张俊松

上海市北高新（集团）有限公司 上海 200436

1 工程概况

上海静安43街坊项目地下2层、地上14层，总高度80 m，总用地面积5 705 m2，总建筑面积27 160 m2。项目西侧邻近轨交8号线曲阜路站，地下室结构与地铁站台结构最近水平距离2.2 m，地面现有使用中的4个3.5～5.5 m地铁风井，以及2个地铁人行出入口；北侧邻近轨交12号线区间隧道。

该工程主体采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，楼面系统采用钢筋混凝土井格梁板体系，外立面采用非透明幕墙与透明幕墙结合形式。2～4 层楼面采用整层钢结构桁架悬挑（图1）。

图1 43街坊项目效果图

2 施工难点

1）地块紧贴轨交8号线曲阜路地铁站台结构，地下室结构与地铁结构最近水平距离2.2 m。地铁站地上还存在2处使用中的风井、2处人流密集的人行出入口，施工阶段既不能影响地铁的正常运营，同时又要确保地铁乘客出入的安全。

2）施工场地面积狭小，塔楼悬挑钢结构位于地铁车站投影线正上方，已经与已有的地铁风井重合，悬挑部位钢结构吊装没有足够场地停放汽车吊。

3）1层劲性钢柱为Y形柱，高度达10.05 m，钢柱定位、临时固定要求高，支模难度大；钢梁截面最大为H1 800 mm×800 mm×60 mm×60 mm，钢结构钢梁单件最大质量初步计算为32 t，远超出现场塔吊的吊装能力。

3 项目BIM应用特点

与CAD相比，BIM更加立体、直观，并且综合性更强，包含的信息更全面。其在整个周期包括设计、施工、维护、运营等各个环节都能够广泛应用，具有高度的共享性和传递性。并且能使不同类型的工作组别可联合对建筑信息进行及时管理，把设计单位、建设单位、施工单位等各方联系成有机整体，开展有效的合作，指导施工，提高了工作效率，节约了成本。

4 悬挑钢结构BIM建模

该项目悬挑钢结构采用Autodesk Revit Structure软件结合整体结构建模，BIM模型应用主要包括结构构件以及整体结构2个层次的相关附属信息，例如：结构建模和计算、规范校核、三维可视化辅助设计、工程造价信息、施工图（加工图）文档、其他有关信息明细表等[1]。

在结构构件层次信息中，BIM模型存储了构件的材料、截面、方位和几何信息等，可即时进行显示和查询。软件系统在节点设计时可自动判断结构构件的非图形数据，包括梁柱的定义、空间方位、截面尺寸等，通过程序实现自动识别梁柱等构件连接类型并配上对应的节点，达到三维实体信息核心的参数化和智能化。

在整体结构层次信息中，完整的三维实体信息模型提供基于虚拟现实的可视化信息，对高层钢结构的施工提供指导，对施工中可能遇到的构件碰撞进行预测及检测（图2）。

图2 BIM结构模型示意

5 BIM模型的钢结构深化设计

BIM模型的钢结构深化设计的本质就是利用软件进行预拼装，实现“所见即所得”的过程。BIM模型采用参数化的三维实体信息描述结构单元，以梁柱等结构构件为基本对象，取代了CAD图纸中的点、线、面等几何元素。BIM结构模型中复杂的结构节点具有真实构件的属性和特性，因此能够保持构件在真实世界的相互关系。

悬挑钢结构共计4层，底层为Y形柱支撑，2～4层为结构层，悬挑钢结构区域总构件数144个，总体积43.22 m3，总质量约339 t。最长悬挑钢梁跨度17.8 m，质量32 t（图3）。

该项目BIM模型的钢结构深化设计除了考虑工厂的焊接和装配工艺外，还须兼顾工地现场安装过程中的情况，例如：安装顺序、安装空间的预留、构件设计质量和重心位置、吊耳和手孔、钢筋穿孔和连接等，均可通过BIM模型实现实体表现（图4）。

图3 悬挑钢结构区域示意

图4 劲性梁柱节点深化设计模型

6 钢结构BIM碰撞检测

6.1 碰撞检测分类

该项目钢结构部分的BIM碰撞检测通过利用Revit软件建立BIM模型，经由过程碰撞检测体系，整合BIM的建筑、结构、机电等各专业模型，查找出模型中的碰撞点，包括结构与结构间的碰撞、结构与建筑间的碰撞、结构与机电设备间的碰撞等，形成碰撞检测报告。

针对碰撞点进行分析并排除合理碰撞后，协调主要的建筑构件和系统管线，修改图纸并完善模型，指导现场施工，通过提早发现冲突、解决问题，提高效率、减少浪费。

软件所提供的检测分为硬碰撞与软碰撞（间隙碰撞）2种，硬碰撞是指实体与实体之间的交叉碰撞，用于检查2个几何图形间的实际交叉碰撞；软碰撞（间隙碰撞）是指实体间实际并没有碰撞，但间距和空间无法满足相关施工要求，用于检查几何图形之间的特定距离。

6.2 碰撞检测主要内容

6.2.1 结构碰撞检测

该项目的主楼结构比较复杂，从内到外分别有混凝土核心筒、钢结构楼层、内幕墙结构、外幕墙支撑和外幕墙。这些结构涉及多家安装、加工企业，各项专业的深化设计工作也需要相互穿插进行。

结构碰撞检测内容分为5项：混凝土核心筒与主楼钢结构、主楼钢结构与内幕墙、主楼钢结构与外幕墙支撑、内幕墙与外幕墙支撑、外幕墙支撑与外幕墙。

碰撞检查后主要存在3种碰撞原因：建模不精确、结构细节处理不合适、加工厂为了保证现场安装的准确性而特意加长构件[2]。

施工图设计阶段幕墙顾问单位介入后，通过Rhino、CATIA、Dyanmo软件继续深化建筑外表皮模型，再与建筑专业、结构专业的BIM模型整合，检查碰撞问题。各专业模型整合在Navisworks软件中，用该软件的碰撞检查功能进行幕墙与其他专业的冲突检查，并反馈到原始模型中优化调整。优化过程中将Rhino模型导出为sat格式并导入Revit中作为土建模型的修改参照基础。

6.2.2 管线碰撞检测

管线碰撞检测重点包括：留洞核查、管井核查、净高核查、防火卷帘核查、门高核查、风井吊板、双层板核查、空调机位吊板、水管、风管、电缆桥架等。在Revit软件中，碰撞可以有选择地进行，如只检查风管与结构的碰撞、风管之间的相互碰撞，或污水管与风管的碰撞等。NavisWorks软件则在制作管线碰撞过程中可以为所有项目相关人员提供整体项目直观的视图，以促进设计决策、施工图纸管理、施工情况预测与规划，以及今后对设施的管理与运营。Revit软件提供的碰撞检查功能相对单一，主要检查结构、管道之间的硬碰撞；软碰撞条件更复杂，则导入到Navisworks软件中进行。

经过碰撞检测形成的43街坊项目冲突分析报告中，发现的主要冲突问题包括：套管未开洞、开洞有误，墙梁板开洞错误或未开洞，相互碰撞或硬冲突，空间不足，图纸错漏等五大类。冲突分析报告发现问题共计108处，其中套管未开洞、开洞有误18处，墙梁板开洞错误或未开洞13处，相互碰撞或硬冲突25处，空间不足11处，图纸错漏41处。

6.3 钢结构BIM碰撞检测实施流程

钢结构BIM碰撞检测从开始到实施可分为4个阶段：

1）根据招标图纸进行专业深化设计，在建筑、结构、机电模型基础上，专业图纸审批通过后进行各专业设备管线的建模，通过建模过程梳理各分系统内部的碰撞及错漏问题，并提交设计方进行图纸及模型修改。然后将各专业模型整合，结合空间要求及设计原则进行初步的管线排布。

2）基于第一阶段模型进行BIM软件系统自动碰撞检查并输出结果，撰写并提供碰撞检查报告，定义问题信息。设计方根据报告核对并回复意见，修改施工图纸。

3）召开项目的设计例会、设计交底会、施工例会等会议时，以模型作参照、以视频作交流，改“看图说话”为“看模型说话”。与深化单位定制绘图标准，实现最短时间达到“图、模合一”，并保证与施工实际情况一致。设计例会各方共同检查，模型再次验证，进行修改优化；重复以上工作，直到无碰撞为止。

4）项目部对劳务分包单位进行BIM的可视化交底，重点复杂部位详细解说安装细节，体现为各专业平面、剖面交底等。安装后由施工员进行现场参数复核，确保安装数据与交底图纸一致。

7 钢结构BIM施工模拟

7.1 施工方案优化

BIM施工现场模拟是把BIM模型结合预定的施工方案和施工计划进度，在Navisworks软件中进行4D仿真模拟，借此分析可能存在的问题和矛盾。

针对该工程的起吊质量大、施工场地小、保护要求高的施工难点，经BIM施工模拟优化，整体施工方案调整为：地下部分钢结构构件吊装，使用汽车吊在栈桥上进行吊装；剪力墙内钢结构柱吊装采用塔吊吊装；地上部分钢结构主要采取汽车吊进行吊装；部分无法使用汽车吊进行吊装的构件，则考虑使用钢桅杆加卷扬机再加吊装滑轮组进行。

其中，主要支撑构件Y形柱支模的施工工序为：未碰到地铁风井时，Y形柱支模搭设排架→碰到地铁风井时，Y形柱支模必须先对斜柱进行封模，槽钢一侧焊接在立柱的预埋钢板上，另一侧连接于斜柱两侧并加固。

施工过程中，在地铁出入口正上方搭设硬隔离平台，保证下方地铁正常运营，防止焊接时火花溅射伤害过路行人。

7.2 BIM施工现场模拟

BIM施工现场模拟主要包括3项内容，即施工过程模拟、大型机械运行空间分析、施工虚拟预演和进度分析。具体步骤如下：

1）对现场布置进行模拟，针对地下结构、室外管线分别进行合理布置，更能直观地表达现场情况，充分利用场地空间，规划设备车辆进出通道。

2）对地下、地上结构进行施工模拟，合理地安排钢结构施工流水，模拟吊车停放位置，考虑起吊质量、旋转半径等措施。

3）利用BIM技术模拟施工顺序，并做好保护，满足后续机电、幕墙吊装施工条件。

施工现场模拟中包括钢结构、重型机械、临时支撑结构、临时办公楼、工地、围墙、大门、地铁风井、地铁站人行出入口等，与现场实际情况保持一致。

8 结语

在市中心区域正在运行中的地铁站上盖进行大型悬挑钢结构施工，对项目参与各方来说都是一项挑战。该项目在设计和施工过程中全方位实施BIM技术，利用BIM三维建模及进行钢结构深化设计[3-7]，整合各专业的信息数据，极大地提高复核与协调的效率和质量。并在建模及深化设计时注重碰撞检测，快速查找模型中的冲突，解决碰撞问题；根据检测结果对模型进行优化调整，借由三维可视化功能进行施工现场模拟，直接展现安装顺序、施工方案以及完成后的最终效果，并组织各方付诸实施，从而满足设计施工规范、体现设计意图，并能够保证地铁的正常运行。