施工是结构从无到有的过程,是建筑全寿命周期最为重要的环节,施工阶段的安全性,直接关系着项目的质量、成本及运营维护难度。超高层建筑工程规模大、施工周期长,施工方法和施工荷载对结构受力和变形产生不利影响。施工前如果没有科学的施工方案、直观的施工流程、明确的结构危险截面,施工阶段没有及时掌握结构内力状态,将产生施工期间安全隐患,甚至导致安全事故。本文以天津诺德英蓝国际金融中心项目施工阶段作为研究背景,以超高层建筑施工模拟计算和内力监测研究为中心,以BIM可视化技术为表达手段,以科学指导施工、保证施工安全为目标。运用BIM及计算机技术,通过BIM模型数据的共享功能实现有限元软件对BIM模型数据的访问和提取功能,完成基于BIM技术的超高层建筑施工阶段内力监测与模拟研究,主要研究内容如下:1.研发超高层建筑BIM技术建模标准,实现三维模型数据共享功能针对“巨型柱+钢板剪力墙+伸臂桁架+环形桁架”混合体系,以BIM为平台,对API接口二次开发,研发基于Revit钢结构建模优化软件,解决建立三维空间桁架体系、优化钢结构节点等关键问题,创建并丰富超高层建筑BIM族库,形成一套完整的BIM技术建模标准,为超高层建筑BIM建模工作提供借鉴和指导。根据IFC标准划分BIM数据,结合XML文件和关系数据库,开发BIM模型数据存储和访问机制,数据访问效率提高6倍。基于Visual Studio平台,运用C#语言开发程序接口模块,实现BIM三维模型共享和有限元软件访问的功能。2.考虑时变影响的超高层建筑施工阶段模拟研究根据结构时变、荷载时变、材料时变理论,基于BIM可视化技术进行主体结构施工全过程仿真模拟。运用研发的程序接口模块,将主体结构BIM模型数据导入SAP2000软件,对核心筒领先外框架合理施工层数、主体结构加载方式、混凝土收缩徐变进行施工模拟。分析巨型柱及核心筒竖向位移、主体结构竖向位移差,确定危险截面位置,得到采用精确施工过程加载法,核心筒领先外框架8-12层施工时,对结构竖向位移和竖向位移差影响最小。考虑混凝土收缩徐变时,巨型柱和核心筒竖向位移最大值分别增加21.69%和52.57%,主体结构竖向位移差增加近3倍,结构设计和施工阶段应考虑收缩徐变的不利影响,降低安全隐患。3.基于云平台及BIM技术的结构内力监测工作创新研究基于云计算和云存储技术,提出云平台监测系统架构方案,开发一套完整高效的超高层建筑云平台内力监测系统,解决监测数据的共享问题。基于BIM及VB语言,开发监测系统优化软件,实现测点可视化管理、传感器精确定位查找、应力发展曲线快速调取等功能,解决监测工作的可视化问题。通过安装709个振弦式应变传感器,进行巨型柱、钢板剪力墙等的内力监测,将监测值与模拟值对比,吻合较好。通过测点应力发展曲线分析结构应力状态和发展趋势,保证施工阶段安全稳定。4.水平加强层施工阶段力学性能研究运用研发的BIM软件优化桁架钢节点,制作水平加强层施工全过程模拟动画,检查结构设计缺陷及专业管线碰撞。将水平加强层BIM模型通过研发的程序接口模块导入SAP2000软件,进行伸臂桁架形式、桁架节点连接时间的力学计算,得出金融中心水平加强层宜采用K形伸臂桁架,宜将其在主体结构施工完成后一次性安装,避免次生应力过大造成桁架杆件屈服。进行伸臂桁架和环形桁架现场应力监测,分析结构应力状态及发展趋势,保证施工阶段安全稳定。5.施工设备对钢板剪力墙结构的影响研究建立金融中心钢板剪力墙、动臂塔吊及液压爬模BIM三维模型,进行钢板剪力墙在施工设备附着下的施工全过程仿真模拟。将施工设备模型导入ANSYS软件,计算其支撑系统节点荷载值。将钢板剪力墙模型导入SAP2000软件,考虑塔吊吊臂与墙体成不同夹角的五种工况,计算并分析钢板剪力墙应力和位移云图,得到吊臂与墙体垂直作业时为最不利工况,施工阶段应尽量缩短该工况作业时间。塔吊及爬模共同附着时,墙体最大竖向应力和最大竖向位移较无施工设备附着时分别增加68.9%和30%。现场进行钢板剪力墙内力监测,保证塔吊额定荷载起重时钢板剪力墙的安全性。6.钢板剪力墙焊接残余应力研究将钢板BIM三维模型与ANSYS直接耦合法结合,通过对焊接钢板尺寸及热源荷载施加方式的优化,建立钢板焊接计算模型,模拟钢板焊接热场和结构场的共同作用,得到钢板温度场和应力场数值,与钢板残余应力监测值对比,二者吻合较好。纵向残余应力和横向残余应力在焊缝中间区域呈现拉应力状态,两端呈现压应力状态,纵向残余应力数值远大于横向残余应力,是产生焊接残余应力的主要因素。通过将钢板焊接残余应力监测值与精确加载法工况下的应力值线性叠加,提出钢板剪力墙正常使用阶段应力状态的预测方法,预测钢板剪力墙在正常使用阶段应力值是安全的。