基于BIM技術的鋼構件制造與裝配

郭增鋒

山西四建集團有限公司（030000）

鋼結構工程在設計階段，設計深度普遍不夠；需將設計進行二次拆分，生成加工圖，在工廠加工完成后進入現場安裝。利用BIM技術按照設計圖紙，調用“構件庫”和“節點庫”進行三維建模，錄入構件、節點的參數信息，在利于構件節點深化設計的同時，還可利于鋼結構工程的可視化與信息管理。在組裝階段為進一步保證構件的加工精度，應進行模擬精度校核，為現場安裝精度創造基礎條件。

1 基于BIM技術的高精度制造技術

1.1 深化設計

選用TeklaStructures2018完成上部鋼結構部分模型的建立工作，根據運輸、吊裝設備等條件在軟件中對構件進行合理的分段，開發適用于項目的專用參數化節點，在Tekla中建立深化設計的模型?；銥檎?，以統一標準進行深化表達，深化設計完成后可利用軟件輸出部件加工圖、材料清單、零件清單等用于加工制作的報告。

1.1.1 模型及構件規格庫的建立

首先在軟件中建立統一的軸網，結合軸網根據結構施工圖紙中鋼梁、鋼柱、支撐及樓梯等部件的位置關系將整體模型建立起來。根據結構所用的構件規格在軟件中建立相應的構件規格庫，統一定義構件前綴號（如將鋼柱定義為1－GZ*X，則表示該柱為編號為X的第一節鋼柱），以便后續軟件在自動編號時能區分各構件的名稱，使工廠加工和現場安裝更合理方便、省時省工。校核軸網、鋼柱、鋼梁及支撐間的相互位置及坐標是否準確。

1.1.2 構件分段及節點設計

根據施工圖、構件運輸條件、現場安裝條件及工藝等方面的要求，對各構件進行合理分段。根據各種因素綜合考慮，本實驗樓中的鋼柱兩層分為一段，柱間鋼梁為一段。

在將鋼柱進行合理的分段后，對節點的具體形式進行設計，如內置節點類型不能滿足要求，可以開發適用于項目的專用節點，通過對所需節點進行明確性的描述開發專用的參數化節點。

通過選擇所需的節點形式，依次點擊鋼柱、鋼梁來完成對梁柱節點的定義，根據梁柱節點上螺栓放置、焊縫設置等信息對節點屬性進行修改，從而將梁柱節點的具體形式在模型中表達出來[1]。

1.1.3 模型校核及節點計算

由專人對模型的準確性、節點的合理性及加工工藝等各方面進行校核。運用軟件中的校核功能對整體模型進行校核，防止各鋼構件間出現碰撞。通過模型的校核解決了設計圖節點沖突，提前解決安裝過程中可能出現的問題，使工程能夠順利施工。

1.1.4 構件編號

模型校核后，運用軟件中的編號功能對模型中的構件進行編號。軟件將根據預先設置的構件名稱，把同一種規格的構件編號統一編為同一類，把相同的構件合并編為同一編號。編號的歸類和合并更有利于工廠對構件的批量加工，從而減少工廠的加工時間，同時有利于安裝，使操作人員更好地識別各構件的安裝位置及安裝方向。

1.1.5 生成報表

使用Tekla生成報表的功能，可以根據需要生成不同類型統計信息的報表。使用狀態編號的功能，將已經完成的一部分深化圖紙輸出用來指導制作，在項目趕工期階段非常方便。軟件可根據構件類別、長度等信息進行統一的歸并處理，也可根據需求輸出構件數量、用鋼量等關鍵信息。工廠應根據生成的加工圖下料及制作構件。

點擊生成報告按鈕，選擇meterial list為材料清單，選擇assembly list為構件清單，選擇assembly_partlist為構件零件表，選擇bolt list為螺栓清單。此外，軟件還提供了很多可供選擇的報表。如報表的信息不能滿足需要，還可以通過修改報表的模板來添加長度、表面積等所需展示在清單中的信息。以第三節編號為A-3GZ-1的鋼柱為例介紹加工圖紙及材料表信息的輸出功能。

1.2 板件下料

利用Sino CAM數字化加工軟件，可從BIM模型中直接提取原始的加工數據信息，通過二次開發的企業物料數據庫，調用工廠的庫存物料信息進行排版套料。利用BIM軟件進行套料加工，可有效利用企業的庫存物料，達到節約經濟的目的。

1.3 高精度組裝

在板件組裝階段，應用搭載IN-CHECK檢測系統的高精度全站儀進行相鄰連接點的數據采集，在IN-ANALY系統中進行精度擬合，分析得出焊接間隙，提高構件組裝精度。構件出廠前，應用IN-ASSEM軟件進行安裝單元構件的虛擬校核，提前在工廠進行修正，提高結構整體裝配精度。

2 施工模擬分析

高層鋼結構建筑在施工過程中，鋼結構構件的應力狀態隨施工過程不斷變化且受力情況復雜，在不同的施工階段結構的剛度、荷載等都不盡相同。目前，多數結構工程師一般都不會將施工過程和施工順序對結構內力、位移的影響考慮到設計環節當中。隨著工程的大型化、復雜化，不同的施工順序對結構的內力和變形的影響都不容忽視。如果不對結構的施工過程進行模擬分析，則會造成在施工過程中的受力及變形狀態與設計狀態差距較大，從而在施工階段就埋下了不安全隱患。

2.1 模型建立

2.1.1 材料定義

對于定義構件及結構的材料屬性，Midas/Gen基于各國家及地區的規范、估算公式提供了豐富的材料選擇界面，同時也可以利用材料自身的屬性進行指定，諸如材料的彈性模量、抗拉（壓）強度等級、線膨脹系數等都支持用戶自行輸入。

該工程混凝土標號用到了C60、C30，鋼結構部分主要應用的鋼材有Q355。這些材料的設置都是采用軟件里的中國規范自動定義的，結構中選用的復合材料是根據材料的屬性用戶自定義設置的。其中鋼管混凝土材料通過軟件自帶的組合材料功能模塊定義。

2.1.2 截面定義

Midas/Gen內置了豐富的截面選擇功能。較常使用的矩形、圓形、工字型截面，鋼管混凝土組合截面，型鋼組合截面，變截面等形式都可以通過軟件直接建立。若內置截面滿足不了要求，也可使用軟件內的小程序Midas/SPC進行二次開發。

2.1.3 節點和單元定義

Midas/Gen中包括了梁單元、墻（板）單元、索單元、平面應力單元、桁架單元、只受拉單元等多種單元形式。文章中模型主要使用了梁單元，鋼管混凝土柱通過軟件中的擴展功能建立，矩形支撐可以桁架單元或者釋放梁單元兩端彎矩進行建立，本模型通過釋放梁單元兩端彎矩建立支撐單元。

2.1.4 定義邊界條件

節點的約束和單元的約束是邊界條件的兩種約束形式，其中節點的約束是通過限制節點自由度、節點間彈性連接和支撐等幾種方式實現邊界約束條件。單元的約束則是通過剛度釋放、單元的端部偏移及剛性域等方式實現邊界約束條件。有限元結構模型底部的邊界條件采用約束空間6個方向的自由度，通過約束節點的方式來定義剛性連接。假定樓板平面剛度無限大，可忽略平面外的剛度，不考慮樓板對梁的剛度放大作用。

2.2 施工模擬分析結果

2.2.1 最大位移對比

由上述一次性加載與施工模擬分析的位移圖和梁單元應力圖對比可知，一次性加載下，位移圖呈現出自底層至頂層逐漸增大的趨勢，位移最大出現在頂層位置。采用逐層加載的施工模擬加載法的位移圖則呈現出“中間層大，兩端小”的魚腹型變化趨勢，最大位移出現在結構的中間層。這與分段加載法施工模擬理論相對應[2]。

一次性加載下最大位移為47.56mm，施工模擬最大位移為24.05mm，差距為49.43%?？梢?，一次性加載與施工模擬加載的差距不容忽視。一次性加載法并未考慮實際施工過程中逐層找平的影響，與結構施工過程的真實情況并不符合。產生這種差距的主要原因有兩方面，一是荷載是一次性加載在結構上的，每一層的荷載引起本層及以下層變形的同時也會引起上層結構的變形。二是施工過程中，各層標高沒有對下面樓層的變形進行補償，此情況對樓層的實際標高與設計標高的差值也會產生影響。

2.2.2 梁單元應力對比

由于一次性加載過高地估計了構件的內力，導致計算結果偏大，過高估計結構的內力則會導致在設計過程中截面材料的浪費，因此建議將施工模擬成橋之后的內力分析結果作為彈塑性分析的初始狀態。

2.2.3 主體鋼結構支座反力對比

經過對比分析，一次性加載與施工模擬得出的結構支座反力具有明顯的數值差異。節點的彎矩對比差高達69.44%。初步分析認為，過大的原因可能由于基數過小，一次性加載下節點僅有36kN·m，從而導致對比差數值較大。其余節點一次性加載與施工模擬的對比差在4.42%～22.14%。由對比數據可以得出，施工模擬較一次性加載，支座反力與彎矩均有偏小的情況。由于施工模擬是逐層加載的，更符合實際施工中的狀態。

2.2.4 鋼管混凝土柱豎向變形對比

施工過程中，豎向構件的豎向位移對非結構構件有著不利影響。過大的豎向變形會導致結構產生附加應力且引起墻板開裂、幕墻管道損壞及電梯受損問題，嚴重時會導致結構失效，造成巨大的經濟損失，因此對鋼管混凝土柱的豎向變形進行研究是非常必要的。選取4根具有代表性的鋼管混凝土柱，在Midas/Gen中提取一次性加載與施工模擬豎向變形結果，進行對比分析。

由一次性加載與施工模擬豎向位移對比可知，鋼柱施工模擬加載下豎向變形均呈現出魚腹型變化趨勢，相對于一次性加載的豎向最大變形值均差在2倍左右。施工模擬加載制度下，中柱豎向變形值最大，角柱和邊柱豎向位移值相對較小。

可見，一次性加載與施工模擬加載計算得到的鋼柱豎向變形最大值發生的位置不同，最大豎向位移值差距均在2倍左右，最大截面柱的豎向變形相對較小，中間柱的豎向變形值較大。因此，在施工過程中，應重點監測中間柱及邊柱的豎向位移，并在施工過程中及時進行找平處理，對于大截面柱的豎向位移因結果偏小可以簡單監測。

2.2.5 豎向構件預找平值計算

第i樓層段構件的預找平值為:

式中:Δi——建筑竣工時第i樓層段構件的豎向變形值；ωi——第i層荷載作用下引起的第i樓層段柱的豎向變形值；Δi——第i樓層段構件的預找平值。

柱的ωi值經計算得到的各柱預調平值見，δi及ωi可在Midas/Gen軟件中提取得到。

經分析得出，柱的預找平值大致呈現出隨樓層號的增加而逐漸減小的趨勢。這表明各柱在結構底部樓層的預找平值較大，隨樓層的升高呈現減小趨勢，在結構最頂層的預調平值最小或無需進行找平。為方便施工，建議可不進行找平工作。由于柱的預找平值相對較大，但每層的找平數值并不大，建議在構件制作時可考慮分段進行構件下料長度的調整。

3 基于BIM的垂直運輸設備附著

考慮高層用塔吊型號較大、高度較高的情況，提前根據設備廠家提供的反力分析塔吊附墻對結構的影響，需要對框架結構進行加固，保證整個結構安裝過程安全可靠。通常采用的加固方式為連接位置鋼柱、鋼梁及上一層鋼梁之間加支撐，考慮到施工方便及用鋼量，可采用等邊角鋼進行加固。

4 結語

通過對裝配式鋼結構構件基于BIM制作技術進行研究，同時結合虛擬預拼裝系統進行構件制作階段的虛擬復核，提高了構件制作精度，實現BIM技術的逆向應用，為鋼構件在施工現場快速裝配提供精度基礎，同時縮短了現場構件驗收時間。

通過分段加載法對實際工程進行施工模擬分析，對比一次性加載法與分段加載法下的節點位移、單元應力及支座反力等指標的差異，驗證高層鋼結構建筑進行施工模擬分析的必要性。選取具有代表型的鋼柱、角柱、邊柱、中柱，計算其各自的豎向變形并進行分析研究，實現鋼構件的高精度安裝。