建筑平移中基于BIM技术的施工模拟研究与应用*

黄 超，陈蕃鸿，王依列，严顺韬，叶 梅

(中建一局华江建设有限公司，北京 100161)

1 绪论

1.1 研究背景

近年来，随着城市建设速度不断加快，对城市用地以及原有建筑进行规划已成为改善城市建筑合理布局的有效措施。对于某些原有的具有较大历史价值或经济价值的建筑采取拆除或重建措施将会造成极大损失，因此，为实现城市建设规划的顺利进行，同时达到保护环境、节约资源的目的，对仍具有价值的建筑采取建筑平移技术从旧址移至新址，已成为现代化建设的趋势。

在现代化技术设备的支持下，土木工程行业也在信息化、智能化的方向不断发展进步。利用BIM相关技术为施工过程提供技术理论支撑，对建筑平移全过程进行施工模拟，完善施工手段，已成为建筑平移技术实施前的必要工作，对施工顺利进行有很大的推进作用。

1.2 发展情况

1.2.1施工模拟概述

施工模拟这一概念我国早在20世纪90年代初就已经初具雏形[1]。随着科技不断发展，在BIM技术的不断完善下，模型的建立也逐渐多维化，从普通的三维模型拓展至四维、五维甚至多维模型[2]，对信息的处理技术也逐渐朝着实时、共享的方面提升，对于不同用户的信息实现了实时交互的优越性。

1.2.2传统施工进度管理

我国现今已拥有一套完整的施工进度管理理论方法。一般采用横道图、里程碑图、网络图或进度曲线图进行施工计划编制表示。对于施工总进度计划，采用施工工期控制程序进行工期的事前控制、事中控制和事后控制来实现项目的工期目标；通过网络计划技术实现进度优化[3]。赵淑红[4]对多Agent协作机制进行了详细分析，将Agent技术应用于施工进度优化的过程中，并提出了利用Agent制定的进度管理策略及算法。吴晓红[5]对Project软件进行了深入研究，分析了运用软件代替人工进行进度管理的可行性，并从不同角度介绍了Project技术在进度管理中的优越性。袁家永[6]利用WBS(work breakdown structure)分解模式对某公园项目的进度计划进行了重新编制和优化，采用的新型分析模式对项目进度有良好的优化效果。陈赟等[7]将柔性管理理论与关键链技术结合, 在某公路项目中优化其施工进度计划, 对传统进度计划的管理进行了补充，为以后的施工优化方法提供参考。

1.2.3基于BIM的施工技术

目前，BIM技术已成为设计施工的主要手段，在施工建设的各阶段都有广泛应用。王爱娟[8]在对项目进度风险分析的基础上，利用BIM建立了建设项目进度风险分析模型，利用模型对项目进度计划的自动生成及其风险模拟分析进行研究，并提出了该模型的使用条件及解决策略。吴子昊[9]通过Navisworks对建立的建筑模型进行施工碰撞模拟，在施工前为施工提供可能在施工中出现的各种问题模拟，对实际施工进行预警，并采用Project编制施工进度安排，实现施工动态监控。王心宇[10]使用蒙特卡洛仿真通过关键路径法对项目施工进度进行仿真研究，同时使用鲁班软件进行施工量验算，得出仿真模型在施工进度预测、修正及实施控制方面的有效性，能够保证工程的高效、经济性。孙科[11]基于WBS，利用BIM技术对工程中传统的进度计划安排问题进行深入分析探讨，采用相关软件进行模拟分析，进行了施工安排的优化设计，对提高施工效率及节约成本有较大推进。

1.3 研究内容与技术路线

本文先对传统施工进度管理与BIM施工技术进行研究[12-14]，而后重点研究了施工模拟技术在厦门后溪长途汽车站平移项目中的应用，基于4D模型与动画漫游碰撞检查，对采用BIM技术的施工模拟与传统管理进行对比分析研究，得出BIM施工模拟的优越性。

2 厦门后溪长途汽车站平移项目施工模拟研究

2.1 工程概况

2.1.1项目背景

厦门市集美区后溪长途汽车站主站房平移工程，总建筑面积达6.82万m2，平移建筑面积达2.28万m2，重达3.018万t，对建筑进行旋转平移90°，最远端平移距离288.3m，是国内乃至世界单体最重、建筑规模最大的建筑物旋转平移项目。

2.1.2建筑环境及结构概况

平移工程场地位于厦门北站西北侧、圣果路与岩兴路交叉口东南侧。四周条件比较复杂，北侧为岩兴路，红线紧邻岩兴路人行道，人行道下管线密布；西侧为圣果路，红线外19m范围内为绿化用地；北侧岩兴路、西侧圣果路人行道离基坑较近，道路下存在电信、通信、供水、公安交信、广电等管线；南侧为中铁四局工地，圆弧轨道外15m左右目前为中铁四局CFG桩施工，可施工范围为圆弧轨道外12～13m。

根据区域地震资料，厦门市辖区内未发生过破坏性地震，遭受的震害来自外围地区强震的波及。本场地位于厦门市集美区，拟建场地抗震设防烈度为7度，设防类别为丙类，设计基本地震加速度值为0.15g。

平移站房主体结构形式为钢筋混凝土框架结构，屋盖形式为钢结构压型钢板屋面，基础形式为桩筏基础；基底桩端持力层为强风化花岗岩，基地承载力较大；地下水类型为潜水，对混凝土结构有微腐蚀性，稳定水位埋深3.9～8.2m；混凝土强度等级分别为：垫层C15，基础C35，框架柱C40，梁与楼板C35和C40，圈梁、构造柱、现浇墙带、现浇过梁C25，预应力梁C40，后浇带混凝土比两侧提高一个强度等级，且为补偿收缩膨胀混凝土。

2.2 工程难点

主站房平移施工存在技术难度大，项目整体体量大、基坑深度大、场地有限、施工技术难度大、主站房平移工期紧张、涉及专业分包多、协调工作量大等难点。

1)主站房建筑平移的成功与否是关系本项目成败的关键，需选取合适的平移方案。而且平移主站房装修较多，且柱距较大，若选择在首层切断将会对装修造成较大破坏，从何处切断以保证被平移结构的整体刚度是难点。

2)本工程为大体量建筑物旋转平移，而且旋转中心位于建筑物外。这种无固定轴的旋转沿径向的偏差难以控制和避免，需要采取特殊措施。旋转到位后，就位连接的构件为框架柱与剪力墙，对旋转平移的就位精度要求较高，就位前需要精确纠偏对中调整。

3)基坑开挖深度达到12.3m，为一级基坑，在土方开挖及结构施工期间，基坑支护体系的稳定性直接影响项目顺利实施。施工期间，对基坑支护体系监测是确保基坑安全的重点。同时，基坑底板位于地下水位以下，雨季(尤其是台风季节)地下水位的变化直接影响基坑安全，如何采取有效的截水和降排水措施是工程一大难点。

4)平移体量大、距离长，如何实时监测和了解平移过程中主站房各主要受力构件的位移、变形、裂缝等情况，是确保平移成功的重要保证，也是工程难点。

5)平移主站房建筑物体量大，平面框架的平面内刚度相对较弱，建筑物旋转时各滑道顶推力与阻力的不协调将会引起建筑物整体及局部的累积变形，从而引起上部结构及装饰装修的破坏。旋转平移下滑道梁最长达300m，为保证上部结构平移过程中的安全，须对下滑道的平整度有较高要求。如果下滑道的平整度超标，由此引起上托盘梁的强制位移将会导致房屋的开裂和损坏。

2.3 解决方案

1)建立EPC项目管理组织结构，涉及项目勘察、设计、采购、施工各方面，配备完善的技术力量，确立在基坑支护、桩基、土方开挖、基础结构施工、主站房平移、结构施工、装饰装修、机电安装、室外工程等全过程的项目管理工作流程。

2)为确保安全和工期并取得较好的经济效果，采取在地下2层切割分离的方案，而且对主站房上部结构和装修的影响最小。采用上托盘梁桁架梁及顶升移动装置对框架柱进行主动卸载，从而保证了在主站房切割及平移各工况的安全。

3)对于可能出现的沿旋转中心的径向偏差，本次步履式平移设备可以通过调整平移顶推方向起到纠偏作用，同时预设2条限位梁，双向保险措施保证平移精确就位。当旋转平移过程中发现建筑最大径向累计偏差>50mm时通过调整步履行走器的顶力施加角度达到纠偏效果，确保就位连接前纠偏到5mm以内。

4)基坑采用双排围护桩支护，中间采用二重管高压旋喷桩施作止水帷幕，同时进行管井降水。为确保基坑开挖和地下结构施工过程中的安全，必须按设计和规范要求对基坑进行监测。在基坑桩顶布置水平位移监测点，监测点距离约为20m。基坑开挖到基底后连续监测7d，每天1次，位移稳定以后每3～7d监测1次，直至基坑回填。整个施工过程中如出现异常情况或位移不稳定时，需增加监测次数。土方开挖和结构施工期间采取有效的降排水措施，基坑边砌挡水台，防止场区雨水灌入基坑，基坑内设排水沟和集水井，收集坑内雨水，潜水泵抽水。

5)采用互联网+远程移位监测系统进行实时监测，可以实现数据采集自动化、实时化和标准化，对移位过程中建筑物结构变形、位移、裂缝变化等数据能实现自动实时采集，并按照标准格式进行存储。监测系统应能够以直观化的图表形式对监测数据进行实时处理，并分析、判断数据的可信度和数据代表的工程风险程度。远程监测系统可通过互联网、手机短信等多种方式发布监测信息和预警信息，使相关单位在第一时间能获取数据信息，及时掌握结构的安全状况。

平移采用PLC移位计算机控制技术，精确控制各点的位移距离，通过反馈的位移信号自动精确调整各点位移量，保证整体位移协调和动态平衡，控制精度控制在2mm以内，确保建筑物的线形及空间变形在弹性范围内变化。

6)由于下滑道的找平精度完全靠土建措施很难满足要求，平移必须采用液压悬浮滑动平移方式。当滑道不平整时，通过竖向千斤顶的自动伸长或缩短适应滑道的平整度，保证上部结构的水平(最大调整高度±40mm)，从而避免由于下滑道不平整产生强制位移，而导致房屋损坏。

3 基于BIM技术的施工模拟

3.1 计划安排与结构建模

根据项目施工流程编制相应的施工工期计划表，在Project软件内生成横道图，并对施工进度进行合理安排调整。在进行施工模拟之前，首先需要建立3D模型，并导入结构信息，而后才可将施工进度安排附加至模型中形成4D模型，进行施工模拟。厦门后溪平移工程项目在制定了确切的平移方案以及施工总进度计划设计之后，即可进行建筑结构建模，建模采用Revit软件。使用Revit建立的爆炸模型如图1所示，从图中可以更加清晰并且直观地看到结构的细部状况以及各结构之间的连接情况。

图1 平移结构爆炸模型

在3D建模完成之后，还需要对建立的模型进行系统性检查以及可行性分析，确保模型的正确性，为接下来的施工模拟提供可靠保障。

3.2 施工过程模拟

将从Revit导入的3D模型以及从Project导入的施工进度计划图进行一一关联，制作成施工动画，模拟每道施工工序，同时在右上角显示相应的时间参数，有助于进行实际施工进度比较验证完成情况。观看模型的演示能够更为直观地发现原施工进度计划中存在的可完善之处，并进行方案改进。在制作的施工模拟动画中，可以更为简单地对整体施工规划有清晰认识，检查各部件运动是否会产生冲突。

在平移项目第1次施工模拟中，结合施工进度规划可以得出施工塔式起重机设置过多的结论，在施工中设置多余的塔式起重机会造成施工进度的延误。将原来的6座塔式起重机减少到4座，将减少的2座塔式起重机替换为汽车式起重机。修改塔式起重机不仅减少了资源消耗，降低了工程造价，而且节约了设置以及拆除塔式起重机的时间，缩短了工期。

1)阶段1(见图2a) 2018年3月29日开始接收现场，进行测量放线，场地平整、围挡、临水临电接驳、现场临建施工；勘察单位进场进行勘察作业，4月20日开始基坑支护设计和桩基设计；6月6日—6月16日对原汽车站主站房结构进行检测；4月13日—5月9日，根据勘察结果，进行平移方案和改扩建方案设计、论证以及施工图设计、报审。

2)阶段2(见图2b) 5月28日开始基坑支护体系施工，包括围护桩、止水帷幕、降水井等；6月7日开始基础桩施工；6月10日开始主站房地下2层非承重结构及相关影响的设备、管线拆除。

3)阶段3(见图2c) 3月29日开始土方开挖作业；10月28日开始主站房与发车平台地上地下结构切割分离；10月5日开始抗拔锚杆及底板基础施工。

4)阶段4(见图2d) 11月24日开始新建地下室底板及扇形平移区域滑道梁施工；10月5日完成原址地下2层滑道梁施工；12月17日完成抱柱梁、托换钢桁架及滑动、顶推装置施工；2019年2月21日完成地下2层墙、柱切割分离，进入主站房平移施工。

5)阶段5(见图2e) 2019年2月22日开始主站房平移施工，并确保于2019年3月31日前平移到位。

6)阶段6(见图2f) 2019年4月1日开始主站房新旧基础结构连接；2019年9月25日开始新建地下、地上结构施工，并于2020年2月28日完成验收；2019年11月16日开始地下室防水施工、土方回填施工。

7)阶段7(见图2g) 2019年10月20日开始装饰装修、机电安装；2020年3月15日开始室外工程施工；2020年5月12日完成机电系统联合调试。

8)阶段8(见图2h) 2020年4月29日开始各专项验收及项目整体预验收；2020年6月30日完成项目竣工验收。

图2 最终施工模拟方案工序

3.3 施工碰撞检查

对复杂施工进行动画漫游能够对施工过程中的关键部位进行细致查看，在进行碰撞检查后，确保各部位构件不会发生重叠碰撞，或距离小于安全距离。同时为使施工进度展示简单明了，特设置1条观摩路线，供甲方进行施工模拟观摩。在对工程进行碰撞检查后，并无发现问题，说明3D建模以及工程施工模拟的准确性得到保证，不会出现因为结构尺寸计算错误造成模型结构重叠碰撞，为实际施工提供了安全保障。

4 实际施工进度比较分析

在实际施工过程中，因不可抗力因素影响以及业主的自身原因，施工竣工时间推迟至2020年6月30日，总工期825天，同时，对施工进度模拟进行相应计划修改。

实际施工建设阶段起止时间如表1所示。将各阶段时间与施工模拟动画及对应时间进行比较，可以发现，各阶段开始及完成时间，基本在动画演示范围之内，由此看来施工模拟对实际施工阶段预测有较好的模拟效果。

表1 实际施工阶段时间

5 结语

5.1 结论

相较于传统施工进度计划控制，在施工模拟中运用BIM技术有以下优点。

1)将信息数据转为动画施工图，易于信息获取 将局限于2D图纸与文字的施工计划安排与数据转化为3D施工模拟过程，达到了信息可视化的效果，使信息更易理解，与他人进行信息交互更为简便。

2)对发现问题与改进措施有更好效果 传统施工管理模式仅仅为施工管理理论的应用，对于施工方案完善没有较大帮助，通过BIM技术进行施工模拟则可通过动画清晰展示施工过程并采取针对性改进措施，科学制定更为详细的施工方案，以达到节约资源、降低造价、缩短工期的目的。

3)提供更为可靠的技术支持 对施工进行碰撞检查漫游，能够对内部结构进行更为细致的检查，查看是否会发生模型碰撞，提前发现可能出现的安全问题并提前制定措施，以保证在施工时不会出现类似情况。

5.2 展望

1)由于理论知识与研究方法的不够充分，对于施工模拟技术的研究存在些许漏洞，需要补充相应的理论知识与实践经验，方可对漏洞进行修正。

2)本文仅仅介绍了BIM技术在施工模拟中的应用。贯穿于整个建筑周期中，BIM技术仍有许多应用方面需要进行深入研究。