BIM技术在装配式钢结构住宅中的应用研究

莫德荣 王浩

装配式钢结构住宅是我国近几年来大力推行的一种“绿色、节能、环保”的新型建筑，与传统钢筋混凝土建筑相比，装配式钢结构主要具有以下优点：钢构件适合工业化生产，可以将钢构件的设计、生产、施工、安装通过BIM平台实现一体化，变“现场建造”为“工厂制造、现场安装”;钢构件安装可以实现现场干作业，钢构件安装效率高、工期短;另外钢结构材料还可以回收利用。

基于装配式钢结构建筑的诸多优点，我国相关部门先后出台了较多扶持政策。广西建工集团第五建筑工程有限责任公司承建的广西首个装配式钢结构高层住宅试点项目——柳州市莲花城保障性住房项目，在钢结构的深化设计和施工中充分应用了BIM技术，取得了良好的效果。

1. 工程概况

柳州市莲花城保障性住房项目位于柳州市魚峰区柳石路上，处于莲花立交桥匝道与柳石路的交叉处西北面，共10栋建筑单体，总的建筑面积144785.72 m2，其中地上103173.23 m2，地下41612.49 m2;建筑单体地上部分主体结构采用钢结构，1～9#楼的结构体系采用扁柱—H型钢梁框架+支撑结构体系;10#楼的结构体系采用扁柱—H型钢梁框架结构体系;本项目为广西首个装配式钢结构高层住宅试点项目，钢结构总重量约10000吨。

本工程的重点和难点：

（1）本工程为广西首个装配式住宅项目，可以借鉴的经验较少;

（2）各专业交叉较多，如钢结构与水电管线交叉干扰较多，施工受影响较大;

（3）外墙板与钢梁梁柱节点的连接处是防水的薄弱环节，且钢梁钢柱的连接节点受力复杂，钢结构深化设计时，需要对钢梁钢柱的连接节点进行更加细致的细化设计和处理;

（4）项目施工工期紧，且钢结构加工需要一定的加工时间，因此钢结构深化设计需要快速、准确和高效，以便于为钢构件加工和安装争取时间;

（5）本工程共有10栋住宅，钢构件重量达10000吨，钢结构安装工作量大、且安装作业面广，安装难度较大;

（6）由于本工程属于保障性住房项目，受到社会各方的强烈关注，工期紧、要求严格。

鉴于上述原因，需要科学组织、悉心准备，特别是充分利用BIM技术，建立可视化的模型，尽量减少施工工程中可能出现的碰撞、干扰、设计变更等问题，以及充分利用BIM技术模拟安装和使用时工况，为钢结构深化设计提供基础参数。

2. BIM技术在深化设计中的应用

2.1 本工程所用到的BIM技术和相关软件的简介

本工程的钢结构深化审计所用的BIM软件主要有Tekla Structures（简称为Xsteel）、Midas Gen、SolidWorks、ANSYS WorkBench等。

Tekla Structures是当前钢结构深化设计中应用较多的BIM软件，具有三维实体建模、三维钢结构节点细部设计、施工详图绘制、材料表单生成等功能，该软件还具有多用户同步操作的功能，工程人员可以同时在同一个虚拟空间内搭建钢结构模型。

Midas Gen是一款用于结构计算分析的有限元软件，它可以分析计算桁架单元、梁单元、板单元等，常利用它对建筑进行整体受力分析。

SolidWorks是达索（Dassault）公司旗下的一款机械设计软件，该软件以简单易学、功能强大、尺寸精度高而著称，利用该软件可以建立非常复杂的钢结构节点，且方便地从三维模型转为二维的平面加工图。

ANSYS WorkBench软件是ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，可以进行结构、流体等计算分析，该软件内置了桁架单元、梁单元、实体单元等多种单元类型，每个单元类型又可以细分为多种具体的形式，可以方便地进行各种复杂模型的分析。

在本工程中，先利用Tekla Structures建立钢结构的三维模型，然后把该模型导入到Midas Gen进行整体的受力分析，若整体受力满足要求，则利用SolidWorks建立钢结构节点模型，再把钢结构节点模型导入到ANSYS软件进行细部分析，若满足受力要求，则利用SolidWorks输出钢结构节点的二维加工图、Tekla Structures软件输出钢杆件的二维加工图。在应用BIM技术中，充分运用各软件的特长，高效、快速地建立项目的钢结构BIM模型，为后续工作做准备。

2.2 BIM技术应用流程

在本项目的钢结构深化设计中，使用到BIM软件和主要流程如下：

2.3建立钢结构模型

使用Tekla Structures允许多人同时对同一模型进行操作的特点，较快速地建立本工程的钢结构住宅三维模型，并将所需要的信息输入到BIM模型中，如钢构件的螺栓孔孔径、构件材质、零构件的BIM编号等信息参数。

2.4整体受力分析

在Tekla Structures软件中，建立好模型并检查无误后，将其主要受力构件导出为dxf文件，再将该文件导入到MIDAS Gen软件中进行整体受力的分析。主要分析钢结构在永久载荷、风载荷、地震作用等载荷作用下的强度、刚度、稳定性等。

2.5建立节点模型

在SolidWorks中建立钢柱钢梁的连接节点，该软件使用的是参数化和尺寸驱动的建模方式，修改其中一个参数，与之关联的尺寸和特征也会自动更改和重新建模，利用这些特点，可以方便地在SolidWorks中对钢柱钢梁连接节点进行修改和优化。

为了更深入地研究装配式钢结构住宅，广西建工集团第五建筑工程有限责任公司还建立了一栋小型的装配式钢结构住宅实验楼，利用该住宅对不同钢柱钢梁连接进行试验，对钢柱钢梁的连接节点进行优化，最终研制出一种新型栓焊连接节点。经初步分析，优化后的连接节点比优化前连接节点制作工艺更简单（焊接工作量约为优化前的50%）、制作效率更高、受力更加合理。