CN108319755B - 一种超高层液压爬模脚手架施工的全过程优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种超高层液压爬模脚手架施工的全过程优化方法，本发明涉及脚手架全过程优化方法，本发明是要解决现有的超高层建筑的液压爬模脚手架搭设方案的合理性、安全性不能预判的技术问题，该方法利用BIM平台核心建模软件Revit structure 2014、有限元结构分析软件Midas Gen以及施工模拟软件Autodesk Navisworks对脚手架体系进行结构优化并进行施工模拟，使设计和管理进入3D可视化设计阶段，实现各项安全计算及施工过程的前瞻性管理。该方法可用于建筑结构设计及施工管理领域。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程领域，属于一种脚手架全过程优化方法。
背景技术
随着社会的不断进步和科学技术的迅猛发展，建筑行业正在进行第三次信息革命，传统的二维绘图方式逐渐被三维建筑信息模型BIM(Building Information)所取代。相对于传统的CAD绘图模式，采用建筑信息模型的设计方式具有全建筑周期3D可视化、多专业协同设计、参数化，多方交互等特点。进入现代社会，伴随着设计理论和施工技术水平的不断发展，各种形式的超高层结构正如“雨后春笋”般在世界各地出现。这些超级工程在不断刷新各项工程建设纪录的同时，也给现有施工技术带来了更多的挑战。全球超高层建筑应用较为成熟的体系形式是核心筒(钢筋混凝土结构)+外框架(钢结构或钢混结构)结构。其中，核心筒结构施工一般领先外框架先行，处于施工进度关键线路上，直接影响到后续工作的进展情况。外框架钢结构的施工则是项目的另一重要部分，也是结构施工阶段持续时间最长的工作之一，在很大程度上决定着工程能否如期完工。核心筒和外框架的相互协调、正常连续施工都有利于提高施工效率，加快项目的整体进度和降低成本。有鉴于此，综合考虑工程质量和工作效率等因素，超高层建筑的核心筒墙体施工普遍采用液压爬模工艺。但因施工环境复杂、脚手架自身结构缺陷、施工顺序不当等原因，再加上对液压脚手架搭设方案的安全性、稳固性不能提前预知或检测，液压脚手架事故时有发生，事故往往会造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失。因此，建立一套基于BIM技术的超高层结构液压爬模脚手架优化方法大有裨益。
发明内容
本发明是要解决现有的超高层建筑的液压爬模脚手架搭设方案的合理性、安全性不能预判的技术问题，而提供一种超高层液压爬模脚手架施工的全过程优化方法，从超高层脚手架前期建模，到中期结构优化，后期施工模拟等一系列过程进行全周期的优化。
本发明的超高层液压爬模脚手架施工的全过程优化方法，按以下步骤进行：
步骤一：收集超高层工程中液压爬模脚手架施工方案的布置形式、杆件截面信息及超高层工程主体结构信息；其中布置形式包括脚手架体的跨度、高度以及各层宽度；杆件包括上平台立杆、上平台横杆、上平台斜撑、三脚架横梁、三脚架立杆、三脚架斜撑、吊平台立杆、吊平台横杆、主平台主梁、其他平台横梁，截面信息包括截面类型以及型号；主体结构信息包括层高、层数、梁板柱信息、各层平面布置情况；
步骤二：利用步骤一收集的主体结构信息，在Revit structure 2014中按照主体结构轴网、立柱、外墙的顺序建立超高层工程主体结构模型，然后使用步骤一中脚手架结构信息按照从下至上的顺序，以铰接的连接方式创建液压爬模脚手架族，再将脚手架通过添加“可载入族”的方式布置到主体结构模型上，得到包含脚手架与主体结构的三维信息模型；
步骤三：采用Midas Link for Revit Structure插件进行数据传递，传递过程为：使用附加模块中的【Send model to midas Gen】功能，选择单元划分尺寸为正常，选择导入模型范围为全部，选择单位为KN，mm，进行材料映射，把步骤二中三维信息模型的RVT文件格式转换为MGT格式文件；从Midas Gen中导入MGT文件格式的三维信息模型，得到相应的结构分析模型；
步骤四：在Midas Gen中，给步骤三中结构分析模型施加楼面活荷载、架体自重荷载、风荷载和支座约束，采用有限元分析方法，计算各个杆件的强度、刚度和长细比；并计算出架体总质量M、最大位移S和最大应力F的初始值M0、S0、F0；
步骤五：判断步骤四中结构分析模型各个杆件的强度、刚度和长细比是否满足钢结构设计规范GB50017-2003钢结构设计规范的要求，若否，对不满足设计规范的杆件通过改变截面类型和尺寸的方式进行重新设计，执行步骤四；若是，执行步骤六进行结构优化；
步骤六：从施工安全、材料充分利用和经济因素这三方面同时考虑，进行结构优化；具体优化过程为：对结构分析模型中主平台、三脚架的各构件的截面尺寸进行缩减，自架体底层往上分别以每3步、2步，1步增加或减少一根横向斜撑的方式调整支撑形式，将部分或全部的杆件的铰接连接方式改为刚接连接方式；再在Midas Gen中，给调整后的结构分析模型施加楼面活荷载、架体自重荷载、风荷载和支座约束，采用有限元分析方法，计算出调整后架体总质量、最大位移和最大应力的调整值M1、S1、F1，当在所有杆件满足钢结构设计规范GB50017-2003钢结构设计规范要求的前提下，出现总质量M减少20％以上、最大应力F减少10％以上、最大位移S没有增大的结果时，调整后结构分析模型即为得到优化模型；
步骤七：将优化模型在Midas gen中保存为MGT格式文件，在revit平台使用PDST插件打开MGT格式文件，形成三维建筑信息模型；
步骤八：通过revit平台将三维建筑信息模型的RVT格式文件另存为NWF格式文件，并从Navisworks中打开；
步骤九：使用Navisworks中的“TimeLiner”工具，创建四维进度模拟，按照施工方案的施工顺序来模拟施工进度，并与施工方案的施工计划进度相比较，得到施工计划进度与模拟进度的时间差；
步骤十：使用Navisworks中的“Clash Detective”工具进行碰撞检测，得到碰撞列表；
步骤十一：如果步骤九中的施工计划进度与模拟进度的时间差小于5天，且步骤十施工过程中无杆件碰撞，则施工进度计划合理，执行步骤十二；若否，调整施工方案的施工顺序，返回到步骤九；
步骤十二：结束。
更进一步的，步骤六中主平台的构件包括主平台立杆、主平台横杆、主平台斜撑、主平台横梁；
更进一步的，步骤六三脚架的各构件包括三脚架横梁、三脚架立杆、三脚架斜撑；
更进一步的，步骤九中，施工进度模拟的具体流程如下：①打开TimeLiner窗口，②打开”任务”标签，③右键菜单中选择“增加任务”，④输入施工方案的进度计划中的开始和结束时间，再输入实际施工的开始和结束时间；⑤选择任务类型，将脚手架部分选择临时类型，将主体结构部分选择建造类型；⑥按施工方案的施工顺序为每个任务附上该时段的建造对象，⑦检查任务附上的对象是否正确，⑧打开“模拟”标签，按播放键播放。
更进一步的，步骤十中，碰撞检测具体流程如下：①在Navisworks选择主体模型另存为“主体.nwc”；选择脚手架模型另存为“脚手架.nwc”；②打开“Clash Detective”窗口，③打开“添加测试”标签，并将项目命名为“液压爬模项目”，④在选择框左侧添加“主体.nwc”，选择框右侧添加“脚手架.nwc”，⑤点击运行测试，⑥导出碰撞列表。
本发明的优化方法利用BIM平台核心建模软件Revit structure 2014、有限元结构分析软件Midas Gen以及施工模拟软件Autodesk Navisworks，将BIM技术与建筑工程中液压爬模脚手架结构优化、施工设计与管理相结合，使脚手架结构优化、施工设计和管理进入3D可视化设计阶段，实现各项安全计算及施工过程管理功能的方法。
本发明提出的超高层脚手架全过程优化方法具有下列优点：
1、脚手架能在BIM平台3D可视化下进行建模，相比传统cad二维制图方式，具有更加直观，便捷。
2、引入Midas Gen作为整个体系的结构优化软件。克服了BIM平台结构分析软件Autodesk Robot Structural Analysis目前缺乏相应的中国设计规范，无法将BIM技术应用到我国结构设计中来的难题。
3、三维模型配合施工顺序时间可形成4D模型，通过空间及时间的呈现，更能给人直觉式的感受，3D模型配合预定的施工计划可将工地现况在计算机中进行仿真，找出施工中会产生的空间设计及时间冲突，在开工前召集各承包商对预先模拟出的冲突问题进行讨论，在正式开工前进行设计的变更或是施工计划的调整，提早发现并排除冲突，让拟定的施工计划更具有效率、整合性及完整性。
附图说明
图1是本发明的整体流程示意图；
图2是实施例1中超高层工程主体结构的示意图；
图3是实施例1中液压爬模脚手架的局部示意图；
图4是实施例1步骤六中主平台立杆、主平台横杆、主平台斜撑、主平台横梁、三脚架横梁、三脚架立杆、三脚架斜撑、量平台立杆、量平台横杆、上平台横梁的截面尺寸第一次缩减后的重量(曲线b)与未缩减前的重量(曲线a)比较的示意图。
具体实施方式
用下面的实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：本实施例的超高层液压爬模脚手架施工的全过程优化方法，按以下步骤进行：
步骤一：收集超高层工程中液压爬模脚手架施工方案的布置形式、杆件截面信息及超高层工程主体结构信息；其中布置形式包括脚手架体的跨度、高度以及各层宽度；杆件包括上平台立杆、上平台横杆、上平台斜撑、三脚架横梁、三脚架立杆、三脚架斜撑、吊平台立杆、吊平台横杆、主平台主梁、其他平台横梁，截面信息包括截面类型以及型号；主体结构信息包括层高、层数、梁板柱信息、各层平面布置情况；
步骤二：利用步骤一收集的主体结构信息，在Revit structure 2014中按照主体结构轴网、立柱、外墙的顺序建立超高层工程主体结构模型，如图2所示，然后使用步骤一中脚手架结构信息按照从下至上的顺序，以铰接的连接方式创建液压爬模脚手架族，脚手架局部如图3所示，再将脚手架通过添加“可载入族”的方式布置到主体结构模型上，得到包含脚手架与主体结构的三维信息模型；
步骤三：采用Midas Link for Revit Structure插件进行数据传递，传递过程为：使用附加模块中的【Send model to midas Gen】功能，选择单元划分尺寸为正常，选择导入模型范围为全部，选择单位为KN，mm，进行材料映射，把步骤二中三维信息模型的RVT文件格式转换为MGT格式文件；从Midas Gen中导入MGT文件格式的三维信息模型，得到相应的结构分析模型；
步骤四：在Midas Gen中，给步骤三中结构分析模型施加楼面活荷载、架体自重荷载、风荷载和支座约束，采用有限元分析方法，计算各个杆件的强度、刚度和长细比；并计算出架体总质量M、最大位移S和最大应力F的初始值M0、S0、F0；
步骤五：判断步骤四中结构分析模型各个杆件的强度、刚度和长细比是否满足钢结构设计规范GB50017-2003钢结构设计规范的要求，若否，对不满足设计规范的杆件通过改变截面类型和尺寸的方式进行重新设计，执行步骤四；若是，执行步骤六进行结构优化；
步骤六：从施工安全、材料充分利用和经济因素这三方面同时考虑，进行结构优化；具体优化过程为：对结构分析模型中上平台立杆、上平台横杆、上平台斜撑、三脚架横梁、三脚架立杆、三脚架斜撑、吊平台立杆、吊平台横杆、主平台主梁、其他平台横梁的截面尺寸进行缩减，自架体底层往上分别以每3步、2步，1步增加或减少一根横向斜撑的方式对调整支撑形式，将部分或全部的杆件的铰接连接方式改为刚接连接方式；再在Midas Gen中，给调整后的结构分析模型施加楼面活荷载、架体自重荷载、风荷载和支座约束，采用有限元分析方法，计算出调整后架体总质量、最大位移和最大应力的调整值M1、S1、F1，当在所有杆件满足钢结构设计规范GB50017-2003钢结构设计规范要求的前提下，出现总质量M减少20％以上、最大应力F减少10％以上、最大位移S没有增大的结果时，调整后结构分析模型即为得到优化模型；本步骤中主平台立杆、主平台横杆、主平台斜撑、主平台横梁、三脚架横梁、三脚架立杆、三脚架斜撑、量平台立杆、量平台横杆、上平台横梁的截面尺寸第一次缩减后的重量(曲线b)与未缩减前的重量(曲线a)比较的示意图如图4所示；
步骤七：将优化模型在Midas gen中保存为MGT格式文件，在revit平台使用PDST插件打开MGT格式文件，形成三维建筑信息模型；
步骤八：通过revit平台将三维建筑信息模型的RVT格式文件另存为NWF格式文件，并从Navisworks中打开；
步骤九：使用Navisworks中的“TimeLiner”工具创建四维进度模拟，具体流程如下：①打开TimeLiner窗口，②打开”任务”标签，③右键菜单中选择“增加任务”，④输入施工方案的进度计划中的开始和结束时间，再输入实际施工的开始和结束时间；⑤选择任务类型，将脚手架部分选择临时类型，将主体结构部分选择建造类型；⑥按施工方案的施工顺序为每个任务附上该时段的建造对象，⑦检查任务附上的对象是否正确，⑧打开“模拟”标签，按播放键播放；得到施工计划进度与模拟进度的时间差；
步骤十：使用Navisworks中的“Clash Detective”工具进行碰撞检测，具体流程如下：①在Navisworks选择主体模型另存为“主体.nwc”；选择脚手架模型另存为“脚手架.nwc”；②打开“Clash Detective”窗口，③打开“添加测试”标签，并将项目命名为“液压爬模项目”，④在选择框左侧添加“主体.nwc”，选择框右侧添加“脚手架.nwc”，⑤点击运行测试，⑥导出碰撞列表；
步骤十一：如果步骤九中的施工计划进度与模拟进度的时间差小于5天，且步骤十施工过程中无杆件碰撞，则施工进度计划合理，执行步骤十二；若否，调整施工方案的施工顺序，返回到步骤九；
步骤十二：结束。
Claims (5)
1.一种超高层液压爬模脚手架施工的全过程优化方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
步骤一：收集超高层工程中液压爬模脚手架施工方案的布置形式、杆件截面信息及超高层工程主体结构信息；其中布置形式包括脚手架体的跨度、高度以及各层宽度；杆件包括上平台立杆、上平台横杆、上平台斜撑、三脚架横梁、三脚架立杆、三脚架斜撑、吊平台立杆、吊平台横杆、主平台主梁、其他平台横梁，截面信息包括截面类型以及型号；主体结构信息包括层高、层数、梁板柱信息、各层平面布置情况；
步骤二：利用步骤一收集的主体结构信息，在Revit structure 2014中按照主体结构轴网、立柱、外墙的顺序建立超高层工程主体结构模型，然后使用步骤一中脚手架结构信息按照从下至上的顺序，以铰接的连接方式创建液压爬模脚手架族，再将脚手架通过添加“可载入族”的方式布置到主体结构模型上，得到包含脚手架与主体结构的三维信息模型；
步骤三：采用Midas Link for Revit Structure插件进行数据传递，传递过程为：使用附加模块中的【Send model to midas Gen】功能，选择单元划分尺寸为正常，选择导入模型范围为全部，选择单位为KN，mm，进行材料映射，把步骤二中三维信息模型的RVT文件格式转换为MGT格式文件；从Midas Gen中导入MGT文件格式的三维信息模型，得到相应的结构分析模型；
步骤四：在Midas Gen中，给步骤三中结构分析模型施加楼面活荷载、架体自重荷载、风荷载和支座约束，采用有限元分析方法，计算各个杆件的强度、刚度和长细比；并计算出架体总质量M、最大位移S和最大应力F的初始值M0、S0、F0；
步骤五：判断步骤四中结构分析模型各个杆件的强度、刚度和长细比是否满足钢结构设计规范GB50017-2003钢结构设计规范的要求，若否，对不满足设计规范的杆件通过改变截面类型和尺寸的方式进行重新设计，执行步骤四；若是，执行步骤六进行结构优化；
步骤六：从施工安全、材料充分利用和经济因素这三方面同时考虑，进行结构优化；具体优化过程为：对结构分析模型中主平台、三脚架的各构件的截面尺寸进行缩减，自架体底层往上分别以每3步、2步，1步增加或减少一根横向斜撑的方式对调整支撑形式，将部分或全部的杆件的铰接连接方式改为刚接连接方式；再在Midas Gen中，给调整后的结构分析模型施加楼面活荷载、架体自重荷载、风荷载和支座约束，采用有限元分析方法，计算出调整后架体总质量、最大位移和最大应力的调整值M1、S1、F1，当在所有杆件满足钢结构设计规范GB50017-2003钢结构设计规范要求的前提下，出现总质量M减少20％以上、最大应力F减少10％以上、最大位移S没有增大的结果时，调整后结构分析模型即为得到优化模型；
步骤七：将优化模型在Midas gen中保存为MGT格式文件，在revit平台使用PDST插件打开MGT格式文件，形成三维建筑信息模型；
步骤八：通过revit平台将三维建筑信息模型的RVT格式文件另存为NWF格式文件，并从Navisworks中打开；
步骤九：使用Navisworks中的“TimeLiner”工具，创建四维进度模拟，按照施工方案的施工顺序来模拟施工进度，并与施工方案的施工计划进度相比较，得到施工计划进度与模拟进度的时间差；
步骤十：使用Navisworks中的“Clash Detective”工具进行碰撞检测，得到碰撞列表；
步骤十一：如果步骤九中的施工计划进度与模拟进度的时间差小于5天，且步骤十施工过程中无杆件碰撞，则施工进度计划合理，执行步骤十二；若否，调整施工方案的施工顺序，返回到步骤九；
步骤十二：结束。
2.根据权利要求1所述的一种超高层液压爬模脚手架施工的全过程优化方法，其特征在于步骤六中主平台的构件包括主平台立杆、主平台横杆、主平台斜撑、主平台横梁。
3.根据权利要求1或2所述的一种超高层液压爬模脚手架施工的全过程优化方法，其特征在于步骤六中三脚架的各构件包括三脚架横梁、三脚架立杆、三脚架斜撑。
4.根据权利要求1或2所述的一种超高层液压爬模脚手架施工的全过程优化方法，其特征在于步骤九中，施工进度模拟的具体流程如下：①打开TimeLiner窗口，②打开”任务”标签，③右键菜单中选择“增加任务”，④输入施工方案的进度计划中的开始和结束时间，再输入实际施工的开始和结束时间；⑤选择任务类型，将脚手架部分选择临时类型，将主体结构部分选择建造类型；⑥按施工方案的施工顺序为每个任务附上实际施工的开始和结束时间之间的时段的建造对象，⑦检查任务附上的对象是否正确，⑧打开“模拟”标签，按播放键播放。
5.根据权利要求1或2所述的一种超高层液压爬模脚手架施工的全过程优化方法，其特征在于步骤十中，碰撞检测具体流程如下：①在Navisworks选择主体模型另存为“主体.nwc”；选择脚手架模型另存为“脚手架.nwc”；②打开“Clash Detective”窗口，③打开“添加测试”标签，并将项目命名为“液压爬模项目”，④在选择框左侧添加“主体.nwc”，选择框右侧添加“脚手架.nwc”，⑤点击运行测试，⑥导出碰撞列表。
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