基于BIM技术的钢结构深化设计研究

周健宇

（中交第四航务工程局有限公司， 广东 广州 510290）

钢结构不同其他传统建筑材料，其自身具有强度高、结构重量小、延性好等优点，在建筑工程中发挥着不可替代的作用[1]。具体来说，其相较于混凝土这另一种建筑工程中常见的材料，具有以下几点的优势：（1）现场施工工作量小。钢结构主要通过工厂预制、现场拼接的方式来形成结构主体，因此其主要环节在于预制厂生产，而对于现场所涉及到的工作量则十分有限，因此可以大大降低人工需求并缩短建设工期，在商业建筑的建设中具有十分显著的效益优势。（2）造型多样。钢结构具有十分突出的强度与延性，是一类柔性结构，这就使得钢结构能够形成许多混凝土结构无法实现的外形设计，尤其是在大跨度结构中有着很好的表现，打破了传统混凝土结构对于空间跨度的限制[2]。此外，钢构件的生产采用工厂预制的方式，能够精准地实现复杂或非规则结构的设计与制造，并有利于同型号构件的大批量流水线生产，以此大大提高建筑外形设计的上限[3]。

1 钢结构设计现存问题

1.1 设计内容繁多复杂

近些年，我国建筑工程的发展逐步倾向于功能更多元、空间更大、居住更舒适的方向，这就对建筑配套的各项设备提出了更高、更多的要求，因此项目涉及内容也越来越多、覆盖的范围也越来越广，包括了建筑、结构、电气、暖通等方面[4]。但各个设计内容之间又存在着千丝万缕的关系，需要合理安排使其协调运转，才能够最大程度地发挥其预期功能。但是在目前的钢结构设计工作中，各个设计内容之间相对较为独立，若其中任意一部分需要变动，其往往会牵涉到其他涉及内容的不协调甚至冲突，严重的甚至还会导致建设项目在质量与成本上的损害。譬如，当技术人员对方案展开分析发现其材料用量超出预期，导致项目效益降低，并将修改意见反馈至结构设计方对建筑开展结构调整，修改完成后又需要交与排水、暖通等附属设备的设计方开展细化调整，最后再返回进行材料用量评价，若其仍不满足要求则又将循环以上流程。这样的设计结构无疑会大大增加不必要的工作量，导致效率的低下与工期的延误[5]。

1.2 不同工种构件的碰撞

如上文所述，钢结构建筑所涉及到的设计内容十分复杂，同时其设计工作也较为独立，大多采用不同的设计媒介同步进行，这就会导致在不同工种的设计方案中很容易出现构件空间位置的碰撞。具体来说，建筑设计其主要目的是优化建筑各层的规划与布置，并依照甲方要求完成建筑物造型的设计，并生成三维模型以供展示，其主要采用的设计平台为CAD、3DsMax等软件；而建筑结构的设计内容则主要包括了各承重构件的尺寸、材料、位置等，并基于此分析结构内部各位置的应力水平，验算其强度、变形、稳定等指标是否满足相应的标准，该过程主要采用PKPM等软件进行计算；而对于建设项目整体的经济效益、施工组织、工程量，则主要由预算设计来完成，其主要采用广联达、LEED等。但受到软件类型、隶属公司等的制约，其设计数据大多不能实现互导，这就造成在不同的设计内容中设计人员的工作开展只能顾及自身，难以完成相互信息的交流，因此不同构件在空间上很容易导致相互碰撞，甚至在附属设备设计中存在对承重结构的破坏，埋下安全隐患[6]。

1.3 未考虑实际施工中的偏差问题

钢结构建筑的施工可大致归为工厂预制、现场拼接两个大的部分，实践表明决定建筑质量的关键在于拼接环节的人工作业。为了便于运输、装配，钢结构建筑的预制构件大多尺寸较小且数量繁多，但构件在转运、吊装、焊接等阶段往往会受到外界作用而发生材料变形或位置偏移。虽然这些误差较小，但由于构件数量较多，经过大量的累积便会导致结构整体出现不可忽略的偏差。此外，焊接工序存在的应力集中问题也是结构整体出现偏差的一个重要原因。如果在设计阶段未对这些影响因素进行有效的控制或者留有足够的裕度，将导致工程实际的质量远低于设计预期[7]。

1.4 缺乏可靠的成本控制

不同于传统建筑，钢结构建筑在建设成本的控制上往往难度更大。以采用钢结构壳体结构的国家大剧院为例，按照其设计方案，该建设项目的预算约为25亿元。但在建设过程中受到多种因素的影响，最终实际总成本达到了30.67亿元，较设计提升了五分之一，同样的问题也常常出现在小体量的钢结构建设项目中。建设成本的增加不仅不利于工程的顺利开展，同时还将影响开发商的资金流动，甚至出现烂尾楼问题，对社会造成负担。总体来说，这些问题主要是由于钢结构建筑在设计时未能全面地考虑建设条件与项目运营，缺乏可靠的成本控制机制，导致在施工阶段产生各种各样设计之外的支出[8]。

2 BIM技术在钢结构深化设计中的应用

针对于目前在钢结构设计中暴露出的问题，设计人员可有针对性地开展深化设计。简单来说，深化设计即是借助于高新设计软件实现设计的可视化，并以此来帮助设计人员判断设计方案是否存在碰撞问题、节点连接是否可靠、建设成本是否在可接受范围内。近些年，BIM技术得到了快速的发展与推广，并在钢结构建筑的设计中取得了一定应用[9]。BIM技术即是借助于智能化管理手段，对建筑项目从规划、招投标、设计、施工、运营、维护等全过程开展动态的监管与调节，并通过相应的软件实现对各个环节的串联与协调，其凭借自身智能化、科学化、高效化的优势在建筑行业得到了越来越多的关注。基于上文列举的设计问题，在钢结构深化设计，BIM技术的应用可主要归为以下几个方面。

2.1 钢结构设计内容整合

在BIM技术应用于钢结构设计中，一般采用Tekla Structures进行分析，借助于该软件可以实现对钢构件的全面设计。在该软件中导入建筑平面设计的基本参数即可生成具有直观效果的三维模型，以此来弥补二维平面图对于空间位置判断的不便。此外，在该软件中还可根据建筑受力类型的不同建立粗略的模型用于设计方案合理性的初步判断。在完善暖通、电气等附属设计后该软件还可以进一步完成对设计方案的经济效益验算，并提供修改意见。相较于传统设计最大的区别即是打破了不同设计软件之间的阻隔，可将多个设计内容整合至一个平台完成，极大地精简设计流程、缩短设计周期，此外还有利于设计方案的合理性判定。通过这一变动，不仅能够缓解传统设计中存在的设计独立问题，同时也有利于建筑合理性的提升，全面改善项目设计水平。

2.2 钢结构构件碰撞处理

BIM技术能够生成具有直观效果的可视化模型，弥补了平面设计方案在空间位置表达上的缺陷。在钢结构建筑中常用的梁柱、楼板、楼梯、管线等都可以通过navis works完成其空间位置上的碰撞检测，以此来帮助设计人员在设计初期就规避可能存在的碰撞问题，尽可能地规避因空间布置不合理导致的方案变更，并间接降低项目风险。对于存在碰撞问题的情况，设计人员还可以借助BIM技术进行优化处理，譬如在某部位先进行一大尺寸构件的作业，造成空间上的阻挡，使得后续施工缺乏必要的作业面，进而导致构件返工，在这样的情况下BIM技术能够对施工过程进行模拟，并在结构的适当位置预留孔洞，为后续作业的开展建立良好的条件。

2.3 钢结构施工偏差处理

BIM技术是一项跨越项目全周期的管理技术，其不仅可以用于前期的辅助设计，同时还能够在后续的施工过程中进行持续的指导。具体来说，在施工时可将实际的施工参数导入至BIM平台中，并通过对应的软件完成其施工质量的评价，若其不符合要求，软件将反馈校正意见。此外，BIM技术也可以对钢构件的生产、转运进行溯源，并生成具有一定可视化功能的模型，对实际施工过程进行动态模拟。对于实际施工中的误差，经过处理后将传递给设计人员，便于其对方案做出适当的调整。以徐州奥体中心的建设为例，其技术人员通过BIM技术对建筑的核心部件展开管理，在设计方案与实际模型的可视化比对中实现了施工的实时指导与科学校正。

2.4 钢结构施工成本控制

在钢结构建筑的传统设计中，对于建设成本、工程量的管理主要是通过广联达来完成的，但该软件仅对工程各项参数进行静态分析，而欠缺对于市场动态等外界环境的判断与调整。在BIM技术中，则引入了时间这一参考要素，通过对材料成本、方案改动、工程进度等动态因素的分析实现对成本的精确计算。此外BIM技术也可对多种方案进行成本比对，选择具有最佳经济性、功能性的构件尺寸及数量，以此来达到优化方案的目的。同样以徐州市奥体中心为例，该项目所涉及到的钢构件主要为箱型弯扭构件、变截面圆锥管以及大直径弯弧管，经过BIM技术的模拟核算，可以得到各构件上各个位置的应力水平。在此指导下完成施工作业，其可以大大提升结构布置的合理性，同时也能极大地规避潜在的施工风险，避免返工的发生。钢结构施工成本控制除了需要合理利用BIM技术外，还要求设计人员对于市场走向有着准确的把握，并以此及时调整方案，提高成本控制的准度。

3 结束语

总的来说，在功能要求多样化、建设技术科学化的工程背景下，钢结构设计亟待做出改变，以此来适应行业快速发展的需求。其中BIM技术作为一项具有突出智能性的全周期管理技术，在钢结构深化设计中具有突出的优势，不仅能够很好地改善构件碰撞问题，还能够对施工方案作出合理的指导，优化建设项目的综合效益，具有十分显著的研究价值与应用潜力。