預應力雜交空間結構施工的精確控制研究

１．預應力鋼結構特點及難點

隨著拉索材料性能的改善、計算方法的進步和預應力施工技術的提高，預應力鋼結構已成為現(xiàn)代結構工程中最活躍最具有發(fā)展?jié)摿Φ慕Y構體系之一。結構形式主要有張弦梁、張弦桁架、弦支穹頂、弦支筒殼、弦支網(wǎng)架和索穹頂?shù)?，已在體育場館、火車站房、航站樓和飛機庫等建筑中得到了廣泛應用。目前空間結構正向著輕量、超大跨方向發(fā)展，如已建的盤錦體育場和待建長春體育場（見圖1和圖2，跨度均大于260m，懸挑均在42米左右）等便是順應這種趨勢產(chǎn)生的一種新的結構形式?！?/p>

該類結構通常也給施工帶來下難點和問題：

(1)具有跨度大、懸挑長、體系受力復雜、預應力張拉難度大、影響結構施工質量因素多等特點。

(2)傳統(tǒng)的建筑模型的建立和施工控制技術已不能滿足其施工過程中力學性能預測與施工過程安全控制的需要。

(3)如何合理的安排施工和進度，如何控制施工過程中結構應力狀態(tài)和變形狀態(tài)始終處于安全范圍內，都是目前預應力鋼結構迫切需要研究的內容與技術。近年來，BIM技術、仿真分析技術和監(jiān)測技術在建筑的施工過程中得到了廣泛的應用。為了滿足預應力空間結構的施工需求，把上述技術結合起來，實現(xiàn)學科交叉，建立一套完整的全過程施工控制及監(jiān)測技術，從而保證結構的合理安全施工。

2. 應用BIM技術的必要性

預應力結構在施工過程中，由于其不可逆性，如果施工控制不合理，都有可能引起經(jīng)濟損失和人員傷。因此，針對預應力空間結構的特點，開展基于BIM的預應力結構施工全過程控制及監(jiān)測成套技術研究，是非常有意義和必要性的。具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

(1)預應力空間結構通?？臻g形體關系復雜、形式多樣，項目施工方案的制定和選取、施工進度的控制和安排、協(xié)調溝通方案及修改都成為技術難點。而BIM技術能簡化分析過程，對施工過程的安全性能進行連續(xù)動態(tài)地分析和4D可視化模擬，并能實現(xiàn)設計和施工階段的信息交換和共享，具有準確、快捷和及時性。

(2)采用先進的全過程施工控制方法和現(xiàn)代結構分析手段，對結構施工全過程進行仿真分析。模擬在施工過程中不同時段的力學性能和變形狀態(tài)，全面了解結構施工過程中內力和變形等的演化規(guī)律，初步確定施工控制的階段控制目標，作為施工控制可操作性的依據(jù)。

(3) 近年來建筑安全事故不斷發(fā)生，人們防災減災意識也有很大提高，所以建筑結構全過程施工控制及監(jiān)測研究已成為國內外的前沿課題之一。預應力鋼結構施工階段的風險率很高，對施工過程進行實時施工監(jiān)測，可以及時了解結構的受力和運行狀態(tài)。監(jiān)測技術的先進合理與否，對施工控制起著至關重要的作用，開展基于BIM技術的三維可視化動態(tài)監(jiān)測技術則能順應需求，也是施工過程信息化的一個重要內容。綜上所述，BIM技術、監(jiān)測和全過程施工控制技術是預應力鋼結構合理和安全施工的保障，如果三者結合起來將會相得益彰。所以開展此方面的研究，能為施工提供新的安全技術手段和管理工具，能夠提高建筑施工安全管理水平，促進和適應新興建筑結構的發(fā)展。

3.預應力空間結構全過程施工控制主要內容

(1)研究BIM技術在預應力鋼結構施工中的應用，基于BIM平臺，以實際工程為例，定義與施工過程和時間相關信息，建立3D施工過程模型；

(2)以施工進度為時間維度，編制相應的擴展數(shù)據(jù)接口，建立4D信息模型和4D施工管理系統(tǒng)；

(3)基于ANSYS平臺，進行施工全過程仿真分析二次開發(fā)，確定適應施工全過程控制的目標體系，建立施工全過程仿真分析系統(tǒng)；

(4)開發(fā)相應程序把基于BIM技術建立的4D施工管理系統(tǒng)引入施工全過程仿真分析平臺中，并和監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)有效結合起來，最終形成施工全過程控制系統(tǒng)，見下圖3。

　圖3 全過程施工控制系統(tǒng)技術路線圖

4.結語

針對盤錦體育場、徐州奧體中心體育場等實際大型預應力空間結構工程的需求，北京市建筑工程研究院BIM技術中心在此方面開展了大量的BIM技術研發(fā)及實踐工作。通過發(fā)揮科研單位的特長，依托北京市博士后基金項目 “基于BIM的預應力鋼結構全過程施工控制及監(jiān)測技術研究”，把BIM技術、結構分析、施工控制與監(jiān)測技術相結合，開展了成套技術研究，實現(xiàn)了學科技術交叉。

后期，作者將會把徐州奧體中心、盤錦體育場等工程的BIM實施目標、技術路線、結構參數(shù)化分析、動態(tài)模擬、施工控制與三維可視化監(jiān)測技術等BIM方面的應用與大家一一分享。

作者：劉占省