BIM 技术在群塔作业的应用探索

李俊华，朱家宏

（1.广州建筑股份有限公司，广东 广州 510030；2.广州市第二建筑工程有限公司，广东 广州 510045）

0 引言

如今我国的城市住宅工程有三大特点。①规模大，动辄就是几千户超大小区项目工程。②建筑密度大、楼层高，城市用地寸土寸金，住宅容积率居高不下，在有限的建筑用地上排满了多个建筑高楼。③施工工期紧张，城市建设强调效率，施工工期关系着小区业主、建设方、施工方等多方的利益。在这个前提下，科学高效的群塔作业方案变得尤为重要，也变得更加困难。

传统群塔作业方案依据AUTOCAD 的图纸信息，仅能满足静态二维平面上的布置要求，视角单一，难以分析全面，对塔吊随施工进度顶升后安全距离的动态控制等要素考虑不足[1]。近年来的塔吊安全事故的统计次数的上升也侧面说明了传统群塔作业方案已经不足以满足现在施工的需求。本文借助广州市交通高级技工学校迁建工程，探索BIM 技术在群塔作业的应用可能，积累经验，为建筑同行提供借鉴和参考。

1 工程概况与传统群塔作业方案的不足

1.1 工程概况

广州市交通高级技工学校迁建工程可研批复总建筑面积242040m2，建设内容包括教室及图书室31638m2，实验实训场所65545m2，行政用房12000m2，学生宿舍及教师值班用房86912m2，食堂、生活福利及其他附属用房18922m2，室内体育用房3747m2，地下室及架空层23276m2。

本工程每栋主楼相对独立，基本采用1 栋主楼一台塔吊的方式进行塔吊方案部署，布置塔吊时调整位置尽可能完全覆盖主楼的周边裙楼及地下室，以免后期出现材料二次搬运的情况，其中1 号楼与2 号楼塔吊相邻大臂高差只有5m，2 号楼与3 号楼塔吊相邻大臂高差只有4.7m，钢丝绳+吊物长度需要严格控制，否则很大概率会发生碰撞。塔吊布置如图1 所示。

图1 塔吊布置

1.2 楼间距密、塔吊众多

建筑单体施工高度超过规范要求，则需要设置塔吊附墙，塔吊附墙限制了塔吊安装的位置，密集的建筑楼群客观导致了密集的塔吊安装布置，塔吊作业距离十分接近。为了追求工作效率，需要保证群塔的作业覆盖面能够覆盖尽可能多的工程作业面与各种材料堆场，这就客观上导致了不同塔吊扇形工作面的相互覆盖重叠现象[2]。

1.3 工期紧张，作业面大

本工程总工期仅仅397 日历天，为了如期完工，计划整个作业面全部开展施工，施工队伍众多，塔吊作业盲区也多，有一定安全隐患，极大考验了群塔作业的整体协调性。而且结构工期会遇到广州台风天气，给塔吊作业带来了很大的困难。

2 群塔BIM 模型的构建与静态初步部署

2.1 模型要求

群塔作业方案需要在工程建设初期就拟定，塔吊平面位置选定之后，便一直进行定点作业，难以改变，实际工程要基坑开挖阶段（主体施工阶段之前）就完成一份塔吊整个运行周期内的完整方案。因此，建筑模型与塔吊模型的构建需要兼顾建模的速度与建模的精度。

本工程建筑结构模型构建时开始采用LOD300 的建模精度，发现建模速度缓慢，预计按照此标准完成全部模型，计算机也有很大的运行压力。于是在实训楼A1模型完成后，BIM 技术小组决定优化、简化剩余模型的构建，对可能与塔吊发生碰撞的构件模型进行重点建模，简化其余构件，形成单层简化结构模型+外架范围模型[3]。并按照流水段划分，将每层拆分为若干流水段模型，如图2 所示。经过本工程实践轻量化的其他建筑模型与LOD300 的建模精度的实训楼A1 模型在实际应用中效果是一致，此建模精度可供今后工程借鉴参考。

图2 流水段模型

BIM 技术小组在载入塔吊族后，为了使得相邻塔吊上下空间上碰撞情况更加直观明了，按照规范：处于高位塔式起重机的最低部件与低位塔式起重机处于最高位置部件之间的垂直距离应＞2m，在塔臂上添加蓝色90%透明安全范围模型，该模型可随塔臂上下移动，并且根据索具＋材料＋安全高度参数的不同，调节下安全范围大小，塔吊添加安全范围模型如图3 所示。

图3 塔吊添加安全范围模型

2.2 静态分析

群塔方案会在满足静态分析的前提下进行动态分析，根据分析过程中的碰撞中调整方案，不断重复静态分析→动态分析→碰撞检查→方案优化的过程。

群塔作业方案的安全管控静态分析内容如下。相邻塔式起重机塔身距离分析、塔臂重叠区域分析、相邻大臂高度差分析。相邻塔式起重机塔身距离分析，在传统二维平面上即可分析完毕。附加了透明安全范围模型的塔吊模型上，相邻大臂高度差分析变得一目了然。调整三维模型俯视图观看，也可借助塔吊透明安全范围模型直观看出塔臂重叠区域，重叠区域，颜色叠加，重叠越多，颜色越深。

静态分析还包括塔吊对建筑结构的影响，看是否存在穿楼板、断次梁的情况。在工程经验中，地下室施工阶段经常出现塔吊穿楼板的情况。穿楼板不可避免的情况下应做好预留洞口的防护与封堵措施，同时还要注意穿楼板的同时是否对结构梁产生冲突。假如各层结构平面变化较大，传统方法需要逐张图纸对照塔吊是否与结构梁发生碰撞，烦琐又容易出错，采用BIM技术可以进行碰撞检测，高效准确的得出碰撞结果。

3 动态模拟，优化群塔作业方案

工程建设施工是一个动态的建设过程，建筑主体、外架等构造措施甚至周边环境都一直在变化[4]。群塔方案的动态模拟是设置时间轴，在从塔吊基础开始建设到塔吊拆除完毕的时间轴上模拟工程实体建设与塔吊的变化，在这个动态的过程中检查有无塔吊与建筑主体（包括外架）的碰撞，塔吊高差之间的碰撞。在这个过程中从地下室进入主体阶段、主体阶段的外立面发生变化的节点容易发生塔吊与建筑主体（包括外架）的碰撞，塔吊的顶升过程容易发生塔吊高差之间的碰撞、塔吊的拆除过程则需要一定的空间需求。

3.1 塔吊顶升

在主体施工施工阶段是群塔作业的重难点，塔吊随着建筑主体升高隔几天就需要做一次顶升，塔吊作业碰撞的概率最大。群塔的顶升会带来塔吊之间的高差变化，需要整体协调统一避免塔吊的高差碰撞[5]。因此每一次顶升的碰撞检查都十分重要。同时，塔吊的顶升关乎接下来的施工作业，必须安排好施工队伍流水作业与塔吊顶升作业的配合，寻求效率与安全的双赢[6]。

塔吊顶升计划直接跟工程进度直接相关，是详细施工进度安排里面必须认真考虑的一部分内容。塔吊的顶升计划遵循高低位塔吊顶升原则，跟各流水段模型的竖向工程量指标密切相关，应该根据指标确定施工施工强度，结合施工内容，吊装材料的不同，确定施工需要的吊装次数，匹配相应的劳动力投入。塔吊顶升计划安排不顺利可能是一开始的塔吊初装高度设置不合理导致塔吊高低顺序，甚至可能是塔吊规格型号、数量不匹配施工进度安排。应该应用BIM 技术进行多次模拟，综合考虑各项因素，多次调整找到最合适平衡的塔吊顶升计划。

3.2 塔吊拆除

塔吊的拆除力求模拟真实拆除环境，确定塔吊拆卸场地与吊装空间，验证该空间进行塔吊拆除作业的合理性。在塔吊拆除经验中，可能会出现建设后期，塔吊被周边建筑物团团包围，吊装空间不足，起重臂无法直接吊至地面。塔吊拆除模拟可以尝试空间拆解，经模拟验证不可行，只能调整塔吊位置，重新分析调整后的方案。

4 方案不足思考

本工程周边环境为平坦宽阔的市政道路和空地，基本不会对本工程的塔吊方案部署产生不利影响，在以往的项目中，出现了周边建筑物与建筑用地十分靠近，项目依山而建，山体存在阶梯状边坡设计，如图4所示。项目在考虑垂直运输的塔吊布置时还必须考虑边坡高度的情况，阶梯状边坡现场如图5 所示。

图4 阶梯状边坡现场

图5 某工程塔吊与边坡位置关系

为形成更为成熟完善的BIM 技术在群塔作业的应用方案，在原有方案上补充周边建筑模型，周边地形模型进行综合考虑，形成的最终的应用方案流程图如图6所示。

图6 BIM 技术在群塔作业的应用方案流程

5 结语

传统的群塔作业方案都是基于二维的CAD 图纸，可视性差，仅能做好平面静态分析，在空间维度上方案考虑不足，难以保障群塔作业的效率与安全。塔吊跟随建筑实体施工进度实际一直在改变其工作路径与工作高度，直到塔吊拆除过程都是需要与建筑实体相互协调的，因此，群塔管控是一个基本横跨全施工周期、空间多维的、动态的过程[7]。本文重点探讨塔吊安装前通过BIM 技术动态模拟实现在群塔作业中的安全管控，但是并未直接用于辅助塔吊吊装作业，仍有较大的开发空间，此处提出建议，望今后的工程在借鉴的同时能继续开拓。