结合BIM技术的大跨钢结构吊装施工应用研究

颜沙沙，钟炜（天津理工大学）

1 引言

近年来，大跨钢结构在土木工程领域所占比例越来越大［1］，其中，吊装施工是最为重要、难度最大的环节，直接影响工程质量及安全［2］，故吊装施工方案的选择应根据工程实际情况科学选择［3］。

本文以实际钢结构工程为例，综合考虑工程结构与施工条件，运用FD法选取评价指标，采用信息熵多指标综合优选方法对施工备选方案进行选择。将所选方案应用到实际工程施工中，借助BⅠM软件进行钢结构有限元及薄弱位置分析，提供处理措施。

2 工程概况

三亚崖州湾科技城大学城学术交流中心以环形架空状置于项目平面中部，整体为钢框架支撑结构，外环长372m，内环长294m，宽度方向为18m～28m的渐变形式，建筑高度24m，共5层。交流环钢结构主要由7个核心筒单元、平台梁、两侧网格桁架组成，用钢量约7600余吨（见图1）。

图1 钢结构整体模型

3 大跨钢结构吊装方案优选

3.1 综合指标体系建立

FD法即强制打分法，包括0-1和0-4评分法，采用FD（0-4）法选取指标［4］。按该工程施工特性及现场条件，将可能的评价指标定为8种：总费用（Ⅰ1）、施工安全程度（Ⅰ2）、施工难易程度（Ⅰ3）、方案对周围环境影响程度（Ⅰ4）、施工相互干扰程度（Ⅰ5）、资源耗费程度（Ⅰ6）、施工发生次生灾害可能性（Ⅰ7）、施工工期（Ⅰ8）［5］。

经决策团队综合评价打分可得指标得分表（见表1）。根据权重对指标进行排序：Ⅰ2＞Ⅰ1＞Ⅰ4＞Ⅰ6＞Ⅰ8＞Ⅰ3＞Ⅰ7＞Ⅰ5，选取得分大于10的建立综合指标体系。

表1 FD(0-4)法指标得分表

3.2 信息熵多指标综合优选法确定吊装方案

所有评价指标既含定量指标Ⅰ1、Ⅰ8，又含定性指标Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ4、Ⅰ6。定量指标可根据实际数值进行比选；定性指标由决策专家进行评估，存在不确定性，而信息熵是对信息进行量化判断、解决信息不确定性的工具［6］。本项目吊装备选方案为单元吊装法（P1）、整体提升法（P2）、整体顶升法（P3）和高空滑移法（P4）。决策团队按实际条件对评价指标打分（表2）。

表2 各评价指标分值表

将评价指标分类做规范化数值处理（见表3）。

表3 各评价指标规范化数值表

采用公式（1）对各指标进行列归一化（见图2）。

图2 列归一化矩阵

借助Matlab软件由公式（2）计算并输出信息熵Ej：

Z(1，2，3，4)（w）=（0.8605，0.9302，0.8281，0.8298）

通过上述计算，该工程备选方案排序为：P2＞P1＞P4＞P3，故最优吊装方案为P2。

4 BIM技术在大跨钢结构吊装施工过程中的应用

4.1 钢结构提升平台模型建立

本工程钢结构存在构件多、构件超长且架空大跨度斜交网格系统安装精度要求高等施工难点，借助Revit、Tekla Structures等软件对钢结构进行整体模型的建立，确保每个构件、节点满足安装要求。

采取整体提升法进行钢结构的吊装施工，先将提升单元在其安装位置的投影面正下方地面上拼装完成，为保证其腹杆安装精度及效率，进行拼装区域划分，黄色区域为小拼单元安装，蓝色区域为散件拼装（见图3a）。该工程提升范围为3层以上的桁架以及联结杆件，吊装施工前对提升平台进行结构平面布置，确定提升吊点位置，继而安装液压同步提升系统设备对钢结构整体进行液压同步提升（见图3b）。

图3 提升平台模型

4.2 钢结构提升平台薄弱位置检查及加固

4.2.1 被提升结构及支撑结构有限元分析

由于斜交网格桁架外观呈半圆弧状，桁架的曲度两端小、中间大，故在工程正式施工前，利用Midas gen软件对该工程被提升结构的应力、变形等受力状况进行有限元分析［7］。根据提升工况，选取对应支承结构的最大荷载对该工程支撑结构的受力状况进行有限元分析（见表4）。

表4 支撑结构有限元分析统计表

4.2.2 提升结构加固

根据钢结构三维模型结构分析得出，因桁架悬挑过长，使其整体在提升过程中需设置临时加固杆，临时加固杆的规格选用HW300×300×10×15，临时加固杆与原结构的焊接强度同原结构杆件焊接强度，材料材质均为Q355B，临时加固杆位置如图4所示。

图5 临时加固杆位置示意图

4.3 施工进度管理

该工程存在交叉施工严重且相互制约的特殊情况，要求每一步施工均需循序渐进，钢结构拼装与土建施工必须相互配合，施工进度才能顺利进行。故借助广联达斑马、Project等软件进行进度管理，实现施工进度可视化，动态掌握施工进度与计划之间的关系，合理安排施工区段进场时间，使工期计划更加科学、规范。

5 结语

本文选取大跨钢结构施工过程中最关键的吊装施工环节为研究对象，运用信息熵多指标综合优选法选取最佳吊装施工方案，并对吊装施工过程中BⅠM技术的应用进行研究分析，得到几点结论。

①钢结构吊装施工方案选取时，综合指标体系的建立尤为重要，指标的差异选取会影响最优吊装方案的选择。双碳背景下，资源的耗费、方案对周围环境的影响等指标权重变大，利用FD法可选出最佳指标体系。

②结合BⅠM技术对钢结构进行整体模型的建立以及分析薄弱位置并进行加固，可避免钢结构施工过程中因突发情况停工或部分损毁等状况。

③BⅠM技术辅助吊装施工，可对整体单元拼装进行可视化模拟，精确定位吊点位置，使工程施工更加准确、安全。同时，还可进行施工进度管理，有助于交叉施工作业间的合理施工。