BIM技术在空间立体桁架钢结构屋盖施工中的应用

1?项目概况

1.1?钢结构屋盖设计

某援外游泳馆项目规划用地面积为57?902?m ² ，总建筑面积约为40?976.01?m ² ，其中地上建筑面积33?507.2?m ² ，地下建筑面积7?468.81?m ² 。

本工程建筑高度为30.92?m，屋面结构采用空间立体桁架结构体系，主桁架共11榀，主杆为箱形截面，弦杆为圆管截面，各榀主桁架件由次桁架连接成整体，研究项目屋盖整体结构如图1所示。在深化阶段考虑对屋盖桁架预起拱，起拱值为214?mm。

图1?游泳馆项目屋盖钢结构分布示意

1.2?工程特点和施工难点

空间立体桁架钢结构屋盖整体施工难度较大，大跨度多折面空间屋盖跨度大，施工工序复杂，支撑胎架位置确定设计难度大，对支撑体系搭设屋顶桁架支座采用单向滑动支座、固定铰支座2种形式，屋盖控制精度要求高。

本工程大跨劲性梁跨度为39?m，屋盖结构最大跨度为75?m，超过一定规模的危险性较大的分部分项，要求规定跨度36?m或悬挑18?m及以上的钢结构安装工程，或跨度60?m及以上的网架和索膜安装 工程。

屋盖桁架采用累计滑移施工，滑移施工需要设计和建造临时的支撑系统支持整个桁架结构在滑移过程中的重量和力学反应，需要考虑支撑系统的稳定性、刚度和可靠性，以确保在施工期间桁架结构的安全性。

屋盖桁架结构复杂、节点多、精度高，特别是部分腹杆与弦杆夹角较小，无施焊角度。本工程临时承重支架所受集中力最大值为170?kN，为保证现场焊接质量，特增加钢托座长度，产生20余根超宽构件，该项目为海外工程，构件运输需经历国内陆运、国际海运、项目所在地陆运等。超宽构件运输为本工程一项重点问题。

2?空间立体桁架钢屋盖施工技术

2.1?空间立体钢屋盖桁架设计

项目结构最大长度196?m，最大宽度为114?m，最大跨度为75?m，最大悬挑尺寸为2.3?m，属于大跨度无支柱空间结构，屋盖整体依靠四周支座和钢结构支撑网架。屋顶桁架支座选用单向滑动支座、固定铰支座两种形式，其中单向滑动支座有40个，固定铰支座12个。为满足结构强度和稳定性要求，游泳馆39?m大跨平台和主要受力结构采用混凝土劲性钢骨柱和钢骨梁设计，均为H形截面。主要包括39?m大跨度平台钢骨梁柱、东西侧立面钢骨梁（斜柱）、部分钢骨梁。

桁架通过支撑杆连接钢网架结构，下端通过固定铰支连接支撑，采用焊接连接、螺栓连接，为应对支撑受力结构的复杂性，针对复杂典型节点进行重点分析。施工过程中应注意连接的精确度和质量控制。此外，桁架支撑底座装置还包括连接杆和拉索，以进一步增强整体结构的稳定性和承载 能力。

通过优化，设计后的桁架能够满足多折面结构支撑，有限元分析预测桁架在不同工况下的响应，进行结构参数的优化，以满足多折面屋盖的要求。在进行 大跨度多曲面空间屋盖组建过程中自由度更高，对桁架的截面形状和尺寸进行深化，以提高承载能力和刚度，组合方便且承受能力较强，能够有效分散大跨度曲面屋盖自重，更好地满足大跨度多曲面空间屋盖的需求。

2.2?BIM技术在支撑钢架安装中的应用

由于屋盖桁架结构复杂、节点多、精度高。特别是部分腹杆与弦杆夹角较小，无施焊角度，因此采用Tekla、Revit和AutoCAD联合建模，如图2所示为游泳馆BIM模型，使各节点具象化。精准控制各构件连接角度，对无焊接角度的节点位置，适当增加钢托座长度，旨在增加施焊空间。结构采用逐榀拼装，拼装胎架需自行设计加工，且拼装架体位于9.9?m钢混结构平台顶部。拼装架体设计、下部钢混结构平台承载力能否满足施工要求。采用Midas计算软件，对下部架体进行设计计算，根据架体各支撑点反力情况。将平台设计图纸、计算书以及荷载情况交设计院进行复核确认。

图2?项目典型钢屋盖节点示意

通过准确的三维建筑模型，包括建筑结构、钢架和其他相关组件，显示钢架的几何形状、尺寸和位置，为钢架安装提供准确的空间信息。集成不同系统，提前发现钢架与其他系统之间的冲突。根据实际情况确定最佳的安装顺序和方法模拟施工过程，可以发现潜在的问题和瓶颈，提高钢架安装的效率。BIM技术为项目团队成员提供了一个协同工作的平台，各方可以在同一模型上进行实时协作，共享设计和施工信 息，有助于加强项目团队之间的沟通和协调，减少信息传递错误，并提高钢架安装的整体效率和质量。

2.3?BIM技术在桁架拼装架体设计中的应用

屋面桁架采用单榀拼装、累计滑移的安装方式。桁架拼装完成，需在滑靴位置设置拉索，拉索设置高度为16.65?m。桁架拼装平台需支顶桁架下弦，且参与滑移桁架构造形式不同，滑移过程拉索与拼装胎架发生碰撞。结合本工程实际情况，将拼装胎架设置为可调节、可拆卸，拼装胎架钢结构模型如图3所示。

图3?项目拼装胎架模型示意

单榀拼装，胎架设置区域为W~V轴，拼装胎架底部在9.9?m平台顶部设置，分为2层。标高16.300?m以下为固定措施，16.300?m以上为可调措施。

拼装胎架立柱截面为B?250×12，钢梁GL1为I36b、GL?2截面为H?460×200×11×13、GL3截面为I63b，材质均为Q235B。 标高16.300?m以上部分结构采用铰接节点，以便于现场架体组拆、标高调整。

在16.300?m标高位置对钢柱进行分段，并在上下段钢柱设置法兰。法兰四周各设置1个M?20安装螺栓，以便于拆卸安装。

3?空间立体桁架钢屋盖有限元验算

3.1?拼装阶段施工模拟验算

某游泳馆项目依据施工方案、图纸以及相关技术要求，考虑结构的安全性，现对游泳馆项目的C轴桁架拼装过程进行施工模拟分析。仿真分析采用有限元分析软件midas GEN?8.9.0。对梁单元进行模拟，荷载考虑自重。

经过对各段屋盖模型计算结果显示，最大应力和最大位移均符合钢结构安装规范标准要求。

3.2?滑移结构有限元验算

滑移部分采用结构分析软件Sap?2?000进行计算。计算说明如下。

（1）边界条件：所有支座—— z 向固定（垂直滑移面方向）， x 向释放， y 向（滑移方向）释放。

（2）荷载：自重—DEAD。

（3）拉索预应力： LS 。

（4）滑移摩擦力为 L ，摩擦系数按0.15，其作用于支座节点。

（5）荷载组合：支座反力值为1 D +1 L +1 LS 。

（6）强度及稳定：1.3 D +1.5 L +1 LS 。

首先确定滑移方案思路，在滑移胎架上进行首榀桁架HJ?10的拼装，在支座位置设置滑靴，滑靴位于两条滑移轨道上，并在对应的滑靴上安装滑移设备。拼装完毕，安装拉索，拆除部分拼装架体，然后将此部分结构向前滑移一定距离、暂停。重新安装拼装架体，拼装后一榀桁架（HJ9），安装拉索，拆除部分拼装架体。继续向前滑移一定距离、暂停。按此步骤进行累积拼装和滑移，直至所有钢桁架结构累积滑移到位。最后将HJ1与HJ11原位拼装。进行验算，在Sap软件中创建验算模型。支座反力输出值见表1。

表1　支座反力标准值  kN

3.3?生命线有限元验算

生命线选用8?mm钢丝绳。施工人员在钢梁上行走或工作时，将安全带挂设在生命线上，防止施工人员高空坠落。针对该生命线安全性进行验算。

考虑到计算量与计算效率的因素，在三维有限元整体模型如图4所示。

图4?生命线计算模型示意

钢结构自重由程序自动统计，考虑节点重量，自重系数1.2。施工人员重量为200?kg。

4?结论

通过BIM技术在空间立体桁架钢结构屋盖施工中的应用，可以提高设计精度、减少冲突和错误，提高施工效率，并促进各方之间的协作与沟通。

经过有限元分析可设计更轻质、稳固的桁架支撑体系，并通过验算核对屋盖位移和应力。同时优化屋盖滑移方案，解决大跨度钢结构安装难点，对每个构件进行标识和编码，并记录尺寸、材料、供应商等详细信息，提升援外工程加工质量，保证现场钢结构拼装顺利实施，有助于提高工程质量，降低成本，并推动建筑行业的数字化转型，为援外项目施工提供了一定参考。