BIM模拟大型群体装配式钢结构住宅建筑装配施工技术

文/广西建工集团第五建筑工程有限责任公司 姚开成 陈军民 张桂美 黄兰艳 许 懿

1 工程概况

柳州市莲花城装配式钢框架结构保障性住房项目，地下室为普通钢筋混凝土结构，地上为钢结构框架支撑结构，基础采用桩基。项目用地面积43505.79m2，总建筑面积137183.96m2，共设计10栋住宅楼，其中7栋高层住宅楼，2栋带商业服务网点的高层住宅楼，1栋多层住宅建筑。设计合理使用年限为50年，是广西首个钢结构住宅产业化试点项目（见图1）。框架柱采用矩形钢管混凝土柱，框架梁及次梁采用焊接H型钢梁，楼板采用钢筋桁架楼承板。钢筋混凝土结构部分钢筋保护层厚度：梁、柱为25mm，墙、板为15mm。工程从结构选型、初步设计到结构优化均严格按照装配式建筑进行设计，施工过程实现工厂化，部件运抵现场，施工现场通过螺栓组装和少量焊接形成主体结构，总体装配率达60%。

图1 柳州市莲花城装配式钢框架结构保障性住房项目

柳州市莲花城装配式钢框架结构保障性住房项目利用BIM技术模拟施工，提升装配式建筑施工的工作效率，缩短施工工期，提高施工质量，在发展新技术的同时取得了良好的经济效益。

2 工程特点与应用分析

传统钢结构安装施工操作主要是现场管理，按照纸质策划确定基本方案，形成传统施工方案，由公司审核并按公司要求实施，最后完成装配式钢结构工程安装施工。传统钢结构安装施工操作方法中存在诸多不足，传统工程安装施工方法与现场实际情况结合不紧密，规划性不足，导致频繁返工、增加人员和时间投入、浪费材料等问题，增加项目运行成本。因此，本工程运用BIM技术模拟装配式钢结构施工辅助实施，减少不必要返工，降低施工成本。

柳州市莲花城装配式钢框架结构保障性住房项目利用BIM技术辅助装配式建筑施工，对钢结构安装进行信息化模拟，并通过BIM全过程智能控制和全过程协同工作的强大优势，提高工程质量、降低施工成本、缩短工期。

3 BIM模型建立

通过BIM软件创建BIM钢结构模型，并将BIM模型导入Navisworks，对核心节点部位的施工工艺进行模拟，生成施工3D演示动画，进行动画技术交底，指导现场施工人员作业。

3.1 钢结构模型搭建

钢结构建模是通过Tekla Structures软件将二维的设计图纸转换成三维可视化模型，通过三维模型分解成各个部品构件，并将部品构件进行预制生产，最终运输到现场装配施工。三维模型与施工进度计划、成本紧密关联，形成贯穿整个施工周期的立体管理体系。

3.2 模型节点深化

根据工程的扁钢管混凝土柱-支撑结构体系结构类型，在钢结构施工前应运用BIM技术对整个工程会审后的原设计图纸进行二次深化设计，通过Tekla Structures钢构软件建立1∶1实体模型，将各部节点进行分解后再优化，提出1套既可指导车间加工，又能指导现场施工的深化设计方案（见图2）。

图2 钢梁钢柱节点深化加工

3.3 BIM模型审核

运用BIM技术进行图纸会审相较于传统图纸会审具有速度快、精确率高等优点，针对BIM模型也需进行细致审核才能保证模型的实效性。BIM模型会审的目的是保证模型的信息与设计信息准确无误，组织建模技术员与设计单位代表通过反查各专业模型的构件与设计信息进行对比，可审查出模型是否存在错误或信息缺漏。

三维审核包括2个工作程序：模型的细致程度审查；碰撞检测的合理性审查。

1）模型精细度审查是指根据设计规范，审查项目不同阶段模型需达到的精细程度，主要参照模型的细致程度规范，再根据实际施工需要确定已有的BIM模型在对应的施工阶段是否达到相应精度要求（见图3）。

2）碰撞在实际工程中的应用分硬碰撞和软碰撞2种。硬碰撞是指实体与实体之间的交叉碰撞；软碰撞是指实体间并未碰撞，但间距和空间无法满足相关施工要求，由软件设定的碰撞条件进行检测的结果。

图3 利用软件查看模型属性

4 BIM技术应用

4.1 模拟钢结构吊装

本项目施工空间中场地狭小复杂，通过BIM三维模型的运用将施工过程和施工技术要点整合到1个三维模型动画中，项目各参与人员可直观地查看该技术要点的实施方案，实现信息无损共享和无障碍交流。同时，通过三维模拟动画，根据专业人员经验，对施工进行论证，进而优化施工方案。

钢结构模拟施工主要分2个步骤。

1）将深化整合的BIM模型导入Navisworks中。

2）根据计划方案和现场实施情况，确定部品构件施工顺序。确定部品构件的运动轨迹和时间，并与部品构件相连接。

将BIM模型从Revit中导出NWC格式文件，在Navisworks中打开NWC格式文件，完成BIM模型导入Navisworks的步骤。

在Navisworks软件中，通过多种漫游查看结构构件模型，预览整个工程项目的内部构造，将不同结构构件相互关联，模拟施工过程及设备操作等。大体动画类型分类如下。

1）对象动画 把莲花城项目建筑结构模型创建为对象动画，为某施工工序创建演示过程，并进行直观展示。

2）交互式动画 通过创建交互式动画，建立各构件间的交互式联系。如窗按键与窗，在Navisworks中模拟点击开窗按钮，窗在动画中自动打开。

3）漫游动画 点击事先录制好的动画按钮，再点击“向前”“旋转”“放大”等按钮，通过鼠标在项目模型内指引行走，录制模型的整体或部分内部构造，形成短视频漫游动画。

4）施工进度模拟 模拟该项目的施工进度计划。

在该项目中利用Navisworks软件中的Animater工具为钢架结构的整体吊装编制动画模拟（见图4）。

图4 钢结构吊装模拟

4.2 现场指导施工

利用BIM 3D模型进行现场指导施工，较2D图纸具有更直观、高效的优势。

通过4D技术模拟施工过程，根据不同时间节点对施工进度进行模拟。预演各时点进度情况，验证进度计划安排及施工组织安排的合理性、科学性。此外，在项目推进过程中实现计划进度与实际进度的对比及动态跟踪，及时纠偏，进而为现场指导施工打下基础，使施工人员直观了解施工过程的具体情况（见图5）。

图5 莲花城项目钢结构BIM模型

4.3 质量管控

1）质量监控体系 借助广联达BIM 5D平台搭建实时共享的质量监控体系，质检员将工程施工过程中发现的质量问题统一上传至平台，并标注在BIM模型中，对质量问题全过程跟踪，督促相关单位及时消除隐患。

2）钢结构专业建模 要求梁、板、柱等部位构件的截面尺寸与定位尺寸须与施工图纸保持一致；管廊内梁底标高与设计图纸要求一致，如遇到管线穿梁情况，需设计单位提供详细的结构配筋图，运用BIM技术进行建模确定管线穿梁的节点。

3）模型交付质量管控 交付模型必须通过模型审核，审核通过后交付使用。模型交付前对各专业分包单位进行技术交底。交付的模型必须包含全部专业信息，可对施工全程的信息进行反查。

4.4 安全保证措施

1）企业自身及第三方咨询单位建立的项目BIM模型、数据交流平台等严禁保存于国外服务器，需做好信息核心技术的保密工作，对关键基础设施和重要领域信息系统及数据的保护至关重要，需做好信息安全的全面管控。

2）项目BIM团队定期开展信息安全等级评估，对BIM模型和数据进行有效监控，并报相关住建单位审查。

3）工程项目中涉及人防、经济安全等战略性重要信息数据需进行特殊加密，特殊情况下不进行数据上传。

4）在BIM模型中，直观地查看三维模型，确定现场作业危险位置并在模型中标注，将危险位置信息录入广联达BIM 5D平台，指导施工现场的安全管理工作。安全员发现施工现场存在安全隐患时，将隐患问题录入广联达BIM 5D平台中并发给相关管理部门，责令整改。

5）项目针对已有建筑模型及施工场地布置模型进行灾害应急疏散模拟，优化逃生线路，得到最优疏散方案。根据方案在对应地点进行消防设施布置，根据疏散方案制作模拟逃生漫游视频，定期对进场施工人员进行消防应急演练，防患于未然。

6）项目针对已有模型进行危险源分析识别，预先确认危险源位置，针对临边洞口等危险源提前处理，导出图纸对施工人员进行交底，排除安全事故隐患。

4.5 成本控制

1）以6号楼为例，施工前利用碰撞检测功能解决各类碰撞25处，其中管线与结构碰撞3处、管线与建筑墙体碰撞7处、管线系统间碰撞15处。利用该功能在施工准备阶段及施工过程中可节省人力物力，缩短工期，避免返工及误工，节省材料8%以上。

2）通过BIM技术的引入，莲花城项目提高了施工效率，降低施工过程中的材料折损和返工率。项目原施工材料折损率18%，返工率20%；引入BIM后材料折损率降至10%，返工率降低至8%。

5 结语

“模拟施工”是现代工程的重要一环，而BIM技术则是将建筑工程引入数据化领域的新型数据化工具，将二者完美结合，不仅能显著提高工程质量，降低成本，加快工程进度，而且对于建筑施工行业的发展方向有着深远影响。

柳州市莲花城装配式钢框架结构保障性住房项目成功地将BIM技术应用于模拟施工中，不仅提升了装配式钢结构的施工质量及通过率，而且为BIM技术在建筑施工中的全面应用积累了宝贵经验。