基于BIM的钢网架结构施工模拟与监测

江苏省某体育馆屋盖为双层斜放四角锥网架结构，跨度50.3?m，平面尺寸81?m×60?m，总面积5?012?m2。钢网架网格3m×3.12?m，最大矢高3.36?m，总重182?t。网架由圆钢管和球节点构成，采用全焊接结构形式（图1）。钢结构抗震按8度设防，地震加速度为0.2?g，场地类型为III类，屋面可变荷载标准值0.5?kN/?m2，焊接球、钢管部分采用Q235?B型钢。考虑到钢筋混凝土梁和悬挑部位，选择扒杆整体吊装方式，钢网结构提升到规定高度后采用滑移就位法安装就位。

钢网架结构施工包括施工现场准备、整体吊装设备选取及网架结构的整体吊装和滑移、结构安装就位等。钢网架结构整体提升需根据平台提升点受力状 态和提升架构造型确定，图2为几种主要钢网架提升平台形式。钢网架结构由中间向两边榀拼接，操作流程为：场地测量放线→中部第一榀下弦及焊接球安装→斜腹杆安装→由中部向两边网架结构对称安装。为降低网架牵引高度，网架结构采用滚动滑移方式，使用手动葫芦或绞车牵引，同时用销钉固定混凝土圈梁顶部，避开预埋件。滑移过程中，从基准开始每50?mm为一格，两边同时推进，以确保滑移过程中两边平齐。在滑移架两边装设临时加固装置，以免因网架刚度不足而造成不稳定。

（a）

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图2?典型提升平台结构

2?BIM的钢网架结构施工模拟与监测

2.1?Revit的结构建模应用

考虑到本项目钢网架为正放四角锥焊接球钢屋盖形式，球形种类和杆件类别较多，网架上表面曲面为球节点标高各不相同且不对称性分布，因此基于Revit结构模块构建。

2.1.1?概念体模型构建

应用Revit软件构建网架结构的外观轮廓，获得钢网架结构的表面性质特性。Revit中提供了模型的创建模块，只需选定应用界面的创建模块按钮便可新建一个体量表面模块。由于本项目中钢网架结构上表面为弧形结构，因此在建立曲面模块时，点击应用界面“新建线按钮”创建空心和实心形状，本项目采用穿件实心形状功能，通过设置延伸长度获得实体体量，并将二维实体转化为三维视图（图3），选中矩形编辑框构建三维网架概念体结构模型。

图3?钢网架结构三维概念体模型（计算机截图）

2.1.2?网架结构单元创建

（1）应用Revit构建幕墙嵌板族构建网架单元结构。选定幕墙嵌样本文件中的属性对话框设置网格类型。因本文采用的是正放四角锥单元，故选定“矩形”网格，以网架中提供的四个参照线和参照图元作为结构单元创建的参照位置点。利用“点图元”工具绘制参考线，选定参照线上的一个点图元，采用“圆形”按钮以该点为中心，以杆件半径绘制圆形，利用面板中的“创建形状”建立上弦杆和下弦杆单元模型，如图4所示。

（2）绘制上、下弦杆后建立结构腹杆。为便于绘制图形，将二维视图模型转化为“三维视图”。利用点图元创建腹杆四角锥的顶点，在点图元垂直平面，根据四角锥高度设置参考线，并根据腹杆高度修正参考线的高度参数，同时以网管的矩形四角点和四角锥顶点绘制俯瞰参照线，利用弦杆单元绘制腹杆结，如图5所示。

（a）

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图5 腹杆结构模型绘制（计算机截图）

（a）结构腹杆二维视图；（b）结构腹杆三维视图

（3）构建焊接球模型。在点图元模型中的水平参照面绘制圆心。在“三维视图”界面以圆心为原点绘制圆柱体或球体，并将焊接球与“上弦杆单元”上位置链接，如图6所示。

（4）完成各部件结构的网格划分后，将创建的“弦单元”“焊接球单元”“腹杆单元”载入概念体模型，使用“图案填充”按钮将“上弦杆单元”填充到概念体量上表面，并对网格的填充构建进行环向修 改，完成上表面填充，采取相同方式进行概念体量的下表面填充，如图7所示。

2.2?结构模型稳定性分析

Robot软件与Revit间能通过各项功能的无缝对接，实现模型的稳定性分析。在完成结构模型构建后，将模型发送到Robot中进行结构分析。Revit提供了约束类型、材料类别、几何特性等功能模块进行模型信息设置，采用Robot对建立的结构模型进行线性和非线性分析，实现索结构、梁结构的约束和重力二阶效应分析、谐振响应、时程分析等功能。

进入Robot程序后，选定单元类型，通过定义材料参数确定单元节点、截面积构成结构单元，根据实际工况信息对模型施加荷载约束条件进行结构的力学性能分析。本文选取空间桁架为对象，设定模型弹性模量E=2.2×1011?N/m2，泊松比为0.2，横截面积220?mm2，图8在桁架横梁位置施加10.00?MPa垂直向下的力，获得桁架的位移分析云图，可看出该桁架的最大位移量为7.8?mm，满足实际使用需求。

3?基于Navisworks 的三维施工模拟

基于钢网架结构实际应用需求，主要是针对项目的施工进度进行模拟。采用Navisworks通过构建多种动画类型实现对钢网架各构件的监测查看、预览、Navisworks 模拟实际操作等。若通过Navisworks应用界面菜单栏中的Timeliner施工进度模拟钢网架结构的拼装阶段模拟，可选择对象动态和进度动态来构建钢网架结构的整体吊装和滑移阶段的施工模拟。

3.1?拼装阶段进度模拟

为提高施工单位分段拼装效率，制定合理的资金计划，保证工程及时推进，实际拼装过程中，根据钢网架结构的特征将整个体育馆钢网架项目分为6个拼装区域，依据前期的施工部署和工程进度要求，对每个区域制定施工进程计划方案。Navisworks中对拼装阶段进度的具体模拟操作过程如下。

3.1.1?在Revit完成钢网架结构建模

根据Project进度进化分区建模，为方便分区统计，各构件根据区段属性命名如图9所示。对同一施工段，在各构件的属性栏填写与进度计划相应的名称，以便Navisworks进度计划编制和追踪。

3.1.2?进度计划编排

由于Navisworks在进行阶段进度标志中是依据时间显示来执行，不能实现前置工作的编制，因此采用Project编制前期工作，满足进度计划的快速编制和修改。只需将Project修改内容复制到SCV文件中导入Nacisworks便实现了对进度进化的修改，且将编制名称、计划时间、工期安排一起导入到SCV格式文件中。

3.1.3?Nacisworks的Microsoft excel csv导出文件

采用Microsoft excel csv文件能同时满足对Navisworks总进度计划的导入与导出工作。在文件导入中，通过设置相应的映射规则将任务名称、工期、计划时间、ID信息、注释、材料费用等信息添加到对应位置上。

3.1.4?“Time Liner”进度计划模型工具模拟钢网架结构施工

应用Navisworks 中的Time Liner工具导入各类模块进度，并建立模型与进度任务的连接实现各阶段的施工模拟。Navisworks中提供了多种模拟方式，包括对实际进度、计划进度和相对进度的模拟，也可跟踪项目进度费用，并以动画或图片形式导出。图10为钢网架整体拼装前后示意。

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3.2?整体提升阶段模拟

将钢网架结构模型导入 Navisworks，结合进度工具和动画工具模拟各施工段工作内容，并利用融合的视频制作软件，添加必要的标准信息，包括音频、视频信息和文字信息在施工重点阶段，使用Navisworks中的Animater工具实现钢网架结构的整体滑移动画视频模拟，通过生成的视频文件直观展示钢网架结构的提升和滑移阶段模拟。具体执行过程如下。

3.2.1?编制对象动画

采用 Animater工具实行钢网架结构提升阶段施工模拟作业，如图11所示。

3.2.2?提升施工进度计划设置

提升阶段进度计划编制与安装进度计划类似。指定对象动画，通过“Time Liner”工具栏中的“任务”选项卡列表提供的“动画匹配”选项将计划进度表链接到相应的“动画”应用界面中，实现钢网架提升阶段动画界面与进度计划的匹配（图12）。通过“音频软件”生成视频下的音频文件，可利用“视频制作软件”对视频文件进行后期处理，细化施工模拟。

可利用“Time Liner”工具进行进度模拟、利用Animater工具进行结构吊装和滑移等典型阶段的动画视频化模拟；应用“动画匹配”和“音频软件”有效提升模拟阶段的视频文件。视频主要包括提升系统组成、施工段模拟，并可通过嵌入文字、声音重点标注关键施工节点；采用视频文件有利于使用者对施工全环节的监测，并为其他施工工序和布置提供有效分析手段。

4?结束语

（1）应用Revit软件构建网架结构的幕墙嵌板族构建网架单元结构，可利用Robot软件与Revit间的无缝对接，通过定义材料参数，根据实际工况信息对模型施加荷载约束条件进行结构的力学性能分析。

（2）通过Navisworks中的Timeliner施工进度模拟钢网架结构的拼装阶段。根据Project进度进化分区建模实现对Navisworks进度计划编制和追踪；采用Project编制前期工作，满足进度计划的快速编制和修改；采用Microsoft excel csv文件能同时满足对Navisworks总进度计划的导入与导出工作。

（3）使用Navisworks 中的“Time Liner”进度计划模型工具模拟钢网架结构施工，建立模型与进度任务的连接进行施工模拟。采用Animater工具实现钢网架结构的整体滑移动画视频模拟，并在关键施工段插入音频、文字信息实现视频文件预处理，可提升模型施工段处理能力。