BIM技术在装配式钢结构建筑中的应用

刘 栋

中国水利水电第十一工程局有限公司（472000）

0 前言

随着建筑市场的不断发展与进步，传统粗放式的发展模式在资源利用、机械化程度、安全性能、环境保护等方面的弊端日益凸显。为改变这些弊端，国家开始大力推广装配式建筑。钢结构具有轻质高强、加工容易、施工方便等特点，符合装配式建筑高效、快速、简单、安全、绿色、环保的要求。BIM技术是一种新兴起的建筑设计技术，以三维数字技术为基础，具有较强的模拟性，可以利用其直观性、可视性、协调性、模拟性等特点，通过构筑建筑实体模型，协调多部门进行建筑的施工、管理、优化、运营维护等工作。将BIM技术应用到装配式钢结构建筑中，可以通过BIM模型对装配式钢结构建筑在设计、施工、管理过程中所存在的问题进行深化处理，从而避免在工程中造成的时间、人力、资源的浪费。

1 BIM技术概述

BIM技术可以将施工中各种信息搜集起来，并根据这些信息创建出一个三维模型。在装配式建筑施工建设中，可以将BIM技术应用在整个施工过程中，能保证施工企业对工程的每个阶段进行控制。目前，BIM技术在西方发达国家应用非常广泛，我国由于起步较晚，应用还不够成熟，相关的法律法规也不完善，因此在实际应用中，相关单位必须不断借鉴国外的先进经验，结合工程实际情况合理利用BIM技术，从而提高工程质量。BIM模型的建立需要分两步实施。首先是建立静态模型，根据CAD图纸完善建筑的主体结构、现场及临时设施等，包括现场的塔吊、模板等材料。BIM技术具有以下几个方面的特点：

1.1 可视化

BIM技术的应用，可以结合现有数据信息对其进行三维建模，有效提升数据信息的直观性。根据三维模型，技术人员还可及时发现施工问题，及时制订管理措施，从而减少后续施工问题的发生概率。

1.2 协调性

BIM技术可以避免土木工程建设过程中出现的各种由于沟通不及时而导致的问题，提高各个施工单位在合作过程中的施工质量，为整个木土工程的建设提供一定的保证。

1.3 模拟性

BIM技术能对每个施工环节进行实时模拟，管理人员根据模拟情况反馈出的数据类型，制订相关应急措施，有效降低施工问题发生概率，提高施工技术的应用效果。

1.4 可出图

BIM技术可以对作业区域的基本信息进行采集，对所采集的相关性信息进行针对性整理，辅助设计人员更快地获取土木工程的设计方案和施工图纸。

2 BIM技术在钢结构装配式建筑中的应用优势

2.1 提升项目整体的管理水平

在建筑体系不断成熟的背景下，建筑工程的规模也在不断扩大。钢结构装配式建筑与传统建筑最大的不同在于，装配式建筑在施工之前会将整体结构拆分成多个独立单位，在施工到该环节的时候，技术人员可以将相应的结构直接进行拼接，节省了较多的施工时间。但是建筑工程涉及的施工零件结构非常多，为了确保各结构零件生产过程的适用性，技术人员需要提前采集非常完整的资料信息。BIM技术是依托于互联网技术对信息进行快速采集的技术，因此，在实际应用过程中，可以采集到非常完整的数据信息，从而有效提升项目整体的管理水平。

2.2 提高钢结构方案设计质量

与大多数建筑工程一致，钢结构装配式建筑在建设过程中，需要进行项目相关内容的设计工作。该环节属于建筑工程开始前的初始环节，但是该环节的施工质量将直接影响到整个工程的施工效果。通常情况下，在工程正式施工之前，技术人员需要对作业区的基础环境进行详细调研，根据调研结果来确定具体的设计方案。BIM技术可以对现场作业区的基础信息和市场信息进行准确采集，借助系统内部的筛选系统，还可以对数据信息进行精准筛选，也可以对数据信息的潜在价值进行深入分析，从而有效提升设计方案的设计质量，为后续工程施工奠定良好的基础。

2.3 合理调控工程的施工成本

传统建筑工程的竞选模式，一般只是在小范围内选择建筑企业进行施工，建筑企业可获取的经济利润非常大。随着市场结构的调整，招投标模式成为新的选择方式，竞争企业也从区域竞争演变成了全国竞争，极大程度地压缩了企业的经济利润。中标企业在获取到项目的执行权之后，为了获得到预期的经济利润，需要在确保工程施工质量的基础上，找寻到可以降低成本的方法。BIM技术的应用，可以帮助企业采集到比较全面的施工数据信息，借助4D系统构建基础模型，从基础模型中找出可以优化的施工环节，从而有效提升建筑工程的施工效率，降低建筑工程的施工成本[1]。

3 装配式钢结构建筑存在的问题

3.1 设计阶段存在的问题

传统的建筑设计主要是基于二维的CAD图纸，装配式钢结构建筑目前主要也是以此进行结构设计，二维的图纸所能传达信息是以点、线、面为主，很难准确、完整、真实地表达结构与构件的信息，导致后期在结构的设计、加工、生产等方面的任务比较繁重。二维的平面信息无法从建筑全局把控整个设计细节，建筑的各部分独立设计，彼此之间缺少沟通，导致后期整体组装时出现构件碰撞、尺寸误差等问题。

3.2 生产阶段存在的问题

装配式结构的构件需要根据设计要求按照图纸信息进行预制加工，但是二维图纸对构件的信息有时表达不清楚，造成生产出来的构件尺寸、形状等信息与实际情况存在较大误差，导致构件需要返工处理或者重新制作，出现材料浪费、工期延误的问题。装配式钢结构所需的构件数量、种类较多，在进行人工统计时工作量较大，效率较低，容易出现统计遗漏，造成构件缺失等问题。

3.3 施工阶段存在的问题

装配式钢结构是由不同规格尺寸的建筑构件拼装而成的。在施工过程中，根据二维图纸信息对建筑构件进行归类统计，人工效率低易出错，建筑构件的运送现场后，不能按照进度进行合理规划放置，容易造成堆放混乱，易引起施工进度偏差，甚至会影响到施工质量。装配结构在施工过程中，牵涉到建筑构件、设备、人员的调配，传统的施工方法在这些方面投入精力过多，成本控制比较困难。

4 BIM技术在装配式钢结构工程中的应用

文章以某装配式钢结构保障性住房工程为实例，建筑总面积为11 985.66 m2，标准设计为27层结构，每层层高均为3 m，建筑总高度为81 m，室内外高差450 mm，建筑纵向长度为31.2 m，横向长度为16.2 m，本工程中装配式钢结构住宅采用外侧钢框架与内部核心筒所组成的混合结构体系。在对该工程进行设计时，选择BIM技术、Revit软件对工程的模型进行创建，并通过对模型的分析进行结构优化设计。

4.1 构件拆分

首先将该工程的各个结构数据导入到Revit软件中，形成一个三维立体模型。该结构模型中主要涵盖了界面轮廓、钢筋信息及施工材料等内容。然后对该模型进行局部修正，继而对其进行构件拆分。在拆分过程中，要在Revit中使用Dynamo对构件进行可视化的编程，在整个结构模型中将现浇构件拆分成多个部件，再将这些部件进行组件，最终完成构件的拆分工作。

4.2 钢筋创建

要特别注意工程构件中的钢筋构造要求和拆分要求，不断完善钢筋的布置流程，还要调用二次开发程序，对建筑工程的钢筋参数信息不断完善，将钢筋材料合理地布置在预制构件中。

在进行预制梁设计过程中，布置钢筋时要严格遵循以下几点要求：从梁跨中后浇段中断开纵筋的过程中，后浇段甩开的长度能够满足套筒安装的尺寸；在梁端方面，要选择最大值，同时要考虑到预制梁钢筋的加密范围[2]。

4.3 埋件布置

在布置工程埋件时，要严格遵守相关的布置规则。在此工程中，需要构建出包含埋件的内嵌族，还要对梁柱模板中的钢筋吊环的形状进行优化设计，选择合理的布置位置。在布置预制柱上埋件时，需要建立专门的预制柱族，在预制柱的柱和墙的连接处，将钢板的高度设为实际高度，并将所有有关联的参数输入到Revit软件中，形成全局参数。

4.4 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。Navis-works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。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。在施工阶段，该装配式钢结构高层住宅的BIM技术应用主要包括场地布置、施工模拟。

1）场地布置。装配式钢结构住宅的施工特点是将构件运输至现场进行组装，如何合理放置建筑构件是施工过程的重点。使用Revit可对模拟施工现场进行场地布置，完成对施工区、备料区、办公区、宿舍区的布置。塔吊是装配式建筑施工的关键，在对施工区进行布置时，可对塔吊位置进行布置，对比多个方案进行优化。

2）施工模拟。施工组装在装配式建筑建造过程中担任十分重要的角色。对于装配式钢结构住宅而言，仅应用传统施工方法进行施工组装存在弊端，可能遇到一些问题。比如消防管道反映在平面图上时，往往存在很多交叉的地方，不能很好地反映其中的问题。可以利用BIM技术对现场进行模拟，根据实际情况，将二维图纸转化为三维的动画，从而发现其中存在的问题，提前优化施工方案和结构布局，避免在施工过程中再对方案进行修改，出现返工现象。利应用BIM技术可在Navis-works中进行三维施工模拟，如图1所示。

图1 Navisworks漫游模拟

5 结语

在城市经济快速发展的背景下，市政工程和建筑工程数量也在不断增多，高层建筑已经成为城市的主体建筑类型。这也对建筑结构的综合质量提出了更多的要求。钢结构装配式建筑结构的应用，可以有效提高建筑工程的施工效率，并且在建设过程中，有BIM技术的加入，可以有效提升钢结构装配式建筑施工信息的采集效率，对加快建筑工程施工速度，促进行业经济稳定发展有着积极的意义。