基于BIM技术的金属结构施工

摘 要：近年来，建设工程施工技术在不断发展，其中BIM技术在各类项目中得到了广泛应用。根据BIM技术在项目各阶段的應用情况，结合某电厂的锅炉钢架预制和安装实例，阐述利用BIM技术对金属结构进行预制加工，对其内的管线路由和支架进行设计，再利用装配式施工工艺对钢架和支架进行组装，确保整个施工过程中钢架的安装质量和施工效率，并有效降低成本。

关键词：BIM技术;金属结构;锅炉钢架;工程施工

中图分类号：TU17;TU391                           文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2022）07-0038-03

0 引言

BIM技术即建筑信息模型，它依托数字三维技术辅助建设工程的设计与施工，项目各专业人员通过模型信息沟通和处理问题，简化沟通协调过程。通过集成信息，在设计模型中进行结构碰撞检查，将产品可视化并模拟安装过程，优化安装顺序和预制工艺流程，提高施工效率，确保设计和施工方案科学合理。

建设工程项目工程量大、流程多、界面复杂、协调难等，利用科学合理的技术指导施工和管理显得尤为重要， BIM技术是当前建设工程领域应用比较广泛的技术，可覆盖建设工程全寿命周期，在每个阶段起重要作用，能直接或间接影响建设工程项目的质量、进度、成本、安全等方面。

1BIM技术的应用

1.1 投标阶段的应用

在建设工程项目招投标阶段，收集产品要求、施工与设计要求、工程量清单等相关信息，利用有效信息及BIM技术，统计出建筑的实物工程量，根据清单计价规则及清单信息，形成招标文件的工程量清单。基于BIM平台信息，投标方将施工方案以动画模型的形式呈现，优化施工方案并分区域统计工程材料用量，若将造价软件与BIM系统中的数据进行共享连接，则能简化用量及套价等工作，确保计价依据的准确性，有利于造价管理，对项目进行更有依据的合理报价，提升商务标和技术标的竞争力，并为项目后期的设计、施工、竣工、使用提供有效依据，解决后期遇到的问题。

1.2 设计阶段的应用

在建设工程设计阶段，相关信息管理技术将会发挥很大的作用，利用建筑信息模型BIM技术可实现建筑信息的集成，各种信息整合于三维模型信息数据库中，该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象的状态信息，借助这个包含建筑工程信息的三维模型，大大提高了建筑工程信息集成化程度，为建筑工程项目的相关利益方提供了一个工程信息交换和共享平台。

BIM技术属于数字化设计，其数据库是动态变化的，因此需要信息数据库的动态管理。需要注意的是，BIM技术不仅在设计阶段应用，还应用于建设工程项目的全寿命周期中。通过BIM技术设计建立三维模型，可对建筑物做碰撞检查，综合管线优化排布，减少返工、缩短工期，还可在软件中虚拟施工，通过模型提前预知施工难点，将施工方案模型化，设计出切实可行的施工方案。

BIM技术可实现综合交通系统规划、公路交通的设计、地质信息模型数据库的设计等。基于BIM技术构建综合交通数据库的信息模型，该数据库包含有三维空间数据库和属性数据库，可以满足综合交通规范化管理要求，为区域建筑分布和交通区划研究提供直接数据支持。收集地形图、地质图、钻孔资料后，建立三维综交通模型，根据相关资料、可对模型实施动态监测，研究其发展规律和存在风险，并设计出交通系统及公路交通相关防范措施等。利用BIM技术构建考虑公路网、区域枢纽、交通枢纽可达性的交通区位和可达性评价模型，分析区域交通优势，设计综合交通系统等特大型工程。

1.3 施工阶段的应用

在施工阶段，施工过程产生大量数据和信息，并不断变化，加强信息动态管理，制定信息管理制度，各方信息分类和编码的统一，来实现信息管理的标准化、代码化和规范化，使信息管理更高效，且不易出错。施工所用的材料、设备、图纸等信息都可以通过BIM技术来完成，对这些大量的施工数据信息进行有效管理和动态化控制。

1.3.1 施工准备阶段

在施工准备阶段，利用BIM技术对施工场地的设备和建筑信息进行整合，对施工场地的资源进度、场地进度、计划进度和施工进度进行总体协调，论证施工进度的合理性，通过直观的模型模拟，从施工逻辑、施工工序的合理性进行验证，对施工过程进行控制，避免施工场地的界面混乱以及资源浪费。具体到合理布置施工场地减少二次搬运，随着施工的不断进行，场地情况持续动态变化，依靠BIM技术对变化的信息进行继续加工。对于建筑构件、设备、管线、电路的布置和更改，则需要依靠BIM技术检查碰撞，实现合理规划。

1.3.2 施工方案的评估

根据施工组织设计编制相关施工工艺方案时，可以结合BIM技术，对拟实施的施工工艺进行三维可视化模拟，主要目的是对施工工艺的构成要素进行展示，同时将施工工艺的实施顺序和工作流程模拟，项目组人员根据模拟情况，分析工艺方案的优缺点，综合评判该工艺方案的可行性，有利于推动工艺方案的标准化，针对不同工序匹配最优的施工工艺方案[1]。

1.3.3 施工安全设计

对于施工安全问题，也可结合BIM技术进行控制。首先对现场质量缺陷、风险要素、安全隐患等资料信息进行整合分析，对比BIM模型或图纸文件，将问题可视化，分析风险严重程度，排除隐患的难易，来寻求合适的解决方案，消除风险和安全隐患。当在BIM设计模型中设计施工场地的防火逃生通道，并模拟出危险发生时，沿防火逃生通道疏散的人员在逃生过程中，是否有新的危险源和障碍，来考虑改变通道路线或对路径中的设计作业改变以及装设安全装置等。

当在BIM设计模型中设计消防车通道时，应对通道宽度、高度范围内障碍物、路面地基作出分析，规划最优路径。在项目使用、运营或生产阶段时会产生相关信息，如使用情況调查、维修状况、生产数据等一系列信息，需要对它们进行收集汇总管理并分析，对未来新项目的提出和设计具有重要的指导价值，通过BIM与施工过程记录信息的关联，可以实现包括隐蔽工程资料在内的竣工信息总集成，利于项目在使用、运营或生产阶段的设施管理，并为项目未来的维护、改造、扩建提供历史信息。对于项目的安全和消防管理，使用BIM技术对监控设施、消防设施进行合理布置，科学指导人员快速疏散和营救等。

1.3.4 预制钢结构阶段

BIM技术应用在预制钢结构阶段时，可以对预制流程中存在的影响因素进行分析，得出关键影响因素，有助于管理人员提前做好预案。在预制初期阶段，收集整合并共享预制构件的有关属性信息，保证设计模型数据信息的真实性和完整性，及时存储，便于预制全过程中随时查看和分析属性信息来支持构件的生产，根据数据信息对预制质量进行控制。同时，可以对所用到的材料在BIM中进行测量计算，并分类统计，将全部材料的用量归纳完整，利于采办和后期对材料消耗量的监测[1]。如果将造价软件与BIM系统中的数据进行共享连接，则能简化用量及套价等工作，确保计价依据的准确性，有利于预制阶段的施工和造价管理。

2BIM应用于锅炉钢架工程实例

2.1 结构设计与设施布置

以某电厂的锅炉钢架为例，如图1所示，在设计阶段，设计人员根据相关信息和需求在BIM平台对数据模型进行设计，在设计过程中，根据锅炉钢架主要尺寸、施工现场情况和现有资源来确定钢架的各装配结构段以及各结构段的连接形式。装配结构段可按一层或多层垂直划分，如为大型钢架，平面尺寸比较大，每层还需进行平面或局部区域划分，各装配结构段连接形式可为螺栓连接或焊接等。

对钢架各层平台进行合理布置，对于钢架内的附属结构，如管线路由、管道支架、设备基座、栏杆、扶梯、格栅板等构件结合钢架整体进行优化设计，还需考虑施工可行性和锅炉的运行维护，钢架的每个构件需要输入准确的属性信息，如构件编号、材质、规格、型号等。设计模型初步完成后，对各构件进行碰撞检查，距离和尺寸核算，结构计算分析，节点连接是否可靠，完善相关细节，必要时可以模拟整个施工过程，提前预知施工难点，将施工方案可视化，规避潜在的施工风险，设计出合理的结构模块。

2.2 装配材料的准备

2.2.1 数据导出及分类

在BIM中通过完成的数据模型输出钢材的属性参数表格和图纸，链接到企业物料数据库，调用物料库存信息，对钢材进行排版套料。套料好的构件有符合安装尺寸的立柱、横梁、托架构件、支架构件、平台构件、设备基础件、栏杆构件和扶梯等各类单元件，工作人员将各构件单元进行分类，将每个装配结构段所需的材料归集好后，便可组织材料预制和组装。

2.2.2 分段拼装及检验

施工前根据拟定好的施工计划，在工厂内按顺序对各单元构件进行拼装，以使对接施工现场的安装要求和安装进度。在钢架安装过程中，需要对钢架构件校正、变形、焊接、焊缝尺寸、垫铁、柱基预留钢筋等充分考虑。

首先根据装配结构段图纸，将各构件按顺序组合，立柱、横梁通过焊接或螺栓连接等形式组成整个装配结构段，对于结构段内的主要管道支架根据图纸位置定位，并准确安装，其他在结构段内的附属结构也需要一并安装完成，预先不能安装的附属结构可以进行临时固定，位置应准确，确保在后期各装配分段安装完成后，各分段内附属结构能连贯地连接。

其次，在钢架梁、柱指定位置焊接吊耳，并对该结构段的连接质量、所用材料、主要尺寸、附属结构位置等进行复核和检验，对焊接部位还需进行无损探伤检测，检查合格后，经过除锈喷漆防腐等工序后便可将完成好的装配结构段运输到施工现场等待安装。

2.3 金属结构、设备的安装

2.3.1 基础安装

锅炉钢架安装前，首先需要对地基基础复查和划线，基准轴线应与厂房建筑标准点校核无误，基础标高通过基准标高线测量，复查合格后进行基础划线，依次划出各纵横轴线，划线完成后准备安装柱底板。柱底板安装前在每个地脚螺栓上安装标高调整螺母便于柱底板的标高调整，随后开始安装柱底板。如果钢架的定位和固定与BIM设计模型位置存在差异时，分析问题产生原因，如确需调整定位的，在BIM设计模型中更新钢架位置，检查是否与原设计存在影响，并消除影响。

2.3.2 主体结构、设备安装

将预制好的第一段钢架装配段立柱上划出1m标高线，对柱子互成90°的两个侧面划出中心线，便于安装钢架时作为垂直度测量的基准[2]。钢架吊装前，确保整体加固性能良好，复核装配段的重量重心，检查装配结构段编号及方向，附属于螺栓、螺母、垫圈接触的所有接触面应除去氧化物、毛刺、油脂等影响紧密连接的杂物。吊装作业采取从前到后、从左到右的吊装顺序，柱子下端垫好道木，防止钢架立柱与地面接触，待立柱板与柱底板螺栓穿好后，检查立柱标高和垂直度，当标高和垂直度调整合格后，将螺栓紧固并对螺栓孔进行一次灌浆。该层钢架找正、螺栓终紧后，经验收合格方可进行柱底板与基础的二次灌浆，待灌浆料强度合格后方可进行下一层装配结构段的吊装。吊装过程可以通过BIM来模拟，检查起重机吊臂是否和装配结构存在干涉情况，吊装过程中装配结构是否与其他结构有碰撞发生，若存在问题，改变方案消除隐患，确保实际吊装过程安全稳定。

将预制好的第二段钢架装配段吊装，首先确定好重心，将索具安装到装配段吊耳上，在结构上绑好牵引绳，在安装过程中确保装配段的垂直度，必要时可设置导向限位结构，当装配段吊至目标位置后，将立柱底部与第一段顶部点焊临时固定，检查装配段垂直度及各装配段内附属构件的过渡连接情况，确认位置无误后，根据图纸将第二段与第一段进行可靠连接或焊接，并将第二段和第一段内的附属结构件和中间过渡件可靠连接或焊接。第三、四段等上部钢架装配结构段同理进行安装，以此类推。各装配段的扶梯和格栅均在工厂预制阶段安装完毕，便于后期人员通行，检查各装配段之间连接质量。

高强度螺栓紧固完毕后，经检验合格后方能继续吊装另一段装配结构段，以免造成无法纠正的偏差，各段安装完毕后，最后对锅炉钢架整体验收[3]。

3结语

BIM技术作为现代工程建设领域中的重要技术，高度契合建设工程的精细化管理，可应用于项目可行性研究、工程招投标、造价管理、工程设计、深化设计、施工建造、工程验收等建设工程各个环节，产生大量的数据信息，对项目的溯源、质量控制、运营期维护提供了充实的依据。

将BIM技术的应用细化到钢结构加工制造安装方面同样具有较强的优势，在设计阶段优化设计方案，在施工阶段辅助生产预制和安装，整合材料设备等数据信息，与数字化加工技术相结合，为钢结构安装施工提供重要的技术支撑，可在建设工程项目中与装配式施工工艺相结合，能够实现作业效率的提升，工期的提前，成本的压缩，工程质量的提高。促进建筑企业的发展，为社会经济的发展加速充能。因此，合理运用BIM技术对建设工程的设计和施工具有重要意义。

参考文献

[1] 冷新中.BIM数字化加工技术在钢结构加工中的应用研究[J].中国建筑金属结构，2021（1）：90-91.

[2] 张晶莹，郗晶.浅论电厂锅炉钢架的安装[C]//.2017年8月建筑科技与管理学术交流会论文集，2017：176-177.

[3] 王龙利.锅炉钢架安装的方法及内容[J].科技创新与应用，2015 （3）：76.

收稿日期：2022-02-17

作者简介：刘毅（1987—），男，湖北咸宁人，本科，工程师，研究方向：机电工程。