基于BIM视角的建筑钢结构设计探究

【摘要】钢结构由于质轻、强度高，被广泛应用于高层、大跨度、异形建筑工程中。工程实践中，钢结构设计仍然存在很多问题，包括：设计方各自为政，衔接处理不当；构配件设计碰撞、施工碰撞；施工中由于吊装、拼接产生的偏差以及施工成本概预算偏差较大等等。文章从以上四个方面入手，基于 BIM 技术视角，提出了相应的解决方案。

【关键词】建筑工程；BIM技术；钢结构设计；优化要点

1、建筑结构设计中钢结构设计的重要性

钢结构设计包括：将设计规划、设计蓝图变成实体，和钢结构产品的整个演变过程。钢结构设计一方面反映出建筑物的整体质量，进而影响建筑业的发展，另一方面，钢结构设计还影响了现代钢结构制造业的发展。从建筑结构设计角度分析的话，钢结构设计既对几何设计提出了比较高的要求，还对具体的施工技术提出了专业的要求，因此，要求钢结构设计人员具有高水平的专业技能、工作经验和综合素养。

钢结构设计的难度比较大，设计人员应当结合建筑项目的施工性质与工程图纸，准确把握钢结构设计的要点，在脑海中形成清晰的立体结构，并通过设计图展现出来，保证钢结构整体设计的质量。

钢结构设计过程中，设计师必须严格遵守相关的设计规范与原则，充分掌握构造、结构受力特点等方面的要求，在满足国家的规定标准前提下，合理设计。同时，还要结合建筑工程的施工诉求，对钢结构的关键部位进行设计优化，确保钢结构设计的质量，保证建筑项目施工的顺利进行，以提高建筑企业的市场竞争力。

2、钢结构存在的问题

2.1钢结构的失稳问题

大量的调查数据显示，造成建筑项目钢结构安全事故的主要原因是钢结构的失稳问题。首先，钢结构失稳包括：局部失稳，以及由局部失稳造成的间接整体失稳。

当受弯部位发生失稳，并且尺寸大小超过承受范围时，严重影响钢结构建筑工程的质量。如果设计人员在进行建筑结构的钢结构设计时，没有对钢结构的支撑作用予以充分考虑，也将导致失稳问题的产生；如果鋼结构的吊装位置不当，会使网架、析架的杆件受力发生巨大变化，也会出现失稳问题。

导致钢结构发生的失稳因素很多，设计人员、施工人员要对此重视，做好对应的防范措施，保障建筑工程的施工质量。

2.2钢结构的腐蚀问题

钢材料的耐腐蚀性较差，尤其是在湿度大、有侵蚀性介质的环境中，钢结构会更加快速地生锈腐蚀，造成钢材腐蚀情况的出现，削弱构件的承载能力，严重时导致安全事故的发生。通过对木屋架、钢木屋架、钢筋混凝土屋架与钢屋架造成安全事故的统计调查发现，钢屋架出现安全事故的占比达40%，而这主要是由于钢结构的腐蚀问题造成的。

2.3钢结构的火灾问题

钢材的耐高温性较差，性能随着温度的变化而发生变化，在温度达到430到540摄氏度区间时，钢材的屈服点、抗拉强度以及弹性模量均迅速下降，承载的能力也就消失了。建筑物的构件耐火性能不好，发生火灾时承载能力就无法延续，会给安全疏散、物资抢救以及扑灭火灾等消防活动造成阻碍。

3、基于BIM视角的钢结构设计优化

3.1钢结构设计单体衔接处理

在Tekla Structures中输入建筑施工平面相关设计信息，三维建模，解决二维模型不可视化的错误判断；根据经验，输入结构类型，在BIM软件中模拟建筑受力，判断结构设计是否合理；输入给、排水以及电气设施，同时进行绿色建筑评定，并利用BIM软件对整个设计进行优化。BIM设计中，要保证所有设计参数值在一个界面上运行，形成不同设计单体成果，保证结构的合理化。在一个模块里面进行更改，减少了各个部门之间的摩擦，同时还能节省时间，提高效率。

3.2钢结构构配件碰撞处理

BIM可通过仿真技术，模拟建筑结构真实信息，形成三维立体构成图。结构配件包括：柱、梁、析架、IT条、屋盖、楼梯等；给排水构配件包括：给排水管道、蓄水池、上、下水管道等；电气构配件包括：插座、线路、配电箱等，上述构配件可以通过navisworks软件进行碰撞检查，最大程度上减少构配件在施工中的设计变更。同时，BIM还能够处理不同施工工种之间的碰撞：例如，某构件先行施工，但是占用空间比较大，致使后续构件的施工平面被占据、返工；利用BIM，通过VR技术对钢结构模型进行虚拟仿真，预留必要的入孔，避免施工碰撞。

3.3钢结构施工过程中偏差处理

在钢结构设计施工中，严格的把控现场，定期的将现场施工数据输入BIM平台中，评定施工质量，并根据BIM平台反馈的真实信息，更改钢结构设计，对现场施工进行质量返修。

BIM平台可以从源头实时监控，及时提取钢结构构配件的出厂信息，通过三维建模和VR技术，形成可识图的视觉效果，模拟真实的拼接状况，并将形成的误差反馈到结构设计中。设计人员根据得到的信息，进行偏心计算，验算设计方案是否能够满足预期的质量要求。徐州奥体中心采用BIM技术，进行关键构配件的施工安装（例如奥体中心使用的缩夹、施工焊缝），并通过VR技术模拟现场安装动画，指导施工。

3.4钢结构成本概预算分析

传统钢结构概预算是指，通过广联达等软件进行工程量清单的计量、计价，但是计算机设计较为程序化，没有考虑到市场的变化。而BIM技术采用SD建模，考虑到时间因素对工程的影响。例如，市场上工程材料的价格变化、施工技术高低，将影响现场的施工工序，最终影响建筑工程的质量。

BIM技术可以精确地预估工程成本，采用现场模拟技术，选用合理且经济的钢结构构配件设计，减少工程成本。以徐州市奥体中心为例，该工程构件采用了箱型弯扭构件、变截面圆锥管以及大直径弯弧管等，利用BIM技术输入设计参数，模拟施工环境，验算精确到各个节点和各个受力点，然后进行现场施工。该种设计策略，一方面满足了外形的设计要求，另一方面减少了返修的风险，降低了工程的造价成本，同时关注市场材料的价格变化，综合考虑各种影响建筑施工的因素，提高建筑概预算精准度。

参考文献：

[1]吕清海.建筑结构设计中钢结构设计的重要性与策略探讨[J].江西建材，2017（17）.

作者简介：

孟顺意，大连都市发展设计有限公司。