南昌高铁站房空间网架结构BIM施工模拟技术研究申家海 (中铁建设集团有限公司， 北京 100041) 摘 要：针对工程工期紧、技术要求高、交叉施工难度大、胎架滑移碰撞冲突等问题，项目部引进BIM技术，运用Revit软件建立空间网架及胎架三维可视化模型进行施工过程模拟。应用BIM技术，对南昌高铁站房提出两种施工方案进行模拟、对比分析，并提出了施工过程中胎架滑移碰撞及轨道铺设洞口问题解决方法。该项目成功运用BIM技术，在施工阶段做到空间指导施工，可视化技术交底，避免了返工和施工错误的产生，缩短了工期，节约了成本。 关键词：空间网架； 胎架滑移； BIM技术； 碰撞冲突； 经济效益 BIM为“建筑信息模型”的简称，它通过建立数字化的BIM参数模型，涵盖与项目相关的大量信息服务于建设项目的设计、建造安装、运营等整个生命周期。近年来建筑业大力推广BIM技术的运用，项目信息化的现代管理新体系和先进的BIM技术手段被引入建筑业，其影响也越来越广泛。目前，BIM技术在国内大型项目中成功应用的案例很多，如福州海峡奥体中心、世博会德国馆、合肥国际滨湖会展中心等，应用BIM技术成为建筑行业必然的趋势[1-2]。 随着国内大型公共建筑快速发展，网架结构以其空间受力小、质量轻、刚度大、抗震性能好等优点被广泛用于体育场、展览馆、高铁站房、影剧院、飞机场等建筑屋盖。而这些大型地标性建筑通常都有施工工期紧、网架结构跨度大等特点[3]，需要进行立体交叉作业才能保证工程如期交付使用。目前大型钢结构胎架滑移施工过程主要面临如下挑战[4-5]：1)在施工过程中因结构失去平衡、发生倾覆或倒塌；2)移动式脚手架在滑移过程中与周围实体发生干涉与碰撞；3)施工环境影响因素多，立体交叉施工导致滑移胎架周转不方便。 本项目具有网架面积大、安装位置高、空间结构复杂等特点，又存在新旧高铁站房交叉施工的情况，故滑移施工受周边环境影响较大，而BIM技术在三维直观模型表现、建筑模型深化设计、碰撞冲突检查、施工现场合理布置、施工动态模拟等方面具有优势[6-7]，故可将其应用于该项目网架结构的施工过程中，在施工阶段做到空间指导施工，可视化技术交底，避免返工和施工错误的产生，实现快速精准施工。 1 工程概况新建九江至南昌城际铁路工程位于江西省南昌市西湖区，集城市轨道、长途汽车、公交、出租车和社会车辆等多种交通设施及交通方式为一体的客运综合交通枢纽。站房面积8 160 m2、候车厅总面积12 450 m2。新建南昌站高架候车室总长132.8 m，宽109.2 m，主体结构采用RC框架结构，东站房南北宽40 m，东西全长204 m，地上5层，总高度25.6 m，屋面采用螺栓球网架结构，平面投影为长方形。 钢网架采用螺栓球节点正放四角锥网架，多柱点支撑，平面投影尺寸40 m×180 m，分为A、B、C三个区(图1)，A、C区网架顶标高+21.450 m，底标高+18.600 m，B区网架顶标高+27.965 m，底标高+24.900 m。网架平面尺寸：A、C区35 m×47.2 m，B区40 m×82.7 m，B区比A、C区宽5 m。站房内部空间呈阶梯形式，B区网架下部标高比A、C区高6.3 m(图2、图3)。  图1 网架平面示意  图2 侧立面  图3 项目三维视图 基于以上工程特点，本项目采用胎架滑移法施工，在一层平面和+7.950 m标高处上面敷设滑移轨道，用以搭设滑移型钢平台，在平台上搭设胎架(脚手架平台)作为网架安装平台，从而是实现滑移胎架，重复上述流程完成全部网架安装。 2 工程实施难点2.1 工期紧,工程质量要求高 南昌站高铁站房位于江西南昌市西湖区，集城市轨道、长途汽车、出租车和社会车辆等多种交通设施及交通方式于一体的客运综合交通枢纽。如何在此短工期内，减少设计变更带来的经济损失和工期延误，并保证工程质量成为施工最大的难题。 2.2 工程量大，空间结构复杂 该项目工程规模庞大，主体结构采用混凝土柱、型钢混凝土梁和普通混凝土梁的框架结构，商业夹层采用混凝土框架结构，空间结构上存在高度差、宽度差，且网架结构具有跨度大、构件重、安装位置高等特点，故对于高大支架的搭设是本工程难度之一。若用传统施工方法施工费时且工作量大，因此合理搭设胎架直接关系到安装质量、工程进度、降低造价的重要环节。 2.3 人流量多,交叉作业难度大 南昌铁路站房改造工程位于人流量比较大的重要交通枢纽处，在工期紧、工程量大的情况下所需立体交叉作业多，所以胎架滑移过程中会出现与周围实体产生碰撞冲突，导致施工无法顺利进行，从而影响施工进度。为了保证交叉施工安全性，减少施工作业对地面交通的影响，优化网架空间结构、合理安排施工组织尤为重要。 2.4 胎架质量大，周转不方便 南昌站网架结构具有跨度大，构件重、安装位置高等特点，胎架作为网架拼装施工的操作平台，根据工程实际情况，其中-0.500 m标高处的胎架高达24.3 m，宽度20 m，且该项目施工过程中立体交叉作业较多，对于高大支架的滑移周转是本工程的难度之一。 为解决工程施工难点问题，项目部决定采用BIM技术辅助施工，并根据施工特点提出两种施工方案，运用BIM技术对两种施工过程进行模拟、对比分析，以达到优化空间结构、合理安排施工组织的目的。其中BIM的三维可视化、协同作业、检测协调、碰撞冲突检查等技术，可以避免返工和施工错误的产生，从而降低工程成本，缩短工期。 3 BIM施工过程模拟3.1 三维模型构建 建模软件选择Autodesk公司的Revit 2015软件，施工过程模拟选择Autodesk公司的Navisworks 2015软件，施工过程动画演示选择Adobe公司的Premiere软件，其中模型的建立是基于主体框架结构。杆件两端的锥头和套筒做简化处理，采用杆件从球中心到球中心的放置方式，球节点车削连接口也做简化处理，以实心圆球代替。网架结构中杆件有8种尺寸，统一简化为φ75.5×3.75。连接球共有7种尺寸，除和支座连接的连接球外均统一简化为φ100。 3.1.1 柱头埋件及网架支座模型建 CAD图纸导入Revit中可以作为放置构建位置的参照(图4)，在Revit软件界面能看到CAD图纸，同时在CAD图形位置精准放置柱梁板，能加快建模速度，同时提高模型精准度。  图4 CAD图纸导入 根据CAD图纸导入快速定位建模、牛角柱凸出部分创建、柱顶三角形切割区域的处理。结构部分和柱头预埋件及网架支座建模完成后模型见图5、图6。  图5 型钢梁及牛角柱  图6 预埋件及支座 3.1.2 体量模式搭建网架结构 按照体量模式的步骤建立的杆件、连接球、网架结构模型(图7、图8)。  a—杆件；b—连接球。  图8 网架结构模型 3.1.3 轨道及脚手架模型搭设 轨道采用34号重轨，直接敷设在钢筋混凝土板上，通过预埋件与扣件焊接固定轨道。钢轨上的滑移型钢平台主框架采用H294×200×8×12型钢，上层采用10号工字钢，钢平台采用焊接连接。重轨截面及滑移型钢平台如图9所示。  图9 34号重轨截面及滑移型钢平台 根据本工程实际情况，因楼面标高不一致需搭设两个滑移支架平台，标高分别为7.950 m楼板及-0.050 m地面，搭设高度分别在10，18 m，A区施工完成后，施工高跨B区时，支架高度还需增加6.3 m。脚手架采用概念体量创建，在±0.000标高上绘制直径为48 mm的圆模型线，通过圆模型线创建立杆，通过复制立杆创建其他立杆；选取一个立面绘制直径为48 mm的圆模型线，通过圆模型线创建横杆，通过复制横杆创建其他横杆，脚手架完成模型如图10所示。  图10 移动式脚手架 建模工作完成(图11)后需仔细检查模型是否完善、正确。  图11 网架结构施工整体模型 3.2 方案1(A-B-C)施工过程模拟 从A区左端依次滑移直到C区右端顺序完成A、B、C区网架安装，基本流程如图12所示。 a—A区网架安装;b—B区胎架增高；c—C区脚手架拆除;d—C区网架安装；e—网架完成;f—网架整体效果。 3.3 方案2(A-C-B)施工过程模拟 完成A区网架安装后胎架滑移到C区右端(图13)，再从C区开始滑移完成C区网架安装，C区完成后滑移到B区完成B区网架安装(图14)。 图13 胎架滑移 图14 B区网架安装 该方案在A区网架安装完成后，胎架直接从A区直接滑移到C区最右端，在C区完成网架安装后将胎架滑移至B区，并增高胎架6.3 m，反向完成B区网架安装，最后拆除脚手架、轨道。网架安装方法、胎架滑移方法、檩条安装均和方案1相同。 4 方案对比分析及问题处理方法4.1 方案对比分析 从表1中可以看出，方案1轨道累计滑移距离为163.5 m，方案2轨道滑移累计279 m。另外，两种方案B区搭设和拆除增高部分脚手架的时间不同，方案1在A区网架施工完成后滑移到B区即搭设增加部分脚手架，在B区完成网架安装后拆除增加部分脚手架；方案2在C区完成网架施工后滑移到B区搭设增高部分脚手架，在B区完成网架安装后拆除，此时为所有施工构件拆除阶段。 表1 胎架不同滑移顺序方案对比 方案滑移距离/m胎架搭设和拆除施工干扰施工进度安全风险施工成本方案1163．5较复杂(在B区网架完成施工后拆除增高部分胎架，待C区施工完成拆除整个滑移支架。)小相当较大较低方案2279较简单(C区施工完成之后搭设增高部分胎架，待B区施工完成后拆除整个滑移支架。)大相当较低较高 对比分析：两种方案施工进度相当，方案1中胎架增高部分搭设及拆除较方案2复杂，但是滑移距离较小，施工对周围环境的干扰较小，施工成本较低，综合以上两种方案的施工特点，在节省成本的情况下，选择方案1以作为合理的施工组织方式，可以优化空间结构施工、缩短工期。 4.2 碰撞冲突及洞口问题解决方式 如图15所示，在胎架从A区滑移到B区时，+7.950 m标高处有一个钢筋混凝土扶梯平台阻挡胎架滑移。 图15 胎架滑移碰撞 碰撞冲突处理办法：1)将钢筋混凝土扶梯平台拆除，待完成网架安装后再浇筑该扶梯平台，存在施工缝对该部分结构影响可采取增设两个柱方式解决；2)将扶梯平台改为搭设钢结构式平台。模型处理前、后如图16所示，在B区右侧该扶梯平台采取相同处理办法。 a—模型修改前；b—模型修改后。 在网架结构C区+7.950 m标高楼板上有一个尺寸为12.3 m×3.975 m的洞口，滑移轨道的铺设需要通过该洞口上方。 洞口处理方法：由于轨道承受的上部荷载直接传递至楼板，若胎架滑移经过洞口处，轨道和洞口边缘接触部位将产生集中应力，易使该洞口处的钢轨变形或混凝土破坏，从而造成上部胎架滑移失稳。综合项目现场施工条件，该区域解决方案为下部设置满堂脚手架支撑(图17)。 图17 C区洞口脚手架安装 4.3 尚待完善之处 1)网架所有杆件和球节点均做了简化处理，可以添加锥头、套筒使模型更加完善。 2)杆件和球节点均未做统计参数设置，可进一步在杆件族和球节点族中完善报告参数，在Revit中可实现杆件和球节点的数量统计。 3)杆件和球节点采用统一型号(除支座处的球节点)，可将每一个杆件和球节点按设计型号调整，便于实现按型号统计数量。 4)模拟施工过程仅做了方案可行性分析，可加入经济和工期信息，对于施工方案的优选和比选更具有参考价值。 5 结 论1)应用BIM技术，给出了网架结构施工的各种方案和建模流程；结合南昌站改造工程中的网架结构实际施工情况，从构件、胎架体系搭建、操作平台组装、网架滑移施工过程等方面，进行了完整详细的BIM模型建立，从三维空间角度实现了网架结构施工过程的模拟，起到了提高生产效率、保证生产质量、节约成本、缩短工期的作用。 2)在进行结构设计时运用BIM技术对结构进行可视化，模拟施工人员施工，对所设计的结构进行优化，使设计出的结构不仅符合结构要求而且便于施工，避免了返工及错误的产生。 3)针对BIM施工过程中出现的碰撞冲突、孔洞开设等问题，提出了具体可行的解决方案，避免了实际施工过程中该类问题造成的经济损失和工期延误情况的发生。 参考文献 [1] 龙腾,唐红,吴念,等.BIM技术在武汉某高架桥工程施工中的应用研究[J].施工技术,2014,43(2)：80-83. [2] 张建平.BIM技术的研究与应用[J].施工技术,2011,40(1):15-18. [3] 刘松,郑亚文,周迎,等. 大型博览建筑钢结构虚拟施工建模关键技术研究与应用[J].土木工程与管理学报， 2012(2):26-31. [4] 郭正兴,朱张峰,牛萌．钢结构安装坍塌事故案例分析及警示[J]．施工技术,2010,39(7):35-39． [5] 郭彦林,崔晓强. 大跨度复杂钢结构施工过程中的若干技术问题及探讨[J]. 工业建筑, 2004,34(12):1-5. [6] 宋福春,陈冲,张兴,等. BIM技术在大跨度斜拉桥设计中的应用[J]. 沈阳建筑大学学报， 2016(1):115-123. [7] 黄华.基于BIM的建设项目全生命周期成本解决方案[J]. 内江师范学院学报,2011,26(8):71-74. RESEARCH ON THE BIM CONSTRUCTION SIMULATION TECHNIQUE OF SPACE TRUSS STRUCTURE OF NANCHANG RAILWAY STATION Shen Jiahai (China Railway Construction Group Co.Ltd, Beijing 100041, China) ABSTRACT：In view of problems such as the short construction period, high technical requirements, the difficult stereo crossover operation and the scaffold sliding collision, BIM technique was introduced to the project. The space truss frame and 3D visualization model of movable scaffolding were built by using the software Revit in order to simulate the construction process. According to the practice of BIM, two construction schemes for Nanchang Railway Station were simulated, compared and analyzed. The methods to solve the problem of movable scaffold sliding collision and the mouth of the cave were also put forward. The application of BIM technique in the project was successful, it could guide the construction in the construction phase and clarify the visualization technology, which avoid the production of rework and construction errors, shortenthe construction period and saves the cost for the project at the same time. KEY WORDS：space truss; scaffold slippage; BIM technique; collision and conflict; economic benefit 收稿日期：2017-04-25 DOI:10.13206/j.gjg201708024 作 者：申家海，男，1974年出生，硕士，高级工程师。 Email:123186122@qq.com |
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