基于BIM技术的大型钢构件模拟吊装施工工艺

摘要：针对大型钢结构构件吊装中难以准确判断机械站位及最佳吊装路径等问题，本文通过对吊装设备和结构构件进行参数化设计，利用BIM技术对吊装过程进行精确的施工模拟，从而确定出吊装机械的现场最佳布置位置、最佳吊装路径，以辅助吊装设备选型。此外，对大型钢结构构件进行合理分段，对分段后的钢柱、钢梁进行受力分析、模拟吊装，确定出合理的吊装位置，并优化支撑布置。

关键词：BIM技术；大型钢构件；模拟吊装

一、概述

钢结构建筑正伴随着我国城镇化建设步伐的加快而快速崛起［1］，施工机械化水平的提高更使得大型钢结构构件在工程中运用得越来越多，而且结构形式越来越复杂，使得现场吊装施工难度加大，吊装技术成为影响钢结构工程质量的重要因素。传统吊装方法无法准确得知吊装机械的现场最优站位，且对大型钢构件的最佳吊装位置无法预知。

BIM技术是以三维数字技术为基础，集成了各种相关信息的工程数据模型，可以为设计、施工和运营提供相协调的、内部保持一致的并可进行运算的信息［2］。本文利用BIM技术对施工吊装设备（如：塔吊、汽车吊等）和结构构件进行参数化设计，以辅助吊装设备选型，确定出最佳机械站位、吊装路径，并对吊装的全过程进行三维可视化模拟，合理对钢柱、钢梁进行分段，优化支撑布置，最大程度地排除吊装过程中的不确定性，可以有效地指导现场施工。通过对大跨度钢梁吊装等方案进行可视化演示模拟，进一步加强了BIM技术对于现场施工的指导，确保了对施工安全和质量的管理控制［3］。

二、工程概况

BIM技术在钢结构工程中的推广，需要应用BIM技术做好对施工现场的管理工作［4］，现以呼和浩特市文化客厅建设项目施工管理为例，对基于BIM技术的大型钢结构构件模拟吊装施工工艺进行介绍。呼和浩特市文化客厅建设项目是呼和浩特市重点工程，同时也是呼和浩特市的地标性建筑和窗口工程。地上建筑由四个弧形楔形单体组成，各单体建筑分别为图书馆（1#馆）、档案馆和民俗文化展示馆（2#馆）、内蒙古方志馆和民族青少年宫（3#馆）、演艺中心（4#馆）。地上结构总高43.2米，地上结构为钢结构框架+支撑体系，地下室采用钢筋混凝土框架剪力墙结构。

三、工艺原理

根据设计图纸建立统一的标高和轴网，在AutodeskRevit软件中建立混凝土结构模型，在Tekla软件中建立钢结构模型，将混凝土结构模型和钢结构模型导入Navisworks软件中并准确拼合在一起进行施工模拟。利用吊装设备（塔吊、汽车吊等）和结构构件的设计参数，在经过多次调整后，确定出吊装机械的现场最佳布置位置。针对部分大型钢结构构件进行适当分段，合理、分批次吊装。对分段后的钢柱、钢梁进行受力分析、模拟吊装，确定出合理的吊装位置，并优化支撑布置。

四、操作要点

在结构模型建立阶段，要依据设计图纸分别在AutodeskRevit、Tekla中创建相同的标高轴网系统，以保证建立的混凝土结构模型和钢结构模型能够在空间位置上准确拼合。创建模型时，要注意构件参数输入的准确性，这是保证后续进行准确的施工模拟的必要条件。

建筑信息模型将数字技术直接应用于建筑工程中［5］，在将混凝土结构模型和钢结构模型导入Navisworks中进行钢结构吊装仿真模拟前，可以应用BIM技术信息数据之间的共享功能，将Tekla创建的钢结构三维模型导入至AutodeskRevit中与混凝土结构三维模型进行整合，然后进行三维漫游检测，确保钢结构与主体结构之间能够精确对接。

（一）模拟施工平面布置

依据设计图纸建立相应的BIM模型，输入相应的构件参数，根据已建立的BIM模型和确定的构件参数，对机械吊装覆盖范围进行模拟。对大型机械采取最优选型和布置，应用此方法，将11台塔吊优化为8台塔吊。具体施工平面布置方法如下。

钢结构施工总体分为两个施工阶段，分别为“地下室钢结构施工阶段”和“地上钢结构施工阶段”。现场构件车道路为环路，满足吊车及构件车行走要求。地下室钢结构施工阶段平面布置如图1所示，地上钢结构施工阶段平面布置如图2所示。

经BIM模拟分析，本项目地下室钢结构施工阶段和地上钢结构施工阶段采用6台80m臂长的塔吊配合土建2台60m臂长的塔吊可以满足现场施工要求，同时可覆盖整个地下室区域。中央部分由于仅有地下室，且为一层混凝土结构，地上钢结构施工阶段可以拆除配合土建施工的2台QTZ6015型塔吊，仅考虑4个塔楼使用6台80m臂长的塔吊即可满足现场施工要求。

（二）吊装设备的模拟选型与布置

依据设计图纸建立相应的BIM模型，输入相应的构件参数，根据已建立的BIM模型和确定的构件参数，对构件的重量和机械吊装工况、覆盖范围进行模拟。对大型机械采取最优选型和布置。应用此方法，辅助吊装机械选型如下。根据现场平面布置已确定为80m臂塔吊6台和60m臂塔吊2台可覆盖整个施工区域，考虑项目钢结构吊装使用塔吊。结合国内外塔吊型号的比选和钢结构吊重分析，80m臂塔吊采用中联重科厂家生产的D110063型塔吊，以安装地下室和地上部分钢结构，60m臂塔吊采用中联重科厂家生产的QTZ6015型塔吊，配合地下室结构土建施工。部分构件超出塔吊吊重范围采用QY160K汽车吊配合吊装。

（三）钢柱模拟分段及吊装分析

依据设计图纸建立相应的BIM模型，根据大型机械的选型和布置，对机械吊装工况进行模拟分析，确定吊装最不利位置，并对该不利位置的结构进行合理的分段。对吊装不利位置钢梁，按照分段后的钢梁荷载重量，确定最优支撑布置方案，降低现场措施投入。以呼和浩特市文化客厅建设项目1#馆（图书馆）为例，钢柱分段如下。1#楼有4种标高类型的钢柱，局部钢柱从下至上截面逐步减小，均为圆管柱，截面尺寸为A1200×50～A800×30，每层钢柱数量为89～106根，根据塔吊性能对1#楼钢柱进行分段。地下室钢柱分段为1层1段；地上钢柱除GKZ1、GKZ8、GKZ9、GKZ8a、GKZ9a、GKZ6、GKZ13为2层1段外，其余钢柱为1层1段，分段位置均为梁顶标高+1.3m处。钢柱采用塔吊吊装，局部钢柱超过塔吊起重性能，采用QY160K汽车吊辅助吊装。

根据分段后的荷载，对塔吊吊重进行模拟分析：1#塔吊在68～75m作业半径范围内，钢柱最大分段重量为10.1t，D1100塔吊在68m作业半径时，额定起重量达10.67t＞101t；塔吊在62～68m作业半径范围内，钢柱最大分段重量为12.2t，D1100塔吊在62m作业半径时，额定起重量达13.61t＞12.1t；塔吊在62m作业范围内，钢柱最大分段重量为12.8t，D1100塔吊在62m作业半径时，额定起重量达13.61t＞12.8t。均满足要求。2#塔吊在62m～73m作业半径范围内，钢柱最大分段重量为10.1t，D1100塔吊在73m作业半径时，额定起重量达11.05t＞10.1t；塔吊在62m作业范围内，钢柱最大分段重量为12.8t，D1100塔吊在62m作业半径时，额定起重量达13.61t＞12.8t。均满足要求。

（四）钢梁模拟分段及吊装分析

根据施工机械布置情况分析钢梁均自然分段后整段吊装到位；局部共有10根大跨钢梁需要分两段吊装；5根大跨钢梁分三段吊装。

经模拟可知：1#塔吊在73m作业半径范围内，钢梁最不利吊重为8.8t，D1100塔吊在73m作业半径时，额定起重量达11.05t＞8.8t，满足要求，其余钢梁均在塔吊起重性能范围之内；2#塔吊在60～73m作业半径时，钢梁最大重量为92t，D1100塔吊在73m作业半径时，额定起重量达11.05t＞9.2t；在50～60m作业半径时，钢梁最大重量为11.4t，D1100塔吊在60m作业半径时，额定起重量达14.19t＞11.4t；在50m作业半径范围内，钢梁最大重量为16.2t，D1100塔吊在73m作业半径时，额定起重量达17.14t＞16.2t，满足要求，其余钢梁均在塔吊起重性能范围之内。

局部钢梁因超过塔吊起重性能及起重范围，在结构外围采用汽车吊进行吊装。选取吊装工况最重、最不利的GKL20（22.7t）进行吊重分析：选用型号为QY160K的汽车吊进行吊装，采用44.6m主臂工况，在汽车吊14m作业半径时，额定起重量为25.2t＞22.7t，满足吊重要求，如图3所示。

五、效益分析

基于BIM技术的钢结构模拟吊装施工工艺可以准确得知吊装机械的现场最优站位，能够预先分析得知大型钢构件的最佳吊装位置。

本文运用BIM技术对吊装设备（塔吊、汽车吊）和结构构件进行参数化模拟吊装，辅助吊装设备选型，确定机械站位、吊装路径，并对吊装全过程进行可视化模拟，合理对钢柱、钢梁进行分段，优化支撑布置，最大程度地排除吊装过程中的不确定性，可以有效指导现场施工。

运用此施工工艺，呼和浩特市文化客厅建设项目成功地将初步施工设计时拟布置的11台塔吊优化为8台塔吊，实施效果良好。钢结构现场吊装工作一次成优、顺利进行，降低现场设施投入，减少不必要的浪费，也得到了各参建单位的一致好评，取得了良好的经济效益、社会效益。

（一）经济效益

最初阶段：塔吊选型选用4台D80042塔式起重机、4台STL720动臂式塔式起重机和3台QTZ5015塔吊进行材料的水平、垂直运输，共计11台。采用BIM技术对本工程钢结构进行模拟吊装分析，现采用6台D110063型塔吊和2台TC6015型塔吊进行材料的水平、垂直运输，共计8台，全面覆盖整个场区。

D80042塔式起重机进出厂费30万/台，月租费16万/月/台；STL720动臂式塔式起重机进出厂费35万/台，月租费23万/月/台；QTZ5015塔吊出厂费6万/台，月租费3万/月/台；D1100型塔吊出厂费25万/台，月租费14.5万/月/台；TC6015型塔吊进出厂费7万/台，月租费3.6万/月/台。

本工程通过采用BIM技术模拟钢结构吊装施工，节约成本，按照塔吊使用时间为7个月，最初阶段塔吊机械费用为30×4+16×4×7+35×4+23×4×7+6×3+3×3×7=1433万元。而优化后，塔吊机械费用为25×6+14.5×6×7+7×2+3.6×2×7=823.4万元。经济效益为：1433万元-823.4万元=609.6万元。

（二）社会效益

基于BIM技术的大型钢构件模拟吊装施工工艺，为整个项目从整体上节约了社会资源，极大地降低了社会能耗，促进绿色建筑的发展，符合建设低碳、环保型社会发展的需要，并树立企业的良好形象，得到各参建单位及社会各界的广泛好评。

结语

应用基于BIM技术的大型钢构件模拟吊装施工工艺，根据已建立的BIM模型和确定的构件参数，对构件的重量和机械吊装工况、覆盖范围进行模拟，从而实现对大型吊装机械的最优选型和最佳布置。应用基于BIM技术的大型钢构件模拟吊装施工工艺，合理对钢柱、钢梁进行分段，优化支撑布置，降低现场措施投入，取得了良好的社会效益和经济效益，得到了建设单位、监理单位等参建单位的一致好评，为今后大型钢构件模拟吊装施工开拓了思路、提供了范例。

参考文献：

［1］赵金龙.BIM技术在钢结构工程建设阶段的应用［D］.2016.

［2］李昂，石振武.BIM技术在建筑工程项目中的应用价值［J］.经济师，2014（1）：6264.

［3］曹乐，肖婧，姚金杰，等.BIM技术在长江传媒大厦项目中阶段性应用（一）［J］.土木建筑工程信息技术，2014，6（02）：8083.

［4］彭伟.BIM技术在钢结构工程中的应用研究［J］.四川水泥，2015（12）：103.

［5］刘占省，赵明，徐瑞龙.BIM技术在我国的研发及工程应用［J］.建筑技术，2013，44（10）：893897.

作者简介：薛志林（1992—），男，汉族，内蒙古包头人，硕士，助教，主要从事双目立体视觉测量技术、建筑施工技术等研究。