根据施工要求和BIM应用场景, 结合铁路BIM联盟发布的建模标准, 制定了BIM建模的技术要求, 并依据施工图纸完成了土建结构、钢结构、水暖电等专业模型建立, 同时为便于管理, 利用BIM设计成果管理系统, 实现BIM模型、设计图纸、相关附件的关联管理.其中, 建模技术要求包括:建模命名规则、工作集划分、系统命名及颜色显示、BIM模型LOD标准等, 同时各专业建模人员使用同一版本建模软件, 在同一坐标系中进行建模工作.其中站房主体结构、装修、暖通、消防等专业利用Revit完成建模工作, 站房钢结构利用Tekla建模, 部分下吊点模型转为Solidworks模型, 通过自主研发的轻量化工具和图形显示平台实现总装模型的可视化管理, 对需要进行力学分析的模型导入SAP2000和ANSYS中进行力学验算及分析, 完成各专业模型(见图2).

图2

Fig.2

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	图2 站房土建结构专业和钢结构BIM模型Fig.2 Station building civil structure and steel structure BIM model

钢结构屋盖安装采用“ 地面拼装、分单元液压同步提升” 的方法, 由于站房南北两侧结构与中部高差相差较大, 在保证质量安全的前提下, 根据土建进度分区, 按照柱网布置对钢结构的三维模型划分为4个提升单元, 从南至北依次为:提升单元1、提升单元4、提升单元3、提升单元2; 其中最南侧的提升单元1临近既有线施工, 为确保既有线施工安全, 施工现场搭设防护棚对既有线进行防护, 并作为最后一个提升单元, 同时提升单元1因体量过大, 又划分为3个拼装单元进行施工, 各个提升单元按照其设计姿态在其投影面的正下方的楼面上(+8.80 m)拼装为整体提升单元.钢结构提升单元三维模型如图3所示.各拼装单元整体BIM模型见图4.

图3

Fig.3

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	图3 钢结构提升单元三维模型Fig.3 3D model diagram of steel structure lifting unit

图4

Fig.4

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	图4 各拼装单元整体BIM模型Fig.4 The overall BIM model diagram of each assembly unit

图4中, 共划分为4个提升单元和6个拼装单元, 结构验算主要包括拼装单元的荷载计算、提升单元的荷载验算、提升支架结构验算和下吊点有限元分析, 确保钢结构拼装、提升全过程结构安全.

4.2.1 拼装单元结构验算

本工程拼装单元主要为矩形框架结构形式, 通过采用结构分析软件SAP2000对钢结构三维模型进行永久荷载计算, 结合《建筑结构荷载规范》^[10]要求, 设置软件参数, 计算各种工况下的应力, 经计算分析可知, 所有构件(胎架与桁架构件)应力比均小于1.0, 如图5展示了拼装单元1、2、3应力、应变和胎架设计变形图, 该拼装胎架结构受力满足拼装阶段承载力要求, 所有构件(胎架与桁架构件)变形均满足规范要求.

图5

Fig.5

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	图5 拼装单元1、2、3的验算结果Fig.5 Checking results of assembly units 1, 2, and 3

4.2.2 提升单元结构验算

依据设计说明、设计图纸及施工方提供的施工建议, 通过钢结构BIM三维模型, 对钢结构提升进行验算; 提升结构及提升支架采用结构分析软件SAP2000 进行计算.经过对钢结构提升单元1的三维BIM模型的实验分析得出(见图6):提升阶段, 提升单元1结构下挠 70 mm, 最大应力比 0.704, 满足提升要求.

图6

Fig.6

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	图6 提升单元1在不同工况下的应力云图Fig.6 Stress cloud diagram of lifting unit 1 under different working conditions

4.2.3 提升支架结构验算

将原结构柱与支架整体建模进行验算, 并设置相应的边界条件, 验算结论为:提升支架柱顶最大水平位移 26 mm, 吊点处最大下挠水平位移 49 mm, 吊点处最大下挠 9 mm, 满足提升要求.最大应力比 0.883, 满足提升要求, 如图7所示.

图7

Fig.7

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	图7 提升支撑结构设计验算Fig.7 Lifting support structure design check chart

4.2.4 下吊点有限元分析

提升下吊点共计两种类型, 如图8所示.类型1为从圈形桁架上单独引出下吊点临时措施杆件设置下吊点, 最大反力为1 635 kN, 最大局部应力212 kN.类型2为设置在圈形补强桁架上, 最大反力为1 065 kN, 最大局部应力277 kN.使用Solidworks建模, 利用ANSYS Workbench进行有限元分析.经过综合验算, 下吊点最大局部应力277 MPa, 满足提升要求.

图8

Fig.8

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	图8 吊点应力云图Fig.8 Hanging point stress cloud map

施工过程中, 持续关注施工现场, 在符合场地布置规划原则(见表1)的前提下, 通过BIM的三维施工环境场地模型, 同时参考项目各施工阶段的平面规划, 模拟现场施工时需要的各种场地资源, 制定出钢结构各施工阶段的现场场地规划.实现效果见图9.

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 钢结构场地布置原则 Tab.1 Steel structure site layout principle 序号 内容 1 堆场布置应充分依据场地情况, 尽量利用现场条件, 不对场地提出过高要求, 以方便场地规划; 2 堆场必须有足够空间, 满足构件进场计划所要求的构件堆放对空间及时间的要求; 3 堆场的布置不应与现场道路以及拼装、安装以及其他专业的施工场地产生平面干涉以及立体交叉, 以避免影响现场各项施工; 4 堆场场地要平整, 必要时需硬化或作简易地基处理, 需按公司标准化对堆场进行围护, 派专人看守避免构件丢失、损坏等; 5 当堆场布置照明、清理、修补或起重设备时, 堆场需供水供电, 应提前做好管道铺设及线路架设等工作; 6 堆场布置应随构件进场计划以及现场安装顺序在必要时做适当调整、转移, 尽量减少构件的二次转运, 满足现场的施工需要; 7 当某些构件的堆放对堆场有特殊要求时, 需提前对堆场进行规划; 8 堆场内应按照构件类型, 划分出不同构件分类堆放区域, 各区域要有明确界限或标识, 避免构件的交叉混乱, 给施工带来不便.

表1 钢结构场地布置原则 Tab.1 Steel structure site layout principle

图9

Fig.9

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	图9 钢结构场地规划BIM设计Fig.9 Steel structure site planning BIM design

1)完成各施工阶段场地内临时道路通行路线, 确保场地内各部位通行畅通;

2)依据钢结构提升单元、拼装单元划分确定各区域钢结构构件堆放场地, 结合施工工期计划编制加工及进场顺序, 减少对施工现场内场地的占用时间;

3)利用BIM模型, 对施工场地尺寸提前了解, 确保满足不同尺寸钢结构、钢筋等材料的堆放要求;

4)提前规划不同种类材料的堆放位置, 便于对场地进行地基处理、围挡搭设等工作;

5)实现材料堆放场地内道路布置, 利于运输、吊装车辆的行走及作业;

6)实现对钢结构按照使用顺序进行堆放及管理, 减少因管理不合理导致的二次搬运;

7)实现依据材料堆放场地位置进行照明、监控的合理布置;

8)实现材料堆放场地内水、电位置布设;

9)实现依据材料堆放场的布置对材料加工区域的规划.

张家口南站屋盖为桁架体系, 杆件截面为方管, 节点类型为相贯节点和弦杆对接节点.管桁架跨度大, 结构安装节点数量多, 在保证施工安全、规范的前提下, 为了提高张家口南站钢结构施工质量、加快施工进度、缩短工期, 张家口南站项目部对钢结构节点做了以下优化.

4.4.1 优化节点1

节点1优化前后对比如图10所示.

图10

Fig.10

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	图10 节点1优化前后对比Fig.10 Node 1 optimization before and after comparison

张家口南站钢结构有10 000多根此类杆件.优化前节点杆件切口形式加工麻烦, 节点安装、焊接复杂.优化后杆件切口形式、安装形式简化, 杆件加工速率和安装、焊接速率大大提高, 因此, 此节点优化有效提高了加工进度和加工质量, 同时, 也提高了钢结构整体质量.

4.4.2 优化节点2

节点2优化前后对比如图11所示.

图11

Fig.11

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	图11 节点2优化前后对比Fig.11 Node 2 optimization before and after comparison

张家口南站钢结构有2 300多根此类杆件.优化前节点为螺栓连接, 安装工序繁多, 优化后现场节省了一道安装工序, 极大提高了安装速度, 同时节省了部分材料.

如何在施工过程中快速、准确的统计工程量, 是施工过程精细化管理的一个关键.工程算量的精确性取决于模型的深度, 而模型图元的深度主要取决于族构件的细度, 因此只有将模型精确到板件、零件、螺栓级别, 才能精确地统计出具体的工程量, 因此高质量的模型是精确算量的基础^{[6, 7]}.

工程量辅助计算技术路线如图12所示, 可以通过3种方式完成工程量统计, 对比结果见表2.

图12

Fig.12

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	图12 工程量统计技术路线Fig.12 Engineering quantity statistics technical route

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 钢结构工程算量技术路线对比 Tab.2 Technical route comparison of calculation quantity of steel structure engineering 技术路线 优点 缺点 建模软件 (Tekla) 通过模型直接计算, 算量规则单一, 对建模精度依赖性高 计算简单快速, 对特殊部位计算不足 二次开发 插件 支持自定义的计算规则, 例如支持扣减和归并 对二次结构配筋、特殊钢筋部位计算精度不够 第三方专业 算量软件 (关联达、 鲁班) 内置不同地区清单、不同定额的计算规则, 需要进行格式转换 针对某些特殊部位配合手工计算, 计算可信度较高 需要进行数据格式转换

表2 钢结构工程算量技术路线对比 Tab.2 Technical route comparison of calculation quantity of steel structure engineering

分别利用Tekla自带报告功能和iTWO软件进行工程量统计, 通过对比发现Tekla是对模型属性进行统计, 按照属性进行分类汇总, 计算的清单需要后期手工操作才能得到所需要的文件内容; iTWO在计算过程中可以内置工程量计算规则, 能够根据前期录入的清单模板进行统计, 直接得出所需的清单文件, 且工程量计算更准确^[11], 如图13所示.

图13

Fig.13

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	图13 iTWO计算钢结构工程量Fig.13 iTWO calculates the amount of steel structure engineering

在实际施工管理过程中, 建立钢筋三维模型, 达到放样、下料精度, 使作业人员施工标准化程度提高, 通过模型生成钢筋明细表, 精确计算各分部工程量来进一步控制材料用量, 减少材料浪费, 结合施工计划进一步控制工程资金流动, 减少工程资金风险.在结算审计阶段, 运用BIM模型基础数据库, 辅助结算审计, 对内确保材料使用量不超过模型计算量, 对外确保结算量不低于模型量, 确保工程结算效益^{[12, 13, 14]}.

通过钢结构验算、场地规划、复杂节点优化、钢结构算量4个方面开展BIM技术探索, 取得较好的应用效果:

1)选用主流的钢结构设计软件Tekla创建三维模型, 生成钢结构详图和各种报表; 并利用结构分析软件SAP2000和ANSYS开展钢结构拼装、提升、安装过程的施工模拟, 完成不同工序、不同工况条件下的应力验算, 实现模型的修改、计算结果的分析和执行、结构设计的检查和优化以及计算结果的图表显示等, 通过BIM先试后做的手段, 能够预知实际施工过程中可能碰到的问题, 提前避免和减少返工, 防止出现钢结构吊装施工的质量安全问题, 实现张家口南站站房钢结构BIM模型深化, 优化了钢结构设计和施工方案, 提高了施工效率.

2)利用BIM技术开展施工组织模拟, 根据施工场地优化布置原则, 模拟不同阶段施工时需要的各种场地资源, 制定出钢结构各施工阶段的现场场地规划, 形成各类构件的进场顺序和提升单元、拼装单元的场地堆放计划, 有效减少了钢结构的二次搬运, 优化场内水、电、照明等布局.

3)通过BIM模型建立钢结构各类连接节点的模型, 统计各类连接点的类型, 形成清单, 根据文中提出的复杂节点优化原则, 在充分把握原结构设计意图和特点的情况下, 结合复杂节点在工厂或者现场施工的可操作性, 提出钢结构的复杂节点优化思路, 并利用BIM可视化、可计算、可模拟的特点, 与设计院确认优化方案, 针对杆件的切口形式和连接方式进行了优化, 提升了杆件加工效率和现场施工效率, 节省了部分材料, 优化了工艺, 确保了施工质量.

4)建立高质量的BIM模型, 精确计算钢结构的具体工程量, 实现对不同流水段、不同分部钢结构用量的精确统计, 进一步控制材料用量, 减少材料浪费, 结合施工计划进一步控制工程资金流动, 减少工程资金风险.在不突破设计总量的情况下, 协助施工单位进行内控管理, 实现对下分包的精细化管理, 确保工程效益.