基于BIM 的空间复杂钢桁架施工技术分析

孟祥宽，尚士平

（1.山东黄河工程集团有限公司第一分公司，山东 济南 250000；2.山东合晟建筑工程有限责任公司，山东 聊城 252000）

0 引言

随着城市化进程的加速和建筑技术的不断创新，超高层建筑逐渐成为城市天际线的重要组成部分，钢结构因其高强度、轻质化和良好的抗震性能，在超高层建筑中得到了广泛应用。然而，随着建筑高度的增加和功能的日益复杂，超高层建筑的钢结构施工面临着前所未有的挑战，空间复杂钢桁架作为超高层建筑的关键结构之一，其施工技术的研究与应用具有重要意义。近年来，BIM 技术以其强大的信息集成和共享能力，为空间复杂钢桁架的施工提供了全新的解决方案。钱士元等[1]学者针对多层大跨复杂形式钢结构的吊装问题，利用BIM 技术对构件的吊装进行全过程模拟，提高施工效率，保证吊装精度。杜战军等[2]学者以某大跨钢桁梁桥为例，提出了基于BIM 模型的参数化及精细化建模思路，并通过建立信息化平台，实现施工进度的模拟和施工现场的信息化管理。余文成等[3]学者则结合具体工程背景，初步编制了钢桁架桥梁的信息模型交付标准，为钢桁架桥梁的信息化施工提供了依据。这些研究充分展示BIM 技术在空间复杂钢桁架施工中的巨大潜力和应用价值，然而，目前的研究还存在一些不足，如BIM 技术在施工过程中的具体应用细节、施工效率与精度的提升策略等方面尚需进一步探讨。因此，本文旨在深入研究基于BIM 技术的空间复杂钢桁架施工技术，分析其在施工过程中的应用与效果，以期为解决超高层建筑钢结构施工中的技术难题提供新的思路和方法。

1 BIM 在空间复杂钢桁架施工工程中的可行性分析

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术在空间复杂钢桁架施工工程中的可行性分析主要体现在其多专业协同作业、信息模型参数化、可视化和模拟功能上。BIM 软件作为一种广义的应用软件，具有丰富的功能和灵活的应用方式，能够有效支持钢桁架施工工程的复杂性和精密性要求。BIM 技术的多专业协同作业功能使得各个施工专业能够在同一个平台上进行协同作业。在钢桁架施工中，涉及结构、焊接、安装等多个专业领域，BIM 技术可以将专业的数据集成到同一个模型中，实现协同设计和施工，减少信息传递和沟通的成本和错误。BIM 技术的信息模型参数化能够对钢桁架的构件进行精确的建模和参数化，通过BIM 软件建立的三维模型能够直观地展现钢桁架的形态和结构，帮助工程师和施工人员更好地理解和规划施工流程，尤其是对于一些比较复杂的构件以及特殊的节点，采用BIM 技术进行二次深化，让使用者对节点、零件等方面的问题有更多的重视，并能及时地对其进行修正和改进，提高施工精度和效率。BIM 技术的可视化功能能够将数据直观地呈现为可视化的模型，帮助工程师和施工人员更直观地了解工程的情况，在钢桁架施工中，BIM 技术可以将施工过程模拟为三维动画，通过虚拟仿真功能优化焊接工艺、施工方案等，帮助解决加工、安装等繁杂的难题，帮助工程团队更好地规划施工过程，预防和解决可能出现的问题，提高施工质量和效率。

2 基于BIM 的空间复杂钢桁架施工技术

2.1 工程概况

本项目为100 层高的超高层建筑，共布置4 根桁架，在不同的楼层上。其中，F48M ～F51、F98 ～F100 两个层次，具有代表性的有跨多层空间曲面转换桁架、空间锥台复合桁架，如图1 所示，该复合桁架的交叉点为铸钢结构，由13 个不同截面的杆组成，相互交叉，形成形式非常复杂的结点。施工过程应重点关注如下问题：第一，深化设计。桁架钢柱受力复杂，需进行精细化建模，而单根角钢重量81t，且由300 片板件组合而成，其建模难度较大。在设计过程中需要特别注意钢柱的空间倾斜度和扭曲程度，以及合理安排零件板的拼接方式，以确保钢柱的稳定性和承载能力。环带桁架的四面轮廓呈弧形内凹，因此对于桁架的四面轮廓要进行准确的建模和设计，在建模过程中，桁架的非常规形状，使用适当的建模工具和技术进行模拟，以保证桁架的结构完整性和稳定性。第二，加工制作。空间椎台复合桁架的汇交节点复杂，涉及大量异型不等截面的杆件，汇交杆件最多处达13 根，在设计阶段，要对节点进行详细设计和建模，确保汇交节点的稳定性和结构合理性，同时，锥台复合桁架连接节点多，多为异形、不等截面构件，装配精度难以控制，且焊接过程中存在热量集中，容易引起变形，需要采用合理的加工与焊接工艺，在施工过程中要进行精确的调整和安装。第三，焊接质量和安全防护。桁架构件均由厚板构成，现场焊接多为全熔透的对接焊缝，对焊接质量有较高的要求，尤其是空间锥台形桁架的节点柱为铸钢结构，其吊装和焊接工作在高空进行，并且大部分构件为异形截面，需要采取特殊的高空安全防护措施，确保施工安全。

图1 桁架分布图

2.2 BIM 软件合理分段分节

针对F48M-F51 层转换桁架的特殊性和复杂性，在设计初期，利用BIM 技术进行精确建模，可以全面考虑桁架的空间分布、结构构造和吊装需求。考虑到道路运输的限制，分段分节的首要原则是确保构件尺寸在可运输范围内，涉及对桁架进行精确的尺寸分析和计算，以确保每个分段都能顺利运抵现场。同时，构件的重量也是一个关键因素，过重的构件可能会超出塔吊的吊装能力，因此需要根据塔吊的性能要求来合理划分构件的重量，在设计阶段需要进行详细的荷载分析和计算，确保每个分段的重量都在塔吊的可承受范围内。除了尺寸和重量，要注重分节位置的选择，方便现场施工操作，分节位置应尽量选择在杆件对口处，减少现场焊接和连接的工作量，提高施工效率。通过BIM 软件将F48M-F51 层转换桁架分节后，具体构件信息如表1 所示。

表1 构建分节信息

2.3 桁架虚拟预拼装、建造技术应用

2.3.1 跨多层空间曲面转换桁架虚拟预拼装

针对跨多层空间曲面转换桁架结构，采用传统的实体预制装配方式，其工作效率低、造价高。为了克服这些问题，本项目采用3D 激光扫描和BIM 技术相结合的方法进行虚拟预制装配，虚拟预组装技术在零件的周围建立若干个扫描点，能够全面、精确地捕捉每个构件的几何形状和尺寸数据。当所有站点的数据匹配完成后，数据被导入到专用的数据处理软件中，经过一系列算法处理，生成高度真实的三维模型。接下来，利用Qualify 软件，在虚拟环境中进行预拼装，不仅减少物理胎架的使用，还允许在拼装过程中进行精细的调整和优化，从而确保最终的拼装合格率。在加工阶段完成后，对每个构件进行逐个扫描，确保采集到的是最准确、最完整的点云数据。

2.3.2 空间曲面环带桁架虚拟建造技术

（1）多层空间曲面转换桁架虚拟建造

F48M-F51 环形桁架，是最大的转换桁架，多层空间表面的过渡，钢杆与弦管、腹杆之间有大量的对接界面，都使得这一施工任务变得异常复杂。通过借助BIM 软件的力量，对桁架进行合理化的分节，即便面对最大重达81t 的构件，也能游刃有余。通过虚拟建造，在虚拟环境中对构件的吊装顺序进行多次优化，直至找到最优解，同时，虚拟建造技术还可以实现高空操作平台及安全防护的同步搭设，提前规划好各工序的施工顺序和安全防护措施，确保在实际施工过程中，各工序能够安全有序地进行[4]。

（2）虚拟模型受力验算

为保证F48M-F51 结构的安全稳定，以Midas/gen 为计算工具，对结构的受力进行细致的校核。在建模过程中，着重关注塔吊爬升框钢梁安装过程中影响较大的东侧和南侧外框柱，这些区域在桁架安装过程中可能会受到较大的应力和变形。在荷载取值方面，考虑到钢柱悬空状态下的自重和风荷载，采用了1.2 的自重系数和0.4kN/m2的风荷载取值，能够更全面地反映实际情况，为后续的受力验算提供可靠的依据。经过midas/gen 软件的计算分析，得到东侧和南侧钢柱的受力及变形情况，从验算结果来看，无论是东侧还是南侧钢柱，其最大拉应力和最大压应力均在可接受的范围内，且变形量也在预期之内，在虚拟安装过程中，钢柱的受力及偏移均能够满足设计及规范要求。

（3）虚拟焊接顺序

环带桁架作为建筑结构的重要组成部分，其焊接质量直接关系到整个建筑的安全性和稳定性，考虑到F48M-F51 层跨多层空间曲面转换桁架的特殊性，主要对其焊接流程进行详细规划和优化。桁架使用的Q390GJC 材质以及多种规格的板厚（30、40、60、80mm），特别是高达90%的厚板占比，使得焊接工作变得异常复杂和具有挑战性[5]。为保证焊接质量，应首先对具有大收缩量和高拘束度的焊缝进行焊接，然后进行小收缩量和小拘束的焊缝，减少焊接过程中产生的应力，避免应力集中，从而更好地满足焊接质量的要求。F48M-F51 层桁架的焊接首先从下弦杆开始，逐步进行上弦杆、斜腹杆、中弦杆的焊接。随后，再依次进行一节钢柱和二节钢柱的焊接，直至整个桁架的焊接工作完成。

（4）空间锥台复合桁架虚拟建造

空间锥台复合桁架是一种复杂而精密的建筑结构，其建造过程需要经过精心策划和严格执行，在虚拟建造的过程中，每一步都至关重要，必须确保每一步的准确性，以保证最终结构的稳定性和安全性。虚拟建造流程遵循从核心筒到外部桁架，从下到上，从内部到外部的逻辑顺序。在拆完核心筒塔架后，首先要做的就是安装角铁节点及与之连接的下弦节点，以保证网架的稳定。待核心筒内剩余混凝土浇筑完毕后，立即进行下弦管和相连接的平面钢梁的安装，待下弦管完工后，再进行桁架柱的安装，与之连接的弦管的安装，以及上弦板和腹杆的安装，使桁架的整体结构得到进一步的稳定[6]。随后空间锥台复合桁架的外层桁架钢柱开始安装，以及安装内、外桁架相连的杆件单元，实现桁架内部和外部的有效连接。同一步骤中，通过安装外桁架钢柱、圆弧梁等构件，提高桁架的整体稳定性能和美观性，并在此基础上，安装内外桁架间的腹杆，提高桁架的整体刚度与稳定性，将其他杆件安装在上弦杆上，实现组合桁架主体结构的顺利安装。

2.4 桁架装配化施工

在本工程中，桁架式钢柱的构造尤其特殊，都是异型截面，且具有斜向弯折的特征，使其空间结构显得格外复杂。以F48M到F51多层空间弯曲桁架为研究对象，其主要杆件数目多、体积大，通过BIM 对其进行精确拆分，发现20t 以上的主要杆件有96 个，最大的一个高达81t。除了重量因素，桁架四面轮廓的弧形内凹设计也增加了施工的难度，这种设计不仅要求施工团队具备高超的空间定位能力，还需要他们掌握精确的测量方法，在这样的背景下，BIM 软件的应用显得尤为重要，通过BIM 软件，能够在虚拟环境中对桁架进行详细的模拟和分析，找出最佳的施工方案。在实际施工过程中，利用BIM 软件对桁架进行精心的设计和规划，通过加设吊耳、连接板以及卡码等辅助设备，确保桁架的稳定性和安全性，以及采用螺栓临时紧固的方式，使得桁架的装配过程更加迅速和高效。吊耳的位置和数量都是根据BIM 软件的模拟结果来确定的，以确保在吊装过程中能够均匀受力，避免产生过大的应力或变形。对于角框柱的吊装，特别设计4 个吊耳，并使用6 组连接板进行紧固，确保角框柱在吊装过程中的稳定性和安全性，如图2 所示。

图2 BIM 软件设置吊耳

每个吊耳都经过精密计算和工程验证，能够承受角框柱的重量和吊装过程中的各种力量，连接板的使用进一步增强吊装系统的整体稳定性，有效防止角框柱在吊装过程中发生不稳定或倾斜的情况。同时，还采用了双面坡口焊接技术，将吊耳焊接在距柱顶150mm 的位置，保证焊接的牢固性，避免对柱体造成过大的热影响。在构件吊装就位后，通过螺栓进行紧固，确保各个部件之间的连接牢固可靠以及合理加设吊装辅助措施，实现塔吊的快速摘钩，进一步提高施工效率[7]。

3 结论

本文通过深入剖析了BIM 软件在桁架分段分节、虚拟预拼装以及虚拟建造等方面的应用，并通过具体案例展示了BIM 技术在施工过程中的实际效果。BIM 技术的应用使得空间复杂钢桁架的施工过程更加精准、高效和安全，通过BIM 软件的精确建模和虚拟仿真，施工团队能够提前发现并解决潜在问题，帮助施工团队精确控制施工质量，确保每个施工环节都符合设计要求，从而提升整体施工质量。主要结论如下：

（1）BIM 技术在空间复杂钢桁架施工中具有显著优势，能够有效提高施工效率、确保施工质量和降低施工风险。

（2）通过BIM 软件的精确建模和虚拟仿真功能，施工团队能够更好地理解和规划施工过程，优化施工方案，提高施工精度和效率。

（3）BIM 技术的应用将有助于推动空间复杂钢桁架施工技术的创新发展，提升建筑行业整体的施工水平和技术含量。