析，有效解决了复杂造型、高低起伏、曲率变化钢结构对于钢构件加工、安装施工高精度要求的难题，保证了大跨度异形双曲钢结构的顺利施工，提高了施工效率，节约了项目整体施工成本。

该项目获得第十四届第一批“中国钢结构金奖”荣誉称号，对于同类钢结构施工具有借鉴意义。

参考文献：
[1]田黎敏.大跨度空间钢结构的施工过程模拟分析及研究[D].西安建筑科技大学.2010
[2]黄子浩.BIM技术在钢结构工程中的应用研究[D].华南理工大学.2013
[3]鲍广鉴,曾强,陈柏全.复杂空间钢结构施工过程的计算机仿真技术[J].施工技术.2005(10)。