“新基建”及智慧建造背景下工程施工技术理论应用与发展——基于复杂钢结构工程施工

魏鑫，欧德欣，包尊杰

（1.中海宏洋盐通公司，江苏 盐城 224001；2.东南大学土木工程学院，南京 210096）

1 引言

本文选择对目前国内已经使用和正在研究的相关智能化施工技术在钢结构施工过程中的应用，包括装配式、大跨度、空间复杂的钢结构工程项目，来对智慧建造背景下的工程施工技术理论及方法的应用做简要总结。针对这些施工技术的应用现状和发展目标，对今后的研究和应用前景做出相关展望。

2 装配式钢结构施工技术

装配式钢结构与传统钢结构相比具有施工工期短、节约成本、低污染等优点，它是重要的绿色建筑布局形式，国家也在大力推进装配式钢结构的发展。与此同时，装配式钢结构施工在很多方面与智能建造技术契合，也符合目前的智慧建造趋势。

钢结构的组成构件种类主要包括钢柱、梁钢、钢桁架、钢屋架等，可以广泛用于体育馆、民用设施、工业厂房等装配式钢结构中。但是，在现有装配式钢结构的全寿命建造过程，从构件生产出厂到现场吊装的环节，存在信息不对称现象，如现场的装配工人由于缺乏专业知识或相关培训，使得远程装配效果大大折扣，容易出现错装、漏装等现象，既不能保证施工质量，又缺乏安全保障。基于上述装配式钢结构施工的常见问题，目前国内有学者提出了基于二维码识别的构件智能装配辅助系统，即通过与互联网技术结合的为现场装配工人提供信息帮助，实现更全面地智能化装配过程[1]。

3 智能测量和监测传感技术

在钢结构施工过程的不同阶段中，都需要用到结构测量和监测技术，用于对施工高精度的把控和施工质量、效率的提升。特别是复杂和大跨度钢结构，在安装过程中对偏差的敏感性极强，测量精度对质量和安全有重大影响。

3.1 智能测量技术

目前，钢结构的智能测量技术主要包括地面拼装、高精度三维测量控制网布设、精准空中智能化快速定位、变形检测等施工环节。针对这几种不同的施工测量技术，目前在工程测量专业的仪器设备、数据传输处理等方面已经研发出更加智能精确的测量技术。测量仪器从传统的水准仪、经纬仪等已经发展到三维激光扫描仪、智能全站仪、无人机测量和卫星定位系统等，在数据传输方面已经实现基于IoT 技术的无线传输技术，测量数据处理系统已经从单一源升级到多源信息相融合的处理模式[2]。

钢结构的具体测量技术也在逐步向智能高效的方向在发展，主要采用了包括三维激光扫描技术、智能全站仪、近景摄影测量、多源数据整合等关键测量技术。以2019 年正式完工的北京大兴国际机场航站楼为例，其采用了BIM 全站仪、CORS、三维激光扫描、多源数据融合等测量技术，保障了该特大钢结构工程在施工安装时的高精度实时检测与调整。在整体的安装测量中，主要解决了通过高精度三维激光扫描技术来检测复杂构建的外形尺寸等重要指标，进而进行节点的三维快速定位，最终利用该技术得出结构的合龙过程中各分区空间的安装状态误差，实现了钢网架安装全过程的可视化效果。

3.2 智能监测传感技术

监测传感技术与测量技术之间有相似之处，但该技术主要是对钢结构在施工安装过程中的安全和质量状态进行监测，在复杂钢结构的施工过程中应用更甚。在该技术领域的研究进展中，李惠等[3]利用了焊接式光纤光栅应变传感器对国家游泳中心钢结构的施工及卸载过程进行应力应变的监测；钱嫁茹等[4]使用了BGK4000 型振弦传感器对北大体育馆屋盖进行了应力及变形等监测。但是这些研究都局限于对结构不利位置的直接监测，在可视化和智能化方面研究不足。基于这些研究结果，本文以红岛国际会展中心登录大厅钢结构施工过程中应用到的目前比较先进的智能传感技术为例，对智能监测传感技术进行简要叙述。

该结构包括了屋面管桁架以及外圈箱形悬挑梁2 部分，东西向长168 m、南北宽153 m，属于典型的大跨度钢结构。以钢桁架的监测系统为例，主要分为传感器设备和数据传输采集设备两大部分。传感器中，弦式应变计用于测量杆件应力，静力水准仪测量桁架内部的节点竖向位移；无线监测系统还包括了密封机箱、自动采集箱和无线传输模块等数据处理部分。在对监测杆件进行测点的布置之后，通过卸载过程及方案的分析实施，利用数据传输系统输入最新的有限元分析软件中进行数据处理，得到不同阶段卸载张拉完成的有限元模拟分析结果。通过对比张拉卸载过程中的实测结果可知，计算结果与实测结果十分吻合，也验证了现有智能控制技术的准确性。此外，该整体的智能监测传感系统还能够对结构的安全状态和质量状态进行评估，具有应用价值和研究前景。

4 BIM技术在钢结构施工过程中的应用

新基建的发展也离不开BIM 技术的支持。BIM 通过在工程的设计、建造、管理方面融入数字化方式，为施工过程提供了协同工作的基础，从而达到提高生产效率、节约建造成本和缩短工期的目标。

4.1 建筑专业BIM应用

在钢结构的建筑设计、施工领域，可以通过最新的一些BIM 软件对钢结构方案设计初期进行模拟，呈现真实环境下的外观效果，帮助施工过程中进行布局把控。同时，使用Revit、SAP 2000 等软件的结合，可以搭建出复杂的空间钢结构网架模型。例如，对建筑结构进行相应的参数化调整，可以通过软件的自动更新功能实现钢结构标高值的修改，在施工现场也能实时把控结构与模型的布局对比。

4.2 结构专业BIM应用

钢结构工程的施工难点很大程度上取决于具体的内部结构复杂度。例如，大型钢结构网架施工，为了保证中心网格结构计算模型的准确性，可以将Revit 模型单线图导入SAP 2000中进行整体计算，从而确定中心网格的结构杆件截面尺寸。如在福建省龙岩会议中心B3#楼施工案例中，通过计算分析采用圆形截面杆件从而避免方形杆件各向异性的应力集中现象，同时降低了节点间的焊接难度。除此之外，BIM 软件在有限元分析模拟中也大有作为。

4.3 机电专业BIM应用

在一些涉及机电专业建造的钢结构施工过程中，利用相应的软件进行机电专业建模，可以使BIM 模型和二维施工平面图同步完成。

在生成BIM 模型的同时可以生成轴测图，对于比较复杂、关键节点角度的钢结构工程而言，在完成平面2D 绘图的同时，通过三维立体的效果图，可对已绘制好的内容进行碰撞检测，检查哪些节点位置可能出现碰撞，以及对这些碰撞点的精确定位，这对于钢结构的施工过程尤为重要。此外，在完成模型调整和优化改进之后，可以在BIM 三维图中看到调整后的效果，实时地对调整是否合适做出及时的判断。

除却上述BIM 专业在钢结构工程施工进程中的应用，BIM 建造还能针对超高层钢结构实现全专业的协同设计，如土建一体化、机电一体化等。目前，在物流仓储钢结构智能建造的应用案例研究分析中，提到了关于BIM+VR 技术在钢结构工程中的应用。以京东集团亚洲一号天津东丽物流园项目为例，该技术主要应用在施工过程对钢结构吊装进行辅助模拟验算，采用Tekla 软件对主要钢结构及维护结构进行现场的深化设计，同时应用3D 打印技术对复杂精确度要求高的构件进行预拼装，对于施工精度和生产效率提高都有巨大帮助[5]。

在施工过程中，为保障施工质量，还可以提高VR 沉浸式虚拟验收技术对应用板件进行三维的空间测量、两点净空测量等实测方法，及时发现不同结构或专业中存在的问题，利用移动终端数据模型进行构件数据和问题照片的实时动态查询，辅助施工验收人员的验收。同时，还可以进行现场的施工人员安全教育，帮助他们虚拟使用钢结构相关的施工器具，使得施工过程更加规范化和安全化。

5 未来展望

首先，是数字孪生技术。数字孪生技术的发展也是国家目前对推动交通运输基础设施的新要求。对于钢结构在交通领域的应用，最主要的对象就是钢结构桥梁，也属于典型的大跨度结构。数字孪生技术虽然最早是由美国在航天飞行器的健康检测领域所提出的，但是其原理在于通过虚实信息交互的接口将实际的物理模型与虚拟的数字模型关联起来，从而使得实际的模型变化映射到虚拟的数字模型中，建立起与物理实体完全等价的信息模型，可以基于数字孪生体对物理实体进行仿真分析和优化。

其次，是空、天、地一体化的泛在感知技术。该技术依赖于通过各类先进传感装置，构建空、天、地多维度的泛在感知网络，为区域钢结构工程施工、监测、预警、安全提供广覆盖、多层次、全维度数据基础。作为目前智能监测和测量技术的数据升级，泛在感知技术可以突破单一维度感知的信息盲区，为大跨度钢结构智慧建造提供全面、精准的数据支持，同时配合项目施工的材料、设备、人员动态感知数据库，推动区域建造的智能施工、结构监测、危险预警、安全生产的一体化以及精准化发展。

最后，针对钢结构的智能施工技术在很大程度上也是可以和传统的木结构、钢筋混凝土结构相结合的。例如，无人机、监测传感、大数据技术等，都可以实现在诸如水利设施、高地站房、综合管廊、电力设施等建设领域中的应用。将某一建筑领域的智慧建造技术推广到整个建筑业中去，才能真正实现智慧基础设施的美丽愿景。