基于BIM技術(shù)的預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)全過程施工控制

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　　1.預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)特點及難點

　　隨著拉索材料性能的改善、計算方法的進步和預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)的提高，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程中最活躍最具有發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)體系之一。結(jié)構(gòu)形式主要有張弦梁、張弦桁架、弦支穹頂、弦支筒殼、弦支網(wǎng)架和索穹頂?shù)?，已在體育場館、火車站房、航站樓和飛機庫等建筑中得到了廣泛應(yīng)用。目前空間結(jié)構(gòu)正向著輕量、超大跨方向發(fā)展，如已建的盤錦體育場和待建長春體育場(見圖1和圖2，跨度均大于260m，懸挑均在42米左右)等便是順應(yīng)這種趨勢產(chǎn)生的一種新的結(jié)構(gòu)形式。 

　　圖1 盤錦體育場

　　圖2 長春體育場

　　該類結(jié)構(gòu)通常也給施工帶來下難點和問題：

　　(1)具有跨度大、懸挑長、體系受力復(fù)雜、預(yù)應(yīng)力張拉難度大、影響結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量因素多等特點。

　　(2)傳統(tǒng)的建筑模型的建立和施工控制技術(shù)已不能滿足其施工過程中力學性能預(yù)測與施工過程安全控制的需要。

　　(3)如何合理的安排施工和進度，如何控制施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)始終處于安全范圍內(nèi)，都是目前預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)迫切需要研究的內(nèi)容與技術(shù)。

　　近年來，BIM技術(shù)、仿真分析技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)在建筑的施工過程中得到了廣泛的應(yīng)用。為了滿足預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)的施工需求，把上述技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)學科交叉，建立一套完整的全過程施工控制及監(jiān)測技術(shù)，從而保證結(jié)構(gòu)的合理安全施工。

　　2. 應(yīng)用BIM技術(shù)的必要性

　　預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在施工過程中，由于其不可逆性，如果施工控制不合理，都有可能引起經(jīng)濟損失和人員傷。因此，針對預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)的特點，開展基于BIM的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工全過程控制及監(jiān)測成套技術(shù)研究，是非常有意義和必要性的。具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

　　(1)預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)通常空間形體關(guān)系復(fù)雜、形式多樣，項目施工方案的制定和選取、施工進度的控制和安排、協(xié)調(diào)溝通方案及修改都成為技術(shù)難點。而BIM技術(shù)能簡化分析過程，對施工過程的安全性能進行連續(xù)動態(tài)地分析和4D可視化模擬，并能實現(xiàn)設(shè)計和施工階段的信息交換和共享，具有準確、快捷和及時性。

　　(2)采用先進的全過程施工控制方法和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析手段，對結(jié)構(gòu)施工全過程進行仿真分析。模擬在施工過程中不同時段的力學性能和變形狀態(tài)，全面了解結(jié)構(gòu)施工過程中內(nèi)力和變形等的演化規(guī)律，初步確定施工控制的階段控制目標，作為施工控制可操作性的依據(jù)。

　　(3) 近年來建筑安全事故不斷發(fā)生，人們防災(zāi)減災(zāi)意識也有很大提高，所以建筑結(jié)構(gòu)全過程施工控制及監(jiān)測研究已成為國內(nèi)外的前沿課題之一。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工階段的風險率很高，對施工過程進行實時施工監(jiān)測，可以及時了解結(jié)構(gòu)的受力和運行狀態(tài)。監(jiān)測技術(shù)的先進合理與否，對施工控制起著至關(guān)重要的作用，開展基于BIM技術(shù)的三維可視化動態(tài)監(jiān)測技術(shù)則能順應(yīng)需求，也是施工過程信息化的一個重要內(nèi)容。

　　綜上所述，BIM技術(shù)、監(jiān)測和全過程施工控制技術(shù)是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)合理和安全施工的保障，如果三者結(jié)合起來將會相得益彰。所以開展此方面的研究，能為施工提供新的安全技術(shù)手段和管理工具，能夠提高建筑施工安全管理水平，促進和適應(yīng)新興建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

　　3.預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)全過程施工控制主要內(nèi)容

　　(1)研究BIM技術(shù)在預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用，基于BIM平臺，以實際工程為例，定義與施工過程和時間相關(guān)信息，建立3D施工過程模型;

　　(2)以施工進度為時間維度，編制相應(yīng)的擴展數(shù)據(jù)接口，建立4D信息模型和4D施工管理系統(tǒng);

　　(3)基于ANSYS平臺，進行施工全過程仿真分析二次開發(fā)，確定適應(yīng)施工全過程控制的目標體系，建立施工全過程仿真分析系統(tǒng);

　　(4)開發(fā)相應(yīng)程序把基于BIM技術(shù)建立的4D施工管理系統(tǒng)引入施工全過程仿真分析平臺中，并和監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)有效結(jié)合起來，最終形成施工全過程控制系統(tǒng)，見下圖3。

　　圖3 全過程施工控制系統(tǒng)技術(shù)路線圖

　　4.結(jié)語

　　針對盤錦體育場、徐州奧體中心體育場等實際大型預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)工程的需求，北京市建筑工程研究院BIM技術(shù)中心在此方面開展了大量的BIM技術(shù)研發(fā)及實踐工作。通過發(fā)揮科研單位的特長，依托北京市博士后基金項目 “基于BIM的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)全過程施工控制及監(jiān)測技術(shù)研究”，把BIM技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析、施工控制與監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，開展了成套技術(shù)研究，實現(xiàn)了學科技術(shù)交叉。

　　后期，作者將會把徐州奧體中心、盤錦體育場等工程的BIM實施目標、技術(shù)路線、結(jié)構(gòu)參數(shù)化分析、動態(tài)模擬、施工控制與三維可視化監(jiān)測技術(shù)等BIM方面的應(yīng)用與大家一一分享。

　　北京市建筑工程研究院BIM技術(shù)中心 劉占省