近年來(lái)，隨著我國(guó)建造技術(shù)的不斷完善，以型鋼混凝土為代表的組合結(jié)構(gòu)也越來(lái)越受到關(guān)注，特別是在大跨度橋梁、體育館等大型公用建筑中。由于利用組合結(jié)構(gòu)的建筑物重要性較高且結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，導(dǎo)致其建造周期長(zhǎng)、跨業(yè)務(wù)廣（設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、運(yùn)維）、多主體、質(zhì)量要求嚴(yán)格，組合結(jié)構(gòu)建造環(huán)節(jié)復(fù)雜、異常擾動(dòng)因素眾多，傳統(tǒng)模式下的施工方法已無(wú)法滿足當(dāng)前組合結(jié)構(gòu)建造智能化的發(fā)展要求。

智能建造是一種廣義的概念，是指在建造過(guò)程中，利用先進(jìn)的智能化、機(jī)械化技術(shù)手段，達(dá)到質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本更優(yōu)的目的，構(gòu)建項(xiàng)目建造和運(yùn)行的智能化環(huán)境。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的智能建造方法的研究和應(yīng)用也成為土木工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)。買(mǎi)亞鋒等通過(guò)分析BIM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了BIM+物聯(lián)網(wǎng)融合驅(qū)動(dòng)的智能建造綜合管理系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)建造方式進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)，并構(gòu)建了無(wú)人化的施工模式。楊文博等分析BIM和VR技術(shù)特點(diǎn)，將其應(yīng)用到倉(cāng)儲(chǔ)類工程施工過(guò)程，縮短了建

造周期，降低了施工成本。霍麗娜為提高地鐵施工的智能化利用了BIM技術(shù)3D展示、深化設(shè)計(jì)、協(xié)同管理的功能，實(shí)現(xiàn)了工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度管理的數(shù)據(jù)共享和信息傳遞。Andrew Basta等進(jìn)行了基于建筑信息模型的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可解構(gòu)性定量評(píng)估的研究。

但是，上述研究很少涉及組合結(jié)構(gòu)的智能建造，且對(duì)建造全過(guò)程、全要素系統(tǒng)優(yōu)化的研究也較少。本文分析傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)施工，結(jié)合亞運(yùn)會(huì)大型水上運(yùn)動(dòng)中心項(xiàng)目的施工特點(diǎn)，基于BIM技術(shù)進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)建造智能化研究，并探索BIM技術(shù)與人工智能融合驅(qū)動(dòng)的組合結(jié)構(gòu)智能建造。

1　組合結(jié)構(gòu)的施工方法

鋼–混凝土組合結(jié)構(gòu)具有剛度大、承載能力強(qiáng)、抗震性能好、高耐久性和耐火性等特點(diǎn)，多用于高層超高層建筑、大型體育場(chǎng)館、大跨度橋梁等重要性高的工業(yè)及民用建筑。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵點(diǎn)在于型鋼混凝土梁柱與鋼梁、鋼桁架關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的施工技術(shù)、施工工序和質(zhì)量監(jiān)管。

1.1　施工工藝

北支江水上運(yùn)動(dòng)中心體育場(chǎng)館上部為框架結(jié)構(gòu)，其中大跨度部位采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。在組合結(jié)構(gòu)中選用型鋼混凝土柱和型鋼混凝土梁。

本項(xiàng)目型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工主要包括4個(gè)步驟，即型鋼施工、鋼筋施工、模板施工、混凝土施工。型鋼在工廠按設(shè)計(jì)要求預(yù)制，進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，明確施工過(guò)程中各構(gòu)件的準(zhǔn)確位置。

1.1.1　型鋼施工

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在工廠預(yù)制的鋼構(gòu)件，需按深化設(shè)計(jì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。現(xiàn)場(chǎng)施工前要確定構(gòu)件的精確位置，以方便鋼筋綁扎，模板支設(shè)和混凝土澆筑。由鋼結(jié)構(gòu)安裝作為定位的重要依據(jù)，型鋼施工是整個(gè)組合結(jié)構(gòu)建造的基礎(chǔ)。

1.1.2　鋼筋施工

完成現(xiàn)場(chǎng)型鋼施工后，按深化設(shè)計(jì)加工鋼筋、布置腳手架。根據(jù)型鋼上預(yù)留的孔洞位置，布置鋼筋。由于型鋼的存在，增加了結(jié)構(gòu)剛度，因此，鋼筋可能會(huì)相應(yīng)減少，但仍需注意鋼筋間的搭接和錨固，并避免超筋和少筋的現(xiàn)象。

1.1.3　模板施工

模板的剛度和穩(wěn)定性應(yīng)嚴(yán)格把控，模板連接應(yīng)嚴(yán)密，以免漏漿。 

1.1.4　混凝土施工

混凝土的澆筑質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)的使用性能和力學(xué)性能，應(yīng)避免漏振、過(guò)振等現(xiàn)象。

1.2　施工控制難點(diǎn)

（1）本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)安裝范圍大，型鋼位置確定較難，且安裝過(guò)程受下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)影響，鋼結(jié)構(gòu)吊裝范圍大構(gòu)件自重較重，需使用大型吊裝設(shè)備。另外，受場(chǎng)地及基礎(chǔ)部分的影響，部分鋼結(jié)構(gòu)需經(jīng)加固處理才可施工。

（2）大型組合結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，為現(xiàn)場(chǎng)施工物料的調(diào)度增加了困難，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)面錯(cuò)綜復(fù)雜，影響吊裝機(jī)械施工。選擇施工方案時(shí)，還需綜合考慮進(jìn)度、質(zhì)量、安全等因素，加大了施工難度。

（3）組合結(jié)構(gòu)形式新穎，對(duì)各類構(gòu)件的要求嚴(yán)格，大型建筑內(nèi)部的各類管線設(shè)備種類繁多。須避免構(gòu)件與管線發(fā)生碰撞或遺漏增加了施工難度。

（4）現(xiàn)場(chǎng)大型施工機(jī)械多，調(diào)度復(fù)雜。吊裝工作量大，加大了機(jī)械吊裝的難度；作業(yè)面多，也為施工機(jī)械、物料的調(diào)度增加了難度。

（5）組合結(jié)構(gòu)施工就涉及鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋、模板、混凝土等多個(gè)業(yè)務(wù)層級(jí)，加大了安全、質(zhì)量、成本等方面的管理難度。由于本項(xiàng)目為重要性較高的建筑，對(duì)結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)測(cè)要求也更為嚴(yán)格。

2　基于BIM的組合結(jié)構(gòu)智能化建造體系

2.1　智能化建造方法體系搭建

基于BIM技術(shù)的特點(diǎn)，本項(xiàng)目研究并探索組合結(jié)構(gòu)智能化建造方法體系，從確定建筑方案到深化設(shè)計(jì)再到進(jìn)行模擬施工，各階段應(yīng)用BIM技術(shù)和相關(guān)軟件，為施工的可行性打下基礎(chǔ)。

基于BIM技術(shù)的組合結(jié)構(gòu)建造方法體系主要包括設(shè)計(jì)階段、深化設(shè)計(jì)、施工模擬三大方面。對(duì)其進(jìn)行精確分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建造施工過(guò)程的智能指導(dǎo)，智能化建造體系如圖1所示。

圖1　基于BIM技術(shù)的智能化建造方法體系

2.1.1　設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段主要包括建筑方案確定、結(jié)構(gòu)找形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3個(gè)環(huán)節(jié)。在確定建筑方案時(shí)，應(yīng)用Revit等軟件建立BIM模型，由建立的三維模型系統(tǒng)分析建筑采光、能耗等實(shí)現(xiàn)綠色建筑目標(biāo)。在結(jié)構(gòu)找形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，由BIM模型導(dǎo)入有限元分析模型，在建筑方案確定的基礎(chǔ)上確定構(gòu)件的尺寸、平面布置等結(jié)構(gòu)參數(shù)，為建筑結(jié)構(gòu)的可靠性提供依據(jù)。

2.1.2　深化設(shè)計(jì)

連接設(shè)計(jì)階段和施工階段的關(guān)鍵工序是深化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。組合結(jié)構(gòu)施工控制難點(diǎn)是型鋼之間的連接工藝。為此，在深化設(shè)計(jì)階段根據(jù)設(shè)計(jì)模型應(yīng)用Tekla對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式做成立體動(dòng)畫(huà)形式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行可視化的技術(shù)交底，提高了施工的精度。

2.1.3　施工模擬

基于BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度的模擬，在已確定的施工進(jìn)度計(jì)劃文件上，結(jié)合三維BIM模型，按時(shí)間信息制訂合理的施工工序，將BIM模型導(dǎo)入Navisworks，做到結(jié)構(gòu)的三維可視化漫游，也能進(jìn)行碰撞檢測(cè)，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的施工誤差。通過(guò)設(shè)置時(shí)間節(jié)點(diǎn)，可直觀分析各時(shí)刻的施工工序，進(jìn)而模擬整個(gè)建造過(guò)程，保證在計(jì)劃工期內(nèi)完成施工。

2.2　BIM技術(shù)與現(xiàn)代化技術(shù)的融合

2.2.1　BIM與三維激光掃描

利用BIM技術(shù)既可完成從設(shè)計(jì)到施工再到運(yùn)維的正向操作，還可實(shí)現(xiàn)由建筑物到虛擬模型轉(zhuǎn)化的逆向設(shè)計(jì)。基于三維激光掃描的優(yōu)點(diǎn)，可獲取建筑物構(gòu)件的所有位置信息，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而建立點(diǎn)云模型由逆建模形成施工過(guò)程的BIM模型。在型鋼安裝前對(duì)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)先安裝模擬，確定構(gòu)件的最終位置坐標(biāo)。由三維激光掃描對(duì)模擬安裝的構(gòu)件提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)比逆建模形成的BIM模型與設(shè)計(jì)時(shí)的BIM模型，及時(shí)調(diào)整施工誤差，從而保證了施工與設(shè)計(jì)的一致性，以提高施工精度，并為后續(xù)的鋼筋、模板施工提供支撐。型鋼安裝模擬流程如圖2所示。

圖2　鋼結(jié)構(gòu)安裝模擬流程

2.2.2　BIM與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

組合結(jié)構(gòu)形式新穎，對(duì)各類構(gòu)件的要求更嚴(yán)格，由于大型工業(yè)民用建筑內(nèi)部的各類管線設(shè)備十分齊全，因此要求施工時(shí)避免構(gòu)件與管線發(fā)生碰撞或遺漏。BIM模型建成后導(dǎo)入U(xiǎn)NITY 3D中進(jìn)行加工處理，結(jié)合BIM+VR技術(shù)，將三維模型以虛擬現(xiàn)實(shí)的狀態(tài)呈現(xiàn)給有關(guān)人員進(jìn)行沉浸式的施工交底，讓現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)復(fù)雜的工藝及流程有更直觀的理解。BIM與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行的可視化技術(shù)交底直觀地展示了構(gòu)件和管線的細(xì)部構(gòu)造，返工現(xiàn)象。BIM與VR融合驅(qū)動(dòng)的可視化技術(shù)交底如圖3所示。

圖3　BIM與VR融合驅(qū)動(dòng)的可視化技術(shù)交底（計(jì)算機(jī)截圖）

2.2.3　BIM與RFID技術(shù)

由于組合結(jié)構(gòu)施工，現(xiàn)場(chǎng)跨專業(yè)、跨業(yè)務(wù)工序較多，因此型鋼構(gòu)件管理成為一個(gè)難題。為此，將RFID技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，以云端作為服務(wù)端，構(gòu)件信息為主線，開(kāi)發(fā)協(xié)同管理平臺(tái)，串聯(lián)型鋼的生產(chǎn)、運(yùn)輸、進(jìn)場(chǎng)、安裝等過(guò)程，可通過(guò)移動(dòng)端、系統(tǒng)管理端、網(wǎng)頁(yè)端管控型鋼的信息數(shù)據(jù)。應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行的型鋼構(gòu)件生產(chǎn)，可生成帶有型鋼信息的料單和電子標(biāo)簽，將電子標(biāo)簽粘貼在相應(yīng)的構(gòu)件上，結(jié)合協(xié)同管理平臺(tái)，一物一碼進(jìn)行構(gòu)件施工過(guò)程的信息管理。

3　基于BIM的建筑信息化和智能化管理系統(tǒng)

3.1　C/S架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的管理平臺(tái)

本項(xiàng)目組合結(jié)構(gòu)施工涉及鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋、模板、混凝土等多個(gè)業(yè)務(wù)層級(jí)，增加了施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)安全、質(zhì)量、成本等方面的管理難度。對(duì)比在BIM模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合組合結(jié)構(gòu)施工所需材料開(kāi)發(fā)了專項(xiàng)管理平臺(tái)，內(nèi)容包括功能的確立、數(shù)據(jù)的采集、界面的設(shè)計(jì)、信息的輕量化、模型的擬真渲染、機(jī)位的設(shè)立、腳本的編寫(xiě)等。C/S架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程如圖4所示。

圖4　C/S架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程

在管理平臺(tái)上整合模型、圖紙、信息，將所有的資料匯為一體，以方便查看。平臺(tái)為獨(dú)立文件，不需要性能電腦，且不需要BIM軟件支持，便于在施工現(xiàn)場(chǎng)交流。平臺(tái)內(nèi)置了大型文件和圖紙，以及施工工藝視頻，便于技術(shù)交底、查閱和使用，還可進(jìn)行人員、進(jìn)度、機(jī)械管理。平臺(tái)測(cè)量工具，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況使用，便于現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收檢查。將結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融入到平臺(tái)，可通過(guò)平臺(tái)接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息，監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)的安裝情況。

3.2　施工過(guò)程的智能管控

3.2.1　施工質(zhì)量智能管控

在C/S架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的管理平臺(tái)下，通過(guò)三維模擬施工，所有通過(guò)軟件展現(xiàn)施工細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)BIM可視化交底，提高了現(xiàn)場(chǎng)人員的工作效率。利用基于BIM的虛擬建造、預(yù)拼裝、可視化交底及現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)端檢查等技術(shù)，確保了屋面結(jié)構(gòu)、型鋼結(jié)構(gòu)施工計(jì)劃有序執(zhí)行。通過(guò)輕量化處理，方便質(zhì)量檢查，將查出的質(zhì)量問(wèn)題與平臺(tái)連接，通過(guò)手機(jī)端檢查問(wèn)題、錄入平臺(tái)后可自動(dòng)生成質(zhì)量問(wèn)題整改單，并對(duì)整改進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。

3.2.2　施工安全智能管控

BIM技術(shù)的顯著特點(diǎn)是可視化、模型化、數(shù)字化，將BIM技術(shù)用于施工安全管理，可顯著提高安全管理的效率。在組合結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程中極易出現(xiàn)安全問(wèn)題，在BIM技術(shù)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行施工安全管理，可有效提高管理的信息化水平。

在組合結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中，將BIM模型信息錄入管理平臺(tái)，并依據(jù)模型模擬布置監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行定位并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，整改問(wèn)題，經(jīng)過(guò)審核檢查形成閉合管理后，將數(shù)據(jù)回傳至平臺(tái)，在平臺(tái)中形成安全隱患數(shù)據(jù)庫(kù)。施工安全管理流程如圖5所示。

圖5　施工安全管理流程

3.2.3　施工成本智能管控

利用BIM模型提取材料用量，依據(jù)提取的數(shù)據(jù)編制混凝土采購(gòu)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)混凝土材料實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理。對(duì)混凝土的計(jì)劃使用量進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾恚瑢?shí)現(xiàn)對(duì)每天、周、月及任意時(shí)間的材料用量動(dòng)態(tài)查詢及發(fā)行。通過(guò)合理安排混凝土的用量，指導(dǎo)施工人員的分配、材料的采購(gòu)、罐車(chē)泵車(chē)的進(jìn)出場(chǎng)，還可根據(jù)混凝土使用總量，控制日混凝土計(jì)劃使用量，實(shí)現(xiàn)限額領(lǐng)料模式管理。

利用移動(dòng)端通過(guò)智能化平臺(tái)查詢剩余混凝土總量，可進(jìn)一步精準(zhǔn)化管理混凝土進(jìn)場(chǎng)量，避免混凝土材料浪費(fèi)。施工完畢后，通過(guò)平臺(tái)提取材料實(shí)際耗量對(duì)比表，掌握實(shí)時(shí)偏差。定期組織混凝土材料成本分析并制訂相應(yīng)對(duì)策，實(shí)現(xiàn)混凝土工程量精細(xì)化管理。本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了建模軟件與算量軟件之間的數(shù)據(jù)交互使用，同時(shí)完成對(duì)混凝土材料計(jì)劃的編制與分析，改善了施工階段A類材料管控模式，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化管理。

4　結(jié)論

本文結(jié)合亞運(yùn)會(huì)水上運(yùn)動(dòng)中心項(xiàng)目組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，總結(jié)了型鋼施工、鋼筋施工、模板施工、混凝土施工，并分析了施工過(guò)程的控制難點(diǎn)。針對(duì)施工中4個(gè)主要環(huán)節(jié)控制難點(diǎn)，探索了基于BIM的智能化建造方法體系，以設(shè)計(jì)、深化、模擬3個(gè)環(huán)節(jié)為施工作支撐，研究了BIM協(xié)同其他信息技術(shù)對(duì)施工智能化的提升。

在施工管理方面，搭建了C/S架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的管理平臺(tái)，對(duì)施工的質(zhì)量、安全、成本進(jìn)行智能化管控。綜合BIM技術(shù)的特點(diǎn)，融合人工智能探索了組合結(jié)構(gòu)智能建造系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)建造過(guò)程的動(dòng)態(tài)感知、智能診斷、科學(xué)預(yù)測(cè)及精準(zhǔn)執(zhí)行。