基于BIM技术的钢构件制造与装配

郭增锋

山西四建集团有限公司（030000）

钢结构工程在设计阶段，设计深度普遍不够；
需将设计进行二次拆分，生成加工图，在工厂加工完成后进入现场安装。利用BIM技术按照设计图纸，调用“构件库”和“节点库”进行三维建模，录入构件、节点的参数信息，在利于构件节点深化设计的同时，还可利于钢结构工程的可视化与信息管理。在组装阶段为进一步保证构件的加工精度，应进行模拟精度校核，为现场安装精度创造基础条件。

1.1 深化设计

选用TeklaStructures2018完成上部钢结构部分模型的建立工作，根据运输、吊装设备等条件在软件中对构件进行合理的分段，开发适用于项目的专用参数化节点，在Tekla中建立深化设计的模型。化零为整，以统一标准进行深化表达，深化设计完成后可利用软件输出部件加工图、材料清单、零件清单等用于加工制作的报告。

1.1.1 模型及构件规格库的建立

首先在软件中建立统一的轴网，结合轴网根据结构施工图纸中钢梁、钢柱、支撑及楼梯等部件的位置关系将整体模型建立起来。根据结构所用的构件规格在软件中建立相应的构件规格库，统一定义构件前缀号（如将钢柱定义为1－GZ*X，则表示该柱为编号为X的第一节钢柱），以便后续软件在自动编号时能区分各构件的名称，使工厂加工和现场安装更合理方便、省时省工。校核轴网、钢柱、钢梁及支撑间的相互位置及坐标是否准确。

1.1.2 构件分段及节点设计

根据施工图、构件运输条件、现场安装条件及工艺等方面的要求，对各构件进行合理分段。根据各种因素综合考虑，本实验楼中的钢柱两层分为一段，柱间钢梁为一段。

在将钢柱进行合理的分段后，对节点的具体形式进行设计，如内置节点类型不能满足要求，可以开发适用于项目的专用节点，通过对所需节点进行明确性的描述开发专用的参数化节点。

通过选择所需的节点形式，依次点击钢柱、钢梁来完成对梁柱节点的定义，根据梁柱节点上螺栓放置、焊缝设置等信息对节点属性进行修改，从而将梁柱节点的具体形式在模型中表达出来[1]。

1.1.3 模型校核及节点计算

由专人对模型的准确性、节点的合理性及加工工艺等各方面进行校核。运用软件中的校核功能对整体模型进行校核，防止各钢构件间出现碰撞。通过模型的校核解决了设计图节点冲突，提前解决安装过程中可能出现的问题，使工程能够顺利施工。

1.1.4 构件编号

模型校核后，运用软件中的编号功能对模型中的构件进行编号。软件将根据预先设置的构件名称，把同一种规格的构件编号统一编为同一类，把相同的构件合并编为同一编号。编号的归类和合并更有利于工厂对构件的批量加工，从而减少工厂的加工时间，同时有利于安装，使操作人员更好地识别各构件的安装位置及安装方向。

1.1.5 生成报表

使用Tekla生成报表的功能，可以根据需要生成不同类型统计信息的报表。使用状态编号的功能，将已经完成的一部分深化图纸输出用来指导制作，在项目赶工期阶段非常方便。软件可根据构件类别、长度等信息进行统一的归并处理，也可根据需求输出构件数量、用钢量等关键信息。工厂应根据生成的加工图下料及制作构件。

点击生成报告按钮，选择meterial list为材料清单，选择assembly list为构件清单，选择assembly_partlist为构件零件表，选择bolt list为螺栓清单。此外，软件还提供了很多可供选择的报表。如报表的信息不能满足需要，还可以通过修改报表的模板来添加长度、表面积等所需展示在清单中的信息。以第三节编号为A-3GZ-1的钢柱为例介绍加工图纸及材料表信息的输出功能。

1.2 板件下料

利用Sino CAM数字化加工软件，可从BIM模型中直接提取原始的加工数据信息，通过二次开发的企业物料数据库，调用工厂的库存物料信息进行排版套料。利用BIM软件进行套料加工，可有效利用企业的库存物料，达到节约经济的目的。

1.3 高精度组装

在板件组装阶段，应用搭载IN-CHECK检测系统的高精度全站仪进行相邻连接点的数据采集，在IN-ANALY系统中进行精度拟合，分析得出焊接间隙，提高构件组装精度。构件出厂前，应用IN-ASSEM软件进行安装单元构件的虚拟校核，提前在工厂进行修正，提高结构整体装配精度。

高层钢结构建筑在施工过程中，钢结构构件的应力状态随施工过程不断变化且受力情况复杂，在不同的施工阶段结构的刚度、荷载等都不尽相同。目前，多数结构工程师一般都不会将施工过程和施工顺序对结构内力、位移的影响考虑到设计环节当中。随着工程的大型化、复杂化，不同的施工顺序对结构的内力和变形的影响都不容忽视。如果不对结构的施工过程进行模拟分析，则会造成在施工过程中的受力及变形状态与设计状态差距较大，从而在施工阶段就埋下了不安全隐患。

2.1 模型建立

2.1.1 材料定义

对于定义构件及结构的材料属性，Midas/Gen基于各国家及地区的规范、估算公式提供了丰富的材料选择界面，同时也可以利用材料自身的属性进行指定，诸如材料的弹性模量、抗拉（压）强度等级、线膨胀系数等都支持用户自行输入。

该工程混凝土标号用到了C60、C30，钢结构部分主要应用的钢材有Q355。这些材料的设置都是采用软件里的中国规范自动定义的，结构中选用的复合材料是根据材料的属性用户自定义设置的。其中钢管混凝土材料通过软件自带的组合材料功能模块定义。

2.1.2 截面定义

Midas/Gen内置了丰富的截面选择功能。较常使用的矩形、圆形、工字型截面，钢管混凝土组合截面，型钢组合截面，变截面等形式都可以通过软件直接建立。若内置截面满足不了要求，也可使用软件内的小程序Midas/SPC进行二次开发。

2.1.3 节点和单元定义

Midas/Gen中包括了梁单元、墙（板）单元、索单元、平面应力单元、桁架单元、只受拉单元等多种单元形式。文章中模型主要使用了梁单元，钢管混凝土柱通过软件中的扩展功能建立，矩形支撑可以桁架单元或者释放梁单元两端弯矩进行建立，本模型通过释放梁单元两端弯矩建立支撑单元。

2.1.4 定义边界条件

节点的约束和单元的约束是边界条件的两种约束形式，其中节点的约束是通过限制节点自由度、节点间弹性连接和支撑等几种方式实现边界约束条件。单元的约束则是通过刚度释放、单元的端部偏移及刚性域等方式实现边界约束条件。有限元结构模型底部的边界条件采用约束空间6个方向的自由度，通过约束节点的方式来定义刚性连接。假定楼板平面刚度无限大，可忽略平面外的刚度，不考虑楼板对梁的刚度放大作用。

2.2 施工模拟分析结果

2.2.1 最大位移对比

由上述一次性加载与施工模拟分析的位移图和梁单元应力图对比可知，一次性加载下，位移图呈现出自底层至顶层逐渐增大的趋势，位移最大出现在顶层位置。采用逐层加载的施工模拟加载法的位移图则呈现出“中间层大，两端小”的鱼腹型变化趋势，最大位移出现在结构的中间层。这与分段加载法施工模拟理论相对应[2]。

一次性加载下最大位移为47.56mm，施工模拟最大位移为24.05mm，差距为49.43%。可见，一次性加载与施工模拟加载的差距不容忽视。一次性加载法并未考虑实际施工过程中逐层找平的影响，与结构施工过程的真实情况并不符合。产生这种差距的主要原因有两方面，一是荷载是一次性加载在结构上的，每一层的荷载引起本层及以下层变形的同时也会引起上层结构的变形。二是施工过程中，各层标高没有对下面楼层的变形进行补偿，此情况对楼层的实际标高与设计标高的差值也会产生影响。

2.2.2 梁单元应力对比

由于一次性加载过高地估计了构件的内力，导致计算结果偏大，过高估计结构的内力则会导致在设计过程中截面材料的浪费，因此建议将施工模拟成桥之后的内力分析结果作为弹塑性分析的初始状态。

2.2.3 主体钢结构支座反力对比

经过对比分析，一次性加载与施工模拟得出的结构支座反力具有明显的数值差异。节点的弯矩对比差高达69.44%。初步分析认为，过大的原因可能由于基数过小，一次性加载下节点仅有36kN·m，从而导致对比差数值较大。其余节点一次性加载与施工模拟的对比差在4.42%～22.14%。由对比数据可以得出，施工模拟较一次性加载，支座反力与弯矩均有偏小的情况。由于施工模拟是逐层加载的，更符合实际施工中的状态。

2.2.4 钢管混凝土柱竖向变形对比

施工过程中，竖向构件的竖向位移对非结构构件有着不利影响。过大的竖向变形会导致结构产生附加应力且引起墙板开裂、幕墙管道损坏及电梯受损问题，严重时会导致结构失效，造成巨大的经济损失，因此对钢管混凝土柱的竖向变形进行研究是非常必要的。选取4根具有代表性的钢管混凝土柱，在Midas/Gen中提取一次性加载与施工模拟竖向变形结果，进行对比分析。

由一次性加载与施工模拟竖向位移对比可知，钢柱施工模拟加载下竖向变形均呈现出鱼腹型变化趋势，相对于一次性加载的竖向最大变形值均差在2倍左右。施工模拟加载制度下，中柱竖向变形值最大，角柱和边柱竖向位移值相对较小。

可见，一次性加载与施工模拟加载计算得到的钢柱竖向变形最大值发生的位置不同，最大竖向位移值差距均在2倍左右，最大截面柱的竖向变形相对较小，中间柱的竖向变形值较大。因此，在施工过程中，应重点监测中间柱及边柱的竖向位移，并在施工过程中及时进行找平处理，对于大截面柱的竖向位移因结果偏小可以简单监测。

2.2.5 竖向构件预找平值计算

第i楼层段构件的预找平值为:

式中:Δi——建筑竣工时第i楼层段构件的竖向变形值；
ωi——第i层荷载作用下引起的第i楼层段柱的竖向变形值；
Δi——第i楼层段构件的预找平值。

柱的ωi值经计算得到的各柱预调平值见，δi及ωi可在Midas/Gen软件中提取得到。

经分析得出，柱的预找平值大致呈现出随楼层号的增加而逐渐减小的趋势。这表明各柱在结构底部楼层的预找平值较大，随楼层的升高呈现减小趋势，在结构最顶层的预调平值最小或无需进行找平。为方便施工，建议可不进行找平工作。由于柱的预找平值相对较大，但每层的找平数值并不大，建议在构件制作时可考虑分段进行构件下料长度的调整。

考虑高层用塔吊型号较大、高度较高的情况，提前根据设备厂家提供的反力分析塔吊附墙对结构的影响，需要对框架结构进行加固，保证整个结构安装过程安全可靠。通常采用的加固方式为连接位置钢柱、钢梁及上一层钢梁之间加支撑，考虑到施工方便及用钢量，可采用等边角钢进行加固。

通过对装配式钢结构构件基于BIM制作技术进行研究，同时结合虚拟预拼装系统进行构件制作阶段的虚拟复核，提高了构件制作精度，实现BIM技术的逆向应用，为钢构件在施工现场快速装配提供精度基础，同时缩短了现场构件验收时间。

通过分段加载法对实际工程进行施工模拟分析，对比一次性加载法与分段加载法下的节点位移、单元应力及支座反力等指标的差异，验证高层钢结构建筑进行施工模拟分析的必要性。选取具有代表型的钢柱、角柱、边柱、中柱，计算其各自的竖向变形并进行分析研究，实现钢构件的高精度安装。