BIM技术在装配式钢结构工程中的应用

姚程渊 陈 烨 吴宣泽 卢 干 王 琦

(东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096)



BIM技术在装配式钢结构工程中的应用

姚程渊 陈 烨 吴宣泽 卢 干 王 琦

(东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096)

以徐州飞虹新型装配式钢结构保障性住宅项目为例，从采光能耗、节点连接、碰撞检测、预制构件生产清单、施工管理等方面，阐述了BIM技术在装配式钢结构工程全寿命周期中的应用，指出BIM技术具有可视化、协调性、模拟性等优点，应用前景广阔。

BIM技术，钢结构，采光，节点模型

1 概述

建筑工业化是实现建筑产品节能环保、质量可靠、生产高效、全生命周期价值最大化的可持续发展的新型建筑生产方式。在这种全新理念支配下，装配式钢结构已成为建筑工业化的主力军。然而，装配式钢结构往往工程规模巨大、构件种类繁多、结构体系复杂，这给装配式钢结构工程的设计、施工、管理带来诸多挑战。BIM(Building Information Modeling，中文译名:建筑信息模型)是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目全生命周期各种相关信息的工程数据模型，它具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点[1]。通过构建建筑信息模型，方便了装配式钢结构的设计、施工、管理及运营维护，具有巨大应用前景。

本文以徐州飞虹新型装配式钢结构保障性住宅项目为背景工程，通过建立BIM 3D模型，对该工程进行采光能耗分析、钢结构节点模型建立、预制构件生产清单管理、施工进度模拟等，研究BIM技术在装配式钢结构中的具体实践，推动BIM在建筑工业化中的应用。

2 应用案例

2.1 工程概况

徐州飞虹新型装配式钢结构保障性住宅项目，建设单位为徐州飞虹网架建设有限责任公司，建设地点位于徐州飞虹网架建设有限责任公司厂区内，西邻206国道。本工程为安置房廉租房样板楼，本项目总建筑面积为1 613.2 m2，廉租房地上3层，楼梯间及设备用房局部4层，无地下室。建筑结构安全等级为二级，使用年限50年，抗震设防烈度为7度，耐火等级为二级，抗震设防类别为丙类。本工程主要结构形式为钢框架结构，底部基础采用钢筋混凝土现浇法施工，上部钢结构采用预制装配法施工。

2.2 设计流程

传统土木工程行业在2D环境下进行图纸绘制，建筑、土木、机电等专业相对独立绘制工程图，各个专业对于工程项目的变更难以做到协调统一。搭建建筑信息模型平台，将各专业图纸数据统一在BIM模型中，通过碰撞检查，有助于协调统一解决工程问题[2]。本案例首先在Autodesk Revit 2014软件中建立3D模型，进行项目的采光分析与能耗分析，为建筑最佳朝向及建筑间距提供设计依据；之后建立钢结构节点模型，为新型钢结构节点提供可视化3D图纸；通过Revit模型，进行构件生产清单计算，为构件生产提供依据；通过Revit模型与Naviswork软件的接合，模拟装配式钢结构施工过程，为施工过程管理提供可靠依据。

2.3 BIM建模

在本案例中，采用Autodesk Revit 2014软件进行BIM建模，针对Autodesk Revit Structure工具软件的初级用户和在简单工程项目的结构设计中BIM技术的应用，在本项目实践过程中提出以下设计技巧：第一，创建符合个人、团体设计习惯的项目样板，定制项目模板，使项目浏览器的组织结构、视图的各项参数、出图的基本设置符合各专业的绘图标准和工程师的习惯，提高设计效率。第二，在已有族库的基础上创建本工程的构件族，本工程在保证结构受力性能的前提下为保证建筑空间完整性，力求构件不凸出墙体，因此采用了异形束柱及其配套节点，创建异形束柱族使模型表达更清晰准确，更好地模拟了工程构件的预制装配。第三，明确建筑模型信息深度，做好物理模型与分析模型的可靠对接与管理。本项目后续要进行采光能耗分析，因此需对围护结构相关参数进行设置而建议禁用分析模型以提高模型性能。基于以上实践所得经验，对徐州飞虹新型装配式钢结构保障性住宅项目进行BIM模型构建，形成完整的BIM模型，见图1，图2。

2.4 采光能耗分析

作为绿色建筑的重要评判标准，采光分析与建筑的窗墙比和户型有关。采光分析又分为最佳朝向分析和日照间距分析两大部分。本项目中将对这两部分分别进行分析，并以此为依据对建筑进行调整与评判。

应用建立的BIM模型进行采光分析，评判标准与Revit分析时采用的评判标准一致，即美国LEED标准。此标准要求：75%的经常性使用空间满足在秋分日的上午(本案例采用2010年秋分日即9月21日)9点和下午3点(晴天情况下)的采光照度的最小不低于25尺烛光(约等于270 Lux)，同时最大不高于500烛光(约等于5 400 Lux)。利用模型进行分析，角度选取为顺时针0°～360°。以10°为分析单位，每隔10°进行一次采光分析(见图3)。

将楼间距定为10 m，并按最佳朝向南北方向排列，所有建筑都为修正过的建筑模型，进行有建筑物遮挡时的采光分析(如图4所示)。

建筑能耗是衡量绿色建筑的一个重要指标。Revit软件中包含“能量分析”和“热负荷和冷负荷分析”两个能耗分析模块，通过这两个模块对已有模型进行分析优化。通过优化设计的分析结果，得出结论：使用高隔热层的外墙的冷负荷与热负荷均最低，典型冷气候隔热层次之，典型温和气候隔热层最高。可以将之前定义的外墙泡沫夹心混凝土保温层改为高隔热层。

2.5 节点模型建立

为保证装配式钢结构的体系稳定，需要可靠的节点连接。随着研究的深入，近年来提出了许多新型钢结构节点模型，这些新型节点连接方式，往往由于体系构造复杂、安装工序繁多而难以被一线工程人员所掌握。通过BIM模型建立钢结构节点模型(见图5)，可以提高图纸的可视化与模拟性，3D模型有助于构件生产方对构件的理解，也可以辅助施工人员正确安装构件、组装节点。本案例以徐州飞虹新型装配式钢结构保障性住宅项目中异形束柱正交节点为例，应用Revit软件建立3D模型。

2.6 碰撞检测

装配式钢结构设计、生产、施工都需要做到精密化，构件需要严格按照尺寸要求、质量要求、位置要求进行生产和安装，BIM模型能够以整合统一的理念，查找各项冲突列表，减少人工手动检查所造成的纰漏。通过对三维设计的高效分析与协调，能够及早预测和发现错误，进行更好的控制，避免因误算造成的昂贵代价。通过BIM模型，能够快速、直观地发现设计图纸中的多种错误，如与标高有关的错误、与尺寸有关的错误、与位置有关的错误、与空间布局、管线走向有关的错误。完成碰撞测试之后，可以通过软件自动生成文本、html格式的报告，模型中存在的冲突通过可视化的逼真渲染图展现，也可以直接在项目中漫游查看其细部构造(见图6)。

2.7 预制构件生产清单

装配式钢结构所需构件种类繁多，构件生产厂商需要根据工程需求及时生产相应种类的构件，并保证运输与现场堆放要求，因此，需要及时更新准备预制构件生产清单，通过Revit软件，能够及时获取项目所需要的构件清单，并能够通过Revit软件实时导出2D图纸，通过对应的尺寸资料、材料资料、安装资料，保证构件生产尺寸与质量的精确性，确保构件安装的位置与精度。

2.8 施工模拟

建筑施工是整个项目过程中最为复杂的阶段，由于各种施工要素本身的不确定性，实际施工很难与施工计划相一致。Navisworks中的Timeliner可以将三维模型数据与项目进度表相关联，实现四维可视化效果，施工模拟则可以清晰地表现设计意图、施工计划与项目当前的进展状况。基于BIM的施工计划主要包括：工程项目的总体立面布置图、时间栏信息、任务栏信息、形象图形信息、标注名称以及工作周期。BIM模型的施工模拟以表现工程施工的整个流程为主，因此具有很强的针对性和说明性[3]。

对于施工模拟主要体现在以下三个方面：1)施工环境的4D模拟。基于建筑施工的BIM模型，对地形、平面与场景的渲染使得整个模型环境更加具有真实感。2)施工过程的4D模拟。基于Revit软件创建的结构施工模型，结合Navisworks等软件可以对建筑结构的整个施工工程进行可视化的模拟与分析，对每道工序进行定义与调整，实时跟进施工进度并根据最新的实际进度调整未来的施工计划。3)施工方案的优化。通过4D的施工过程模拟技术, 可以依据不同的时间间隔对施工进度进行正序或逆序的模拟。管理人员可以直观地观察到不同时段的工程结构的施工进展和某一施工段或结构构件的详细施工状况,由此可以对多种施工方案的可实施性进行比较, 进而为施工方法的优化提供支持。

3 结语

将BIM技术应用于装配式钢结构，将建筑信息化与建筑工业化有机融合，有助于对装配式钢结构的各个过程进行全寿命周期的信息集成和项目管理，为建筑、土木、机电等不同专业搭建通用平台，便于设计变更与信息交互。通过可视化模型的构建，有助于一线工程人员对于结构体系的理解，结合Navisworks软件进行4D施工进程模拟，实现施工计划的实时调整与施工方案的优化。将建筑信息化模型融入到建筑工业化中，具有巨大应用前景。

[1] 何关培.BIM总论[M].北京：中国建筑工业出版社,2011：10-13.

[2] 宫文军，曹 杨，巩俊松.基于BIM技术的装配式构件系统设计与优化[J].安装，2014(1):55-57.

[3] 李新伟，李 文，樊则森.北京市装配式公租房实验楼设计中的 BIM 应用研究[J].建筑技艺，2014(2):94-98.

Application of BIM technology in assembled steel structure

Yao Chengyuan Chen Ye Wu Xuanze Lu Gan Wang Qi

(SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Taking the new prefabricated steel structure affordable housing project in Xuzhou Feihong as an example, from the lighting energy consumption, node connection, collision detection, prefabricated components production list, construction management and other aspects, elaborated the application of BIM technology in prefabricated steel structure engineering whole life cycle, pointed out that BIM technology with visualization, coordination, simulation and other advantages, had board application prospect.

BIM technology, steel structure, lighting, node model

1009-6825(2016)10-0061-02

2016-01-28

姚程渊(1992- )，女，在读本科生; 陈 烨(1994- )，男，在读本科生; 吴宣泽(1994- )，男，在读本科生;

TU391

A

卢 干(1994- )，男，在读本科生; 王 琦(1993- )，女，在读本科生