轻钢装配结构的BIM建模应用

2022-05-21林珍伟奚灵智欧建良肖勇杰

武夷学院学报 2022年3期

林珍伟，奚灵智，欧建良，肖勇杰

（1.阳光学院土木工程学院，福建福州 350015；2.中国电建华东勘查设计院，浙江杭州 310000）

当前，我国建筑工程行业发展迅猛，建筑工程建造过程需耗费大量资源，对于环境破坏较大，因此人们开始重点关注建筑工程的可持续发展之路。将轻钢材料引进到建筑工程建造过程中，能够有效解决建筑工程的资源浪费问题以及环境污染问题。轻钢材料是钢材加工合成的产物，相比传统的建筑钢材，轻钢材料的自重更轻，建造过程更为便捷[1]。而且，该项建筑材料属于可回收利用范畴，能够实现建筑工程的工业化生产以及装配式施工，极大的缩短建造工期，保障了建筑单位的经济效益。随着我国日益重视环境问题，轻钢材料将会成为未来建筑行业中的首选材料。在轻钢装配结构的生产过程中，通过引进BIM技术能够实现对轻钢结构的可视化管理，提高轻钢结构的整体性能。通过BIM技术的应用，可以有效的规范建筑项目数据结构，借助建模技术，为后续施工仿真、问题追溯和排查奠定基础，以轻钢装配结构中BIM建模技术的研究与应用，通过BIM信息模型建立，将模型应用与设计、施工等过程中，提升项目整体质量。

1 BIM技术应用的相关研究

1.1 BIM技术的发展趋势

BIM技术全称为建筑信息模型，建筑信息模型综合所有的几何模型信息，功能要求和构件性能，可以把项目全寿命周期中所有的信息集成到单独模型中，以进行施工进度、监造过程、维护等业务流程的管理。近年来，因其具有可视化程度高、可分析性能强、可管理、信息可共享等优势，被广泛应用与建筑行业。随着BIM技术与其他应用技术的不断集成以及应用方法的不断优化，BIM已逐渐在遥感技术、地理信息系统、3D打印、激光扫描、物联网、VR等技术中，以上集成应用必将对BIM技术的应用起到巨大推动作用，不断丰富BIM技术的内涵。

在众多集成技术中，应用最为广泛的当属BIM技术和建筑行业的结合，BIM技术以数据信息为基础，通过在三维建模平台建立建筑模型，借助信息数据从而在虚拟空间内建立仿真模拟工程，可直观的对建筑工程整个生命周期进行管控，实现了对建筑工程的全范围监管[2-3]。BIM技术借助三维建模软件，能够模拟真实施工情况。在模块化建筑工程中，能够对其进行具有针对性的管理。BIM技术还能够应用于建筑工程的运营管理，借助图纸信息能够更加精确的把控建筑工程的建设质量，提升建筑工程的建造效率。图1为BIM施工路径。

图1 BIM施工路径Fig.1 BIM construction path

1.2 轻钢类型的装配建筑的发展趋势

当前，城市化建设步伐正不断加快。随着我国高层建筑数量的飞升，一些自重较轻的建筑材料被大量应用于高层建筑施工过程中。轻钢材料种类多样，在建筑工程中有着十分广泛的应用市场。轻钢材料的截面包括H型、U型、Z型等等。轻钢结构材料重量轻、稳固性能良好，占用面积较少，且便于施工安装。轻钢结构构件装配实现了自动化装配，连续化施工，且布置灵活简便，具有极强的实用性。但与此同时，轻钢结构施工也存在着一些问题有待解决。当前，我国轻钢结构缺乏相应的施工标准，而且轻钢结构装配式体系不够完善。轻钢装配结构在实际应用过程中，设计生产环节十分重要，若在这一环节出现问题，那么整批的材料都有可能无法应用于实际施工中[4-6]。现阶段，我国轻钢装配结构在生产过程中普遍存在生产效率低、材料利用率低等问题。这些都造成了轻钢材料的浪费，产生了大量建筑垃圾，更严重影响了建筑工程后期的正常施工。现阶段，大部分的建筑单位仍然沿用二维制图软件对轻钢装配结构进行设计，这使得轻钢装配结构在设计过程中存在较大的局限性。仅仅凭借二维设计图纸，很难对轻钢装配结构内部的细节进行把控。而且，二维图纸无法良好的传达轻钢装配结构的部品构件所表达的数据信息，这也增加了轻钢装配结构的部品构件设计工作的难度。下图2为轻钢装配结构示意图。

图2 轻钢装配结构示意图Fig.2 Schematic diagram of light steel assembly structure

我国轻钢材料面临着发展的巨大挑战。如何解决轻钢材料设计生产过程中所存在的问题，保证轻钢材料生产安装环节与工程设计相统一是当前轻钢材料所面临的主要问题。只有将这些问题进行逐一解决，才能够使轻钢材料真正的发挥出实际价值，并且在建筑领域获得更加广阔的发展空间。

1.3 BIM技术在轻钢装配结构设计中的应用意义

在轻钢装配结构设计中引进BIM技术，能够有效解决当前我国轻钢装配结构设计中所存在的设计生产与实际安装不符的问题[7]。由于BIM技术具有仿真可视化的特点，通过建立轻钢结构BIM三维建筑模型，应用于轻钢装配结构的设计生产环节，能够在虚拟空间内实现对轻钢材料设计生产的全权把关，保证轻钢材料设计的集成水平，解决轻钢材料在生产过程中所遇到的问题，从而提高轻钢材料生产效率以及生产质量。通过建立轻钢装配结构族库，便于对施工不同阶段所需的轻钢装配结构部件进行统一管理，提高了轻钢装配结构生产效率[8]。除此之外，BIM技术还具有仿真施工功能，可模拟现实生活中的轻钢装配结构施工。通过对工程进行模拟，预演施工的全部流程，便于及时的发现轻钢装配结构施工过程中可能出现的问题，对其加以解决，能够起到优化施工方案的目的。下图3为基于BIM轻钢装配结构模型的设计。

图3 基于BIM轻钢装配结构模型的设计Fig.3 Design of assembly structure model of light steel based on BIM

2 轻钢装配结构的BIM建模应用技术需求分析

2.1 设计阶段轻钢结构装配式建筑BIM应用需求分析

将BIM技术应用与轻钢结构建筑设计阶段，可以有效提升设计阶段的质量。其应用主要体现在两个方面。其一，BIM软件平台对于数据的格式和规范化要求高，在轻钢结构装配式建筑施工设计阶段，首先应确保轻钢材料符合相关施工标准，而后再对轻钢材料进行统一处理。在这一阶段通过规范输入数据格式，将BIM技术应用到轻钢装配结构的设计生产中，能够对整个生产流程进行严格管控。轻钢预制部品部件在设计过程中，借助BIM施工仿真实训平台，可对部件内部设计进行细节化的处理，提高轻钢装配结构设计的规范性，保证轻钢装配结构的设计生产质量。其二，引进BIM技术还有一个显著的应用优势。当轻钢装配结构设计过程中出现设计问题时，BIM施工仿真平台能够根据数据信息进行跟踪自检，在发现设计错误时，及时的向操作者发送错误报告[10]。用于提醒操作人员轻钢装配结构设计问题，便于操作人员对其进行整改。这样就有效的避免了轻钢装配结构设计错误的产生，防止在后期施工阶段，因设计问题造成工期的延误以及钢材的浪费。

2.2 施工阶段轻钢结构装配式建筑BIM应用需求分析

在轻钢装配结构施工阶段，利用BIM施工仿真实训平台所提供的模拟施工流程，能够按照规定的规格，对轻钢装配结构进行工业化生产，实现轻钢结构的装配化施工，一体化建造。通过利用BIM技术，能够在平台内模拟轻钢装配结构施工的全过程，可引进红外线勘测技术，实现与实际生产同步的施工监管，从而有效的保障轻钢装配结构施工效率以及施工质量，避免建筑工程安全事故的发生。

3 轻钢装配结构的BIM建模技术特点、工艺流程及信息录入

3.1 建模特点

BIM技术具有强大的三维建筑模型渲染功能。利用BIM建模软件，能够按照实际事故同等比例在平台内建立仿真施工模型，便于对轻钢装配结构展开设计。应用BIM技术建模具有可视化、仿真化、参数化的特点。而且模型能够进行存储入库，建立建筑工程模型库。BIM技术支持多项输出，将建筑模型存储入库，便于后期操作者输出，可以将模型直接应用到其他工程中。

3.2 建模工艺流程

在应用BIM进行建模时，根据制定的实施计划以及相关数据参数进行建模，并将数据信息作为建模基础。以BIM技术在中等项目建设中的应用为例。点击启动BIM软件，开始建模时应先建立楼层线、网格，完成这一步骤后存储文件，防止在建模过程中意外退出，造成模型丢失。点击BIM软件中的建筑建立墙体、立柱、梁、板等一系列建筑模型，将之进行组合，使之成为一个整体的建筑模型成品。中型项目包括建筑模型、结构模型以及机电模型。可在BIM施工仿真实训平台模型库内导出轻钢装配结构模型以及机电模型，按照施工图纸，将这些模型进行组建，并对各个不同的管线利用着色器对其进行着色，从而完成BIM技术工程整体模型的建模工作。

3.3 轻钢结构装配式建筑模型的建模深度等级

轻钢结构装配式简直模型在建模过程中，其深化设计模型的深度等级可分为五类：即LOD100（概念化）；LOD200（近似构件）；LOD300（精确构件）；LOD（加工）；LOD（竣工）五类。与传统的施工图深化设计以及加工详图所要求的设计深度相对应。模型构件具备几何特征、尺寸、细节特征、非几何信息、技术指标，并满足施工阶段BIM应用的要求。竣工及运维模型深度等级LOD500，还需包括建筑物的全部信息，满足建筑后期运营维护的要求。建模流程见图4。

图4 建模流程图Fig.4 Modeling flowchart

3.4 建模信息录入

建模信息录入工作，则是将建模完成后的建筑部品录入到平台的模型库中。在录入过程中，需要明确部品的全部清单、参数、几何信息与非几何信息，见图5。这些数据信息都是BIM建筑模型的数据标签，缺一不可。只有将这些信息全部录入，才能够确定该部品的类型。根据部品类型，将建筑模型存入与之相符的文件夹中。

图5 BIM施工仿真平台建筑部品图片Fig.5 Construction part of BIM construction simulation platform

3.5 BIM部品族库创建阶段

部品建模主要是根据装配式建筑的各个构件，并按照施工给出的部品图纸资料，进行部品模型的创建。通过创建部品族库，可以形成部品族文件。在此操作过程中，应对入库的部品族文件进行本专业内部校审，审核完成后方可以入入库。该操作需要由专业的部品族库管理员进行审查。针对全新的BIM部品上传，也需要经过该项步骤。

3.6 BIM模型构建阶段

部品规划主要是在BIM模型构建阶段，通过按照设计文件的实际要求基础，并且结合施工项目的现场情况，从已创建的部品族库中选择合适的部品族文件创建轻钢结构装配式建筑模型。在进行部品规划工作过程中，草拟一份所需部品清单，在清单中罗列出部品的相关参数、几何信息、非几何信息。在实际应用过程中，应根据部品类型、项目需求对其进行确定，再进行选择。根据部品需求清单，结合相关的部品参数，能够对BIM部品族库中的部品族文件进行分类，便于对其进行管理和应用。今后在实际操作过程中，符合清单要求的部品族文件可以进行调用。同时，相关管理人员可以将BIM应用成果文件转换电子文档，将之存入部品库文件中，作为附件，便于今后建模过程中，数字化文档向项目各参与方移交。

4 实训应用案例分析

4.1 项目概况介绍

以某一线城市商业住宅中轻钢装配结构施工为例，该项目对于建筑部品生产有着严格的要求。而且项目包括轻钢装配结构的设计生产，一直到工程建造施工。总体来说，本项目的建造周期包括从轻钢材料装配式材料的设计、生产、预制、工程施工全部流程。因此，为保证一线城市商业住宅轻钢装配结构施工效率以及施工质量，引进BIM技术实现对整个生产周期的质量管控。

4.2 基于BIM的设计、施工流程设计

根据轻钢装配式结构施工的特点，制定BIM轻钢装配结构施工的工艺流程，具体流程如图6所示。具体流程主要分为四个阶段：方案设计、初步设计、深化设计、工程施工和竣工阶段，方案设计阶段首先由建筑设计师和各类专业BIM设计师参与方案设计和方案模型的构建，初步设计阶段专业BIM设计师负责模型的碰撞检测、全专业模型构建，奢华设计阶段主要是各专业BIM设计工程师参与全专业深化模型的构建，从而指导工程模拟、成本控制、质量管理、材料管理、现场管理等。同时采购工程师在深化设计和工程施工阶段介入，参与物料采购工作。竣工完成后，BIM模型更新工程师负责对模型的更新工作，形成最终的竣工模型。

图6 基于BIM轻钢装配式结构施工流程设计图Fig.6 Based on bim light steel assembly structure construction flow design

从图中能够看出，BIM技术全面覆盖整个轻钢装配结构施工的全部工作流程。而将BIM技术引进到轻钢装配结构设计以及轻钢装配结构生产全流程，有利于对轻钢装配材料生产进行严格的把控，确保轻钢装配式建筑材料生产符合实际施工要求。

4.3 BIM的应用成果分析

通过研究BIM应用成果可以看出，将BIM技术应用于轻钢装配结构施工过程中能够有效的提升建筑工程的施工效率，确保建筑工程的整体施工质量。将BIM技术引进到轻钢装配结构生产阶段，通过在BIM施工仿真实训平台内部建立三维建筑模型，导出部品构件明细表，便于对建筑部品构件进行统一管理。而且，在设计深化阶段，还能够借助BIM模型进行部品生产设计的深化，提升轻钢装配结构的整体性能。在轻钢装配结构施工阶段，借助BIM技术，可通过建造虚拟三维模型，对整个施工流程进行预先演习，并且在模拟施工过程中可以及时的发现工程施工中可能存在的问题，并将之有效的解决，实现了轻钢装配结构施工的预先控制。将BIM模拟施工与实际施工进行同步，对其进行动态化控制，提高轻钢结构装配式工程材料管理效率。BIM技术的模拟施工还能够优化轻钢装配结构的施工方案，确保轻钢装配结构施工方案的可行性，从而全面的为建筑工程整体质量保驾护航。