基于BIM的钢结构支撑体系虚拟仿真技术研究

何翊，张广泰

（新疆大学建筑工程学院）

1 引言

近年来，钢结构技术在我国建筑行业中快速发展，钢结构的现场安装组织及构件拼装等技术可通过BⅠM技术的相关应用实现[1]，对异形复杂大空间钢结构尤为有效[2]。

2 工程概况

2.1 项目概况

新疆乌鲁木齐奥林匹克体育中心是乌市面向新世纪着力打造的重要文化体育设施，满足能举办全国综合类体育赛事及主会场的要求。其中体育场、体育馆、游泳馆属甲级体育建筑，田径馆属乙级体育建筑。项目建设用地面积409376㎡，净用地面积为320000㎡，总建筑面积305770㎡。

2.2 屋盖钢结构概况

体育场屋盖结构整体造型呈马鞍型曲面，屋盖平面尺寸为263.5m×227.5m，屋盖中心洞口尺寸为195.4m×127.4m。

体育场屋盖整体采用轮辐式索承空间网格结构体系。屋盖刚性结构节点大部分为刚接，索杆体系的撑杆两端均为销轴铰接连接，索夹采用铸钢节点。

3 深化设计管理

3.1 深化设计前准备

根据施工计划及现场实际进度，总包单位技术部应在土建结构施工至正负零前完成主体结构与钢结构专业施工的相关技术准备工作，确保专业间交叉施工。深化设计管理前应完成准备工作。

总包单位向钢结构专业分包单位提供更新施工进度计划并提出支撑体系的搭设要求，详见表1。

表1 施工进度计划

续表

钢结构专业分包根据搭设要求及项目屋盖施工工况，进行钢结构支撑体系初步设计；钢结构专业分包根据初步设计方案与总包计划节点进行屋盖施工进度计划调整并上报审核；初设方案与进度计划符合项目要求后，总包单位要求钢结构专业分包单位向支撑体系施工需要配合的各专业分包单位及总包进行提资，并提交支撑体系布置图与施工方案作为提资附件。

为保证内环构件和吊机的运输（基于BⅠM技术的分块吊装施工过程分析验算）[3]，本工程利用场馆入口通道作为运输通道。

3.2 深化设计选型

3.2.1 支撑架的选型与设计

结合施工现场工况及进度要求等综合因素，确定支撑架选型：采用格构式支撑架，包括底座、支撑架体（含爬梯）、架顶操作平台等部分，并根据支撑架所支撑的高度和荷载，综合考虑它的承载力和稳定性要求，支撑架设计的外型基本组合尺寸为A型2.5m×2.5m，B型2m×2m。

3.2.2 支撑架的布置及高度

根据体育场钢结构吊装分段和拉索施工要求，以及施工模拟计算结果，屋盖及外立面幕墙和拉索的临时支撑胎架共需设置172处。

3.2.3 支撑架加固设计

按施工总体安排，体育场看台区支撑架底部将落位至下层混凝土楼面上，并在混凝土楼面上设置400×20mm固定埋板，每个支撑架设置4块，支撑架安装时，将底部井字架转换梁底座与埋板焊接固定。楼层间支撑架四根立柱，与上部支撑架立柱对齐。

3.2.4 支撑侧向稳定的保证

本工程体育场屋盖索承网格支撑高度较高。为确保支撑架的侧向稳定性，将支撑架环向相互连接，另一面拉设缆风绳，最终形成一个稳定体系。

3.3 方案验证

3.3.1 模型建立

二维平面布置图及施工方案不能全面反映支撑体系与各专业间的空间位置关系，全场172个支撑架，楼层跨越复杂且场馆倾斜构件及预留洞口较多，仅基于二维图纸的各楼层标记，无法快速确定最终布置方案。研究决定在已有建筑结构等模型的基础上，利用BⅠM技术对钢结构支撑体系、屋盖结构进行实体建模，作为方案比选、安全计算复核分析等应用的基础性文件[4]。

3.3.2 模型建立整合

将已有的结构模型与钢结构钢支撑简化模型进行整合，按照施工分段及轴号对其进行编号，根据设计选型及布置方案对支撑架进行虚拟布置。

3.3.3 三维可视化复核

通过BⅠM技术的三维可视化展示，利用三维局部视图，对支撑架的布置进行分层分段的专业间的碰撞检查，检查内容：已有结构的碰撞、单侧预留洞口、不够支撑点的梁板、同层支撑跨板等情况。

3.3.4 接口管理

总包单位通过专业间的接口需求及提资表对钢结构、建筑结构专业所需功能与接口要求进行反馈，功能与接口要求描述主要内容包括：接口部位、跨层板厚、跨层标高、跨层功能、跨层梁洞等信息，并通过附件三维模型整合标注图例加深各专业施工方的理解。

3.3.5 安全分析计算

利用BⅠM技术对支撑体系的施工及拆除工序与主体结构施工进度、屋盖吊装方案进行工况模拟建造，确定钢结构的施工顺序及相关专业施工范围预留部位，确保不同专业间的穿插施工。

总包单位根据模型整合和三维可视化复核与优化方案定版后，出具最新的支撑架布置图，反提资于钢结构专业单位确认，本工程采用通用有限元分析软件MⅠDAS/Gen进行仿真分析。

3.3.5.1 以A类支撑架验算为例说明

1）计算条件

①计算假定：支撑架弦杆及转换梁用梁单元模拟，支撑架腹杆采用桁架单元模拟。

②约束形式：支撑架底部设置转换底座，转换底座钢梁设置铰接约束，即约束X、Y、Z三个方向的水平位移。

2）荷载取值

①支撑架自重D1，自重乘数取1.1，由软件自动计算。

②支承荷载标准值D2，根据施工过程分析计算结果，取954.0kN。

③考虑竖向支承荷载偏心产生的附加弯矩作用，取e=Min（100mm，D/20），其中D为支撑架边长。

④活荷载L，考虑支撑架顶部操作平台的上人荷载，取2.0kN/㎡。

⑤风荷载W，取当地十年一遇基本风压ω0=0.4KN/㎡，风压高度变化系数μz=1.53，风振系数取βz=1.5，体形系数μs=1.62，风荷载折算为线荷载施加在支撑架立杆上。

3.3.5.2 计算结果

1）变形情况

由计算可得：支撑架在标准作用下，水平向最大位移为22.58mm，竖向位移为14.18mm。支撑架高度为37.4m，22.58/37400=1/1650＜1/250，变形较小，满足规范变形要求，竖向变形也较小，能够满足安装精度要求。

2）应力情况

根据计算结果可知，支撑架构件最大应力比为0.85＜1.0，为顶部平台梁，其中立杆最大应力比为0.59，腹杆最大应力比为0.65，满足承载力要求。

3）整体分析

将支撑架当作一个构件进行整体承载力计算时，需考虑其承受的轴向压力荷载和弯矩荷载，其中最大轴向压力荷载设计值为：F=1.2D1+1.2D2+1.4L=1.2×179.2+1.2×954.0+1.4×12.5=1377.3kN。弯 矩 荷载设计值为支撑荷载的偏心和风荷载作用的组合值，即M=M1+M2，其中支撑荷载偏心弯矩设计值为M1=1.2×954×0.125=143.1kN·m，风荷载弯矩值M2按下图悬臂构件求得为：

按上述求得的轴向压力荷载和弯矩荷载，将格构支撑架按压弯构件进行整体承载力验算，经计算，该四边格构支撑架承载力能够满足要求。

3.4 深化校审

将计算结果、优化后模型及图纸提交设计单位进行二次安全校审，通过虚拟建造技术进行荷载计算，验算满足要求，审核通过后存档。

3.5 深化出图

基于BⅠM技术三维出图功能对设计单位审核通过的信息化模型进行出图，包括模型的支撑架体系布置图、各支撑脚点的三维坐标图，应在图中注释预留结构、施工顺序等详细施工内容，下发现场总承包、专业分包管理人员，各方现场责任工程师对现场进行确认，优化施工部署，保证交叉作业的合理施工。

4 效益总结

施工建造前对钢结构专业进行深化设计接口管理，将不同专业间构件布置的二维问题，利用BⅠM技术三维整合前置解决，并利用BⅠM安全分析软件进行虚拟建造分析、预估结构选型、多种方案模拟分析对比等，确定最优方案，并结合施工现场进度计划，合理安排施工顺序及专业间配合，避免单专业未优化方案在现场实施时出现返工及延误工期等问题，减少返工修改及拆除等情况，优化施工进度，完成质量安全管理目标。