CN107657138A - 基于bim的虚拟施工设备技术在钢连桥工程中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于BIM的虚拟施工设备技术在钢连桥工程中的应用从基本理论、BIM技术、模拟技术、技术应用等方面进行了研究，提出了虚拟施工技术理论框架，建立了虚拟施工技术模拟应用模型，并基于Bentley系列软件中的AECOsim Building Designer平台进行了模拟功能的应用。通过将本课题建立的功能模型在实际工程项目中的测试和应用，证实了这些模拟模型的有效性和可行性，即可以有效地模拟施工过程、有效地模拟施工设备资源、有效地分析资源的利用情况、有效地进行工期－成本优化，达到了本课题的预期目标。

Description

基于BIM的虚拟施工设备技术在钢连桥工程中的应用

技术领域

本发明属于模拟建工领域，具体涉及基于BIM的虚拟施工设备技术在钢连桥工程中的应用。

背景技术

近年来，科学技术的进步和国家经济的快速发展，带动了我国建筑业的飞速发展，工程建设的规模不断增加，新型的建筑结构体系和个性化的建筑外形如雨后春笋般出现在人们的视野，这类建筑通常成为各个城市的标志性建筑。结构形式的创新必然会给建筑结构施工提出新的技术难题，从而促使施工手段和方法的变革。过去简单的结构形式下，结构施工通常是建立在经验的基础之上，面对复杂的结构施工，施工方案的确定需要通过大量的计算分析加以论证，此时经验所起的作用无法有效的解决问题，对于较大型复杂的工程而言，较为详细施工方案的论证在项目投标阶段就要落实。大型项目的投标过程涉及到的专业面广、人员多，施工方案以及优化工作很难直观的展现，相关数据未必完善，使得工作效率低下，更为严重的是可能对方案的合理性和施工安全性产生影响。

近四十年来，无论国内还是国外，建筑业的生产力水平都不断下降。高新技术的发展为建筑业提供了新的发展机遇。将高新技术引入建筑业以解决相关问题，已成为众多专家和学者关注的热点。虚拟施工技术则是应建筑工程施工管理的需要而产生的，也是施工过程管理手段发展的趋势。

虚拟施工技术(Construction Virtual Prototyping，简称CVP)融合了数字化技术、可视化技术及模拟技术，提供了一个虚拟平台或环境，基于此平台可对施工过程进行模拟、分析与优化，从而有效地优化资源(包括人、材、机等)配置、减少返工、降低成本、缩短工期、减少风险。

随着BIM技术在全球范围的广泛应用，结合当今建筑业新型复杂结构及其在施工技术、安全方面的发展现状，基于BIM的虚拟施工技术应运而生。基于BIM的虚拟施工，即把BIM、虚拟现实技术和数值模拟等计算机技术相结合,在此基础上实现建筑施工过程施工前的可视化动态展示，清楚的了解整个施工的施工步骤，同时对结构的内力进行模拟分析，对施工方案有整体的把控，以便为最终的施工方案的确定提供稳定的技术支持。

建筑施工是将建筑结构平面二维图纸的表达转换成实际建筑的过程，具有不可重复性。在当今建筑业发展的环境下，伴随BIM技术的发展应用，包含BIM在内的虚拟施工技术实现了建筑施工过程的直观表达，将是解决复杂钢结构施工问题的主要技术手段。该技术的使用能够提前发现施工过程中存在的问题，调整制定合理施工方案加以解决，极大提高建筑施工的效率，同时能够有效的避免工程事故的发生。因此，有必要对施工过程中施工设备进行仿真分析，这也属于虚拟施工的范畴。

建筑结构形式的不断创新增加了结构施工时的难度，对施工技术提出了新的要求。传统的施工方案制定方法无法适用于大型复杂结构，虚拟施工技术的应用是解决这一问题的主要途径。在当今建筑业发展的环境下，伴随BIM技术的发展应用，基于BIM的虚拟施工技术实现了建筑施工过程的直观表达，将是解决复杂钢结构施工问题的主要技术手段。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提出基于BIM的虚拟施工设备技术在钢连桥工程中的应用，可以有效地对现场设备资源进行科学管理，大大降低成本，节省资源。

本发明通过以下方案来实现：

基于BIM的虚拟施工设备技术在钢连桥工程中的应用，包括以下步骤：

1-1、建立参数化模型：对钢连桥和两侧塔楼进行建模，把分别建立的塔楼模型和连桥模型进行组装，并对周围环境进行渲染，形成连桥提升可视化模型；

1-2、运动路径定义：在步骤A建好的模型中设置多个不同的运动路径，制定路径动画实现施工过程的动态显示；

1-3、模拟仿真输出：根据类似工程施工的成功经验，将连桥结构在地面拼装成整体，然后利用超大型液压同步提升技术将其同步提升到位；按照钢连桥具体的施工流程，在***内对超大型液压同步提升技术进行模拟，并将施工动画设置后的结果进行预览，并进行调整修改，最后以视频的形式输出。

上述步骤1-2中具体按如下方式进行，首先建立运动路径，其次是建立摄像机，然后设置摄像机的开始时间，最后设置摄像机的运动路径；同时设置目标点的运动路径，形成具有针对性视角的运动路径动画；在路径动画中***不同的静态画面，并设置静态画面出现的时间，形成最终的成果。

上述超大型液压同步提升技术具体操作如下：

3-1、吊点布置及提升器安装：根据连桥桁架结构体系的特点，在每榀桁架的两端设置提升下吊点，分别利用塔楼外框柱，相应的在目标层楼面位置的钢管混凝土柱侧部设置提升牛腿；所有上吊点处提升平台均采用在主桁架上弦所在楼层的上一层结构标高位置设置悬挑牛腿，牛腿采用全熔透焊接在结构钢柱外环板和柱身上，牛腿的端部放置提升器；

3-2、地面拼装及加固：钢结构连桥在底层室外进行拼装，拼装位置为首层楼面位置，底部有地下室顶板，按计划布设支撑，在后浇带施工完毕满足设计要求后即进行连桥拼装；连桥拼装完成后，在最上层主桁架端部设置提升下吊点；所有下吊点均采用吊具焊接在桁架的上弦杆件上，采用专用吊具连接地锚的形式；

3-3、提升连接及试提升：液压提升设备与连桥结构上的对应下吊点连接，下吊点固定地锚，并调整地锚孔的位置，使其与疏导板孔对齐，依次将每台提升器的所有钢绞线穿入地锚中，穿出部分留长不小于10cm，穿完之后用地锚锚片锁紧钢绞线，液压提升设备与连桥结构上的对应下吊点连接完成后，开始进行设备调试，一切正常后进行预提升；

3-5、正式提升；

3-5、微调：利用提升设备同步整体提升连桥结构至设计标高附近，微调各提升点，使得吊点处主桁架弦杆高度满足与框架柱上预留牛腿的对口精度要求；

3-6、空中对接：拆除加固杆：连桥达到预定高度后，开始进行空中对接，首先连接主桁架斜撑，然后连接上弦杆。上弦杆连接完毕之后，使牛腿双角钢吊柱与连桥连接。最后自上而下连接楼层钢梁。带沉降稳定，满足设计要求之后，连接上弦杆翼缘和中间弦杆、下弦杆。楼层钢梁按设计要求连接完成后，开始拆除临时加固杆件。临时加固杆件拆除顺序：首先拆除连桥立面和水平临时加固杆件；再拆除主桁架立面加固杆件；最后拆除双角钢吊柱。

3-7、卸载：待连桥与主体结构连接完成，临时加固杆件拆除后，利用液压同步提升***设备对连桥结构进行整体卸载，使结构的提升荷载完全转移到塔楼的框架结构上，至此连桥整个施工连接完成。

3-8、拆除提升设备：连桥按照设计要求连接完成后，拆除液压提升***设备及提升用临时设施，连桥结构整体提升安装完成。

上述步骤3-2中，在仿真模拟中增设了临时加固杆件；连桥在地下拼装时，加固杆件随连桥结构杆件一起安装，主要拼装流程如下：

流程一：拼装桁架下弦杆和底层钢梁；

流程二：拼装二榀桁架的竖向、斜向腹杆和上弦杆，形成U形结构体系；

流程三：依次拼装连桥中间层钢梁；

流程四：最后拼装连桥顶层钢梁，拼装完成。

本发明提出了虚拟施工技术理论框架，建立了虚拟施工技术模拟应用模型，并基于BIM进行了模拟功能的应用。通过将发明的功能模型在实际工程项目中的测试和应用，证实了这些模拟模型的有效性和可行性，即可以有效地模拟施工过程、有效地模拟施工设备资源、有效地分析资源的利用情况、有效地进行工期－成本优化。

附图说明

图1为本发明实施例中的连桥提升可视化模型示意图。

图2为本发明实施例中的连桥桁架结构吊点位置示意图。

图3为本发明实施例中的连桥拼装流程示意图。

图4为本发明实施例中的桁架下弦杆测控点布置示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

参考图1至图4，钢连桥施工过程可视化的实施涉及到钢连桥和两侧塔楼模型的建立，使用AECOsim Building Designer进行建模。模型建立时运用了该模块具有的参考功能。强大的参考文件功能是各专业之间协同工作的保证。其参考文件工具提供易于查看及编辑的功能，包括设计图形文件的自身参考和相互参考，在参考图内查询特定的图形对象，以及对参考文件进行局部剪切和掩盖。此外，现在也具备直接参考DWG文件的能力。使用这个功能，用户可以方便地参考和更新其它专业的文件，并且对其它专业的文件的图层以及图纸内容进行截取或控制。通过参考结构设计图中的轴网线快速确定各构件的位置，提高了建模效率。

AECOsim Building Designer的所建的模型包含了构件的大量信息,如：生产厂家、产地、截面尺寸、构件长度、材料属性等，这些信息可以为工程建设的现场资源配置和工程量计算等提供依据。通过使用参考功能把分别建立的塔楼模型和连桥模型进行组装，使用***内置的素材库对周围环境进行渲染，形成图1所示的连桥提升可视化模型。

连桥施工过程可视化是施工过程的动态展现，涉及到不同的施工工序及具体节点的施工细节，以动画的形式输出。为了满足模型对运动的要求，制作动画时需要在***平台进行运动的定义。动画的形式分为路径动画和关键帧动画。物***置固定不变，给出固定的运动路径，视角镜头沿着路径运动而形成的动画为路径动画；设置固定的视角镜头，通过把不同的静态画面相互连接形成的动画称为关键帧动画。

在建好的模型中设置多个不同的运动路径，制定路径动画实现施工过程的动态显示，通过四个步骤完成。首先是建立运动路径，其次是建立摄像机，然后设置摄像机的开始时间，最后设置摄像机的运动路径。在此基础上设置目标点的运动路径，这样就形成具有针对性视角的运动路径动画。在路径动画中***不同的静态画面，并设置静态画面出现的时间，这样就实现了与关键帧动画的结合，形成最终的成果。

根据类似工程施工的成功经验，将连桥结构在地面拼装成整体，然后利用“超大型液压同步提升技术”将其同步提升到位。按照钢连桥具体的施工流程，在***内对上面施工动画设置后的结果进行预览，并进行调整修改，最后以视频的形式输出。具体流程如下：

1、吊点布置，安装提升器

根据连桥桁架结构体系的特点，如图2所示，在每榀桁架的两端设置提升下吊点，分别利用塔楼外框柱，相应的在目标层楼面位置的钢管混凝土柱侧部设置提升牛腿。所有上吊点处提升平台均采用在主桁架上弦所在楼层的上一层结构标高位置设置悬挑牛腿。牛腿采用全熔透焊接在结构钢柱外环板和柱身上。牛腿的端部放置提升器，单个牛腿的端部放置2台型号TLJ-2000提升器(共8台)。TLJ-2000提升器额定提升能力200吨，配备直径17.8mm的钢绞线。

2、地面拼装及加固

钢结构连桥在底层室外进行拼装，拼装位置为首层楼面位置，底部有地下室顶板，按计划布设支撑，在后浇带施工完毕满足设计要求后即进行连桥拼装。

为了确保连桥提升过程中的安全性，在仿真模拟中进行了相关设计，在不同的位置增设了临时加固杆件。连桥在地下拼装时，加固杆件随连桥结构杆件一起安装，主要拼装流程如下，如图3所示：

流程一：拼装桁架下弦杆和底层钢梁；

流程二：拼装二榀桁架竖向、斜向腹杆和上弦杆，形成U形结构体系；

流程三：依次拼装连桥中间层钢梁；

流程四：最后拼装连桥顶层钢梁，拼装完成。

连桥拼装完成后，在最上层主桁架端部设置提升下吊点。所有下吊点均采用吊具焊接在桁架的上弦杆件上，采用专用吊具连接地锚的形式。

3、提升连接及试提升

液压提升设备与连桥结构上的对应下吊点连接，下吊点固定地锚，并调整地锚孔的位置，使其与疏导板孔对齐，依次将每台提升器的所有钢绞线穿入地锚中，穿出部分留长不小于10cm。穿完之后用地锚锚片锁紧钢绞线，注意钢绞线穿地锚时，应避免钢绞线相互缠绕，穿完之后再检查一次。液压提升设备与连桥结构上的对应下吊点连接完成后，开始进行设备调试，一切正常后进行预提升。

钢绞线作为承重***，在预加载后，每根钢绞线应保持相同的张紧状态，调节泵站压力(3Mpa)，使所有钢绞线处于基本相同的张紧状态。以计算连桥结构整体提升时的吊点反力为理论依据，各吊点液压提升器伸缸压力应缓慢分级增加，最初加压为所需压力的40％、60％、80％、90％，在一切都稳定的情况下，可加到100％，即连桥结构试提升离开拼装支撑。

在分级加载过程中，每一步分级加载完毕，均应暂停并检查如：提升平台、连桥桁架及下吊点加固杆件等加载前后的应力变形的情况，以及塔楼框架柱的稳定性等情况。一切正常情况下，继续下一步分级加载。当分级加载至连桥钢结构即将离开拼装支撑时，可能存在各点不同时离地，此时应降低提升速度，并密切观察各点离地情况，必要时做“单点动”提升。确保连桥钢结构离地平稳，各点同步。

分级加载完毕，连桥钢结构提升离开拼装支撑约10cm后暂停，停留12小时全面检查各设备运行及结构体系的情况：一切正常情况下，继续开始正式提升。

4、正式提升

在一切准备工作做完，且经过***的、全面的检查无误后，开始正式提升。提升过程中应密切注意地锚、钢绞线、提升器、安全锚、液压泵站、计算机控制***、传感检测***等的工作状态。

为了更好的使桁架在提升过程中保持同步，提升前在桁架下弦杆上布置多个测控点，并分别进行编号。在测控点的垂直下方的地面上，有相应编号的基准点，各基准点的地面标高必须一样，从而保证各测控点的数据都有统一的基准点。测控点布置示意图如图4所示。

在提升过程中，桁架每提升3个结构层高度，地面测量人员用全站仪测量下基准点到测控点的距离，得到相应数据，若此组数据相差太大，则提升控制人员通过单独控制每个提升点的提升器，使这些点的高差数据差值小于5mm，实时调整桁架的空中姿态，以保证桁架整体的空中姿态平稳。

5、微调

利用提升设备同步整体提升连桥结构至设计标高附近，微调各提升点，使得吊点处主桁架弦杆高度满足与框架柱上预留牛腿的对口精度要求。

6、空中对接，拆除加固杆

连桥达到预定高度后，开始进行空中对接，首先连接主桁架斜撑，然后连接上弦杆。上弦杆连接完毕之后，使牛腿双角钢吊柱与连桥连接。最后自上而下连接楼层钢梁。带沉降稳定，满足设计要求之后，连接上弦杆翼缘和中间弦杆、下弦杆。

楼层钢梁按设计要求连接完成后，开始拆除临时加固杆件。临时加固杆件拆除顺序：首先拆除连桥立面和水平临时加固杆件；再拆除主桁架立面加固杆件；最后拆除双角钢吊柱。

7、卸载

待连桥与主体结构连接完成，临时加固杆件拆除后，利用液压同步提升***设备对连桥结构进行整体卸载，使结构的提升荷载完全转移到塔楼的框架结构上，至此连桥整个施工连接完成。

8、拆除提升设备

连桥按照设计要求连接完成后，拆除液压提升***设备及提升用临时设施，连桥结构整体提升安装完成。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于BIM的虚拟施工设备技术在钢连桥工程中的应用，其特征在于,包括以下步骤：

1-1、建立参数化模型：对钢连桥和两侧塔楼进行建模，把分别建立的塔楼模型和连桥模型进行组装，并对周围环境进行渲染，形成连桥提升可视化模型；

1-2、运动路径定义：在步骤A建好的模型中设置多个不同的运动路径，制定路径动画实现施工过程的动态显示；

1-3、模拟仿真输出：根据类似工程施工的成功经验，将连桥结构在地面拼装成整体，然后利用超大型液压同步提升技术将其同步提升到位；按照钢连桥具体的施工流程，在***内对超大型液压同步提升技术进行模拟，并将施工动画设置后的结果进行预览，并进行调整修改，最后以视频的形式输出。

2.如权利要求1所述的基于BIM的虚拟施工设备技术在钢连桥工程中的应用，其特征在于，所述步骤1-2中具体按如下方式进行，首先建立运动路径，其次是建立摄像机，然后设置摄像机的开始时间，最后设置摄像机的运动路径；同时设置目标点的运动路径，形成具有针对性视角的运动路径动画；在路径动画中***不同的静态画面，并设置静态画面出现的时间，形成最终的成果。

3.如权利要求1所述的基于BIM的虚拟施工设备技术在钢连桥工程中的应用，其特征在于，所述超大型液压同步提升技术具体操作如下：

3-1、吊点布置及提升器安装：根据连桥桁架结构体系的特点，在每榀桁架的两端设置提升下吊点，分别利用塔楼外框柱，相应的在目标层楼面位置的钢管混凝土柱侧部设置提升牛腿；所有上吊点处提升平台均采用在主桁架上弦所在楼层的上一层结构标高位置设置悬挑牛腿，牛腿采用全熔透焊接在结构钢柱外环板和柱身上，牛腿的端部放置提升器；

3-2、地面拼装及加固：钢结构连桥在底层室外进行拼装，拼装位置为首层楼面位置，底部有地下室顶板，按计划布设支撑，在后浇带施工完毕满足设计要求后即进行连桥拼装；连桥拼装完成后，在最上层主桁架端部设置提升下吊点；所有下吊点均采用吊具焊接在桁架的上弦杆件上，采用专用吊具连接地锚的形式；

3-3、提升连接及试提升：液压提升设备与连桥结构上的对应下吊点连接，下吊点固定地锚，并调整地锚孔的位置，使其与疏导板孔对齐，依次将每台提升器的所有钢绞线穿入地锚中，穿出部分留长不小于10cm，穿完之后用地锚锚片锁紧钢绞线，液压提升设备与连桥结构上的对应下吊点连接完成后，开始进行设备调试，一切正常后进行预提升；

3-4、正式提升；

3-5、微调：利用提升设备同步整体提升连桥结构至设计标高附近，微调各提升点，使得吊点处主桁架弦杆高度满足与框架柱上预留牛腿的对口精度要求；

3-6、空中对接：拆除加固杆：连桥达到预定高度后，开始进行空中对接，首先连接主桁架斜撑，然后连接上弦杆。上弦杆连接完毕之后，使牛腿双角钢吊柱与连桥连接。最后自上而下连接楼层钢梁。带沉降稳定，满足设计要求之后，连接上弦杆翼缘和中间弦杆、下弦杆。楼层钢梁按设计要求连接完成后，开始拆除临时加固杆件。临时加固杆件拆除顺序：首先拆除连桥立面和水平临时加固杆件；再拆除主桁架立面加固杆件；最后拆除双角钢吊柱。

3-7、卸载：待连桥与主体结构连接完成，临时加固杆件拆除后，利用液压同步提升***设备对连桥结构进行整体卸载，使结构的提升荷载完全转移到塔楼的框架结构上，至此连桥整个施工连接完成。

3-8、拆除提升设备：连桥按照设计要求连接完成后，拆除液压提升***设备及提升用临时设施，连桥结构整体提升安装完成。

4.如权利要求3所述的基于BIM的虚拟施工设备技术在钢连桥工程中的应用，其特征在于，所述步骤3-2中，在仿真模拟中增设了临时加固杆件；连桥在地下拼装时，加固杆件随连桥结构杆件一起安装，主要拼装流程如下：

流程一：拼装桁架下弦杆和底层钢梁；

流程二：拼装二榀桁架的竖向、斜向腹杆和上弦杆，形成U形结构体系；

流程三：依次拼装连桥中间层钢梁；

流程四：拼装连桥顶层钢梁，拼装完成。