基于BIM技术的型钢钢管混凝土框架连接节点设计库

张奎，王从章，高勇

（1.阜阳市重点工程建设管理处，安徽 阜阳 236000；2.安徽富煌钢构股份有限公司，安徽 合肥 230786）

1 应用背景

装配式建筑的发展理念是我们结合环境治理与建筑行业发展现状，适时推出的国家战略层面的针对建筑业持续发展与革新的产物，随着我国建筑业对装配式建筑实践行为的持续广泛的深入开展，装配式建筑由笼统的概念也孵化出相应的技术分支，特别是根据材料的应用不同，衍生出装配式混凝土建筑、装配式钢结构建筑、装配式木结构建筑等多种装配式技术体系，随着国家对装配式建筑发展政策的持续推进，作为占据装配式建筑半壁江山的装配式钢结构体系，凭借其自身的诸多应用优势在越来越多的项目中得到应用。紧密围绕“通用化、标准化、集成化、模块化”的技术应用路线，装配式钢结构建筑技术日趋成熟，装配式钢结构建筑设计、生产、安装相较于起步阶段的发展水平已经有较大幅度的提高，尽管如此，装配式建筑的整体发展水平尚未达到行业对其发展应用的广泛预期，针对当前这种发展境况，我们认为是多方面因素导致的，包括一些政策上的因素、市场方面的因素以及装配式技术方面的，政策需要因地制宜持续深化，同时与房地产市场调整联动协调，市场对装配式建筑的看法和接受程度，但是最直接的因素我们认为是装配式建筑技术方面还需要进一步完善，特别是在装配式建筑技术体系百家争鸣的氛围中，我们应当梳理出一套完备的技术范本，这样才能充分发挥装配式建筑的优势，促进建筑业整体的转型升级。

装配式建筑技术方面的因素是广泛的，并非技术措施的缺失与完善的简单逻辑，从装配式建筑应当具备的特征来看——标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，标准化设计、工厂化生产、装配化施工看似设计、生产、施工是三个不同的方面，通过应用研究与实践，我们发现三者是有其内在关联性，同时，对其他方面的应用也是有巨大影响的，三者是一个持续递进的关系，标准化的设计，势必会带来标准化的生产、标准化的安装，这对预制构件的材料应用、构件厂的加工效率、产业工人现场的装配效率提升都是巨大的，这里，我们要注意区分“标准化的设计”与“设计的标准化”两个概念。

回望装配式钢结构建筑的发展路径，装配式钢结构由钢结构体系发展而来，钢结构建筑的设计、生产加工与现场安装早已具备“装配”的基础，形成后期钢结构建筑往装配式钢结构方向发展的基本条件，将已经形成的“工业化”“装配式”支点，通过装配式建筑的整体概念进行融合，形成一个整体，这是装配式钢结构发展到目前阶段的研究内容。装配式钢结构建筑体系中，针对竖向受力构件采用型钢钢管混凝土柱的应用基础，结合钢梁、支撑，同时依托于“信息化管理”，把BIM技术作为一个装配式钢结构建筑的基础应用手段，建立起基于BIM技术的型钢钢管混凝土框架连接节点设计库，节点库与标准化梁柱型钢构件族协同使用，有助于标准化设计的应用要求，并提升设计、生产、安装各个阶段的效率，进而提高装配式钢结构整体的技术应用度，实现装配式钢结构建筑的“多、快、好、省”的发展节奏。

2 应用概述

基于BIM技术的型钢钢管混凝土框架连接节点设计库，是从众多项目中总结优化形成的适用性强、经济性高、便于加工生产与安装的节点做法，并深度结合了BIM技术手段，形成参数化族与配套应用文档，通过标准化的型钢钢管混凝土框架应用特点与范围，建立起与之配套且行之有效的型钢钢管混凝土框架连接节点设计库，贯彻标准化设计的装配式钢结构建筑理念，进而实现涵盖设计、生产、安装多环节的标准化，充分发挥装配式建筑的技术优势，践行装配式建筑的发展理念。

图1 节点设计库与标准化设计关系图

标准化的应用必然建立在标准化的理念之上，基于项目实践建立起标准化的应用原则、范围，根据地区、楼层、产品定位，建立起适用性高的型钢钢管混凝土框架与节点，型钢钢管混凝土框架节点设计库是对标准化框架的延伸与补充，要在体系化的思想里对其加以理解并投入实践；在应用时，首先应建立起标准化、参数化的型钢钢管混凝土框架，即标准化钢柱、钢梁与支撑设计模型，标准化的型钢钢管混凝土框架连接节点设计库包括柱与梁连接节点、柱与梁和支撑连接节点、柱脚节点三个方面，根据钢梁、钢柱、钢支撑的连接形式与节截面尺寸，从节点库中筛选出匹配适用的节点形式，形成设计模型，借助于BIM技术，还可以实现各组件的碰撞检测，进而消除节点不完善带来的管线设计缺陷问题。

3 应用原则

型钢钢管混凝土框架连接节点设计的比重很大，特别是加工周期长，同时不利于现场安装，基于BIM技术的型钢钢管混凝土框架连接节点设计库有两大应用要素，包括“BIM技术”应用与“标准化”准则建立的型钢钢管混凝土框架连接节点，这两大要素都能在解决框架连接节点上的诸多效率问题和应用的现实问题，在模型建立上、交互上、信息处理上，都是遵从BIM技术应用流程，标准化型钢钢管混凝土框架连接节点是以BIM体系中族对象来固化，应用时，应注意保持族文件的版本控制与参数污染。针对非标准化设计节点，型钢钢管混凝土框架连接节点设计库难以满足时应优先采取调整设计，使其符合标准化设计的要求，难以调整时，采用单独设计的方式完善整体设计内容。

在设计中，我们要确立在方案阶段就确立标准化设计的理念，在材料用量与标准化加工、安装之间寻求平衡，同时，要对节点的标准化应用的情况进行一个初步评估，包括节点应用的种类、标准化节点数量及应用比例等，只有符合一定标准化适用条件的，使用型钢钢管混凝土框架连接节点设计库的优势明显，可以大大提高型钢钢管混凝土框架结构体系装配式建筑的设计、生产与安装效率。

4 应用流程

4.1 型钢钢管混凝土框架模型搭建

作为标准化设计环节的一部分，首先应搭建起装配式钢结构体系中的主体模型，包括建立钢柱、钢梁、钢支撑模型，主模型搭建完毕后，同时也应建立起包括建筑、给排水、暖通、电气、幕墙等其他专业的模型进行后续使用；建立钢柱时，应注意核对其高度，钢柱高度与混凝土柱高度有部分差异，应予以注意，这是装配式钢结构特殊之处，其焊接位置一般设在楼面以上空间，具体建模时应复合设计要求确定钢柱高度，创建钢梁与钢支撑时，应与钢柱进行逻辑上的连接，而不是通过外观进行连接，这样可以保证后期钢柱位置调整时钢梁与支撑会与之同步调整。

图2 基于Revit主体结构三维设计模型

4.2 节点设计库创建节点

节点设计是整个设计环境的大比重工作，这也是我们创建节点设计库的初衷，我们的最终应用目的就是依托于BIM技术手段化繁为简。我们目前已经具备的节点设计库主要针对型钢钢管混凝土框架体系，根据已经成型的主体结构模型进行节点的专项设计，利用节点库进行节点设计时，应选取和理论模型对应的节点，在节点库中我们创建了多种类型的节点，不局限于钢管柱钢梁的连接节点，还包括钢管柱与钢支撑连接节点、主次钢梁连接节点、柱脚节点，钢柱钢梁连接节点还分为铰接与刚接，配合节点设计库中标准化的型钢构件族，可以实现基于BIM技术的型钢钢管混凝土框架体系全覆盖的设计，并满足标准化的应用要求。

节点是结构受力集中的部位，节点设计时，应依据节点计算书内容进行节点设计，包括节点部位的材料等级、连接假定、螺栓型号、螺栓等级等设计参数，节点设计库目前已经在材料类型上做了涵盖，包括部分常见尺寸的型材、构件，对于一些非常见尺寸，应注意予以添加。

选取对应节点时，要注意尺寸参数既要满足参数之间的逻辑运算要求，同时也应当符合标准规范对一些尺寸的要求，特别是螺栓的边距与中距要求，连接板的厚度等，节点设计库目前在多个类型上做了涵盖，但是在参数应用检查上还有待完善，这是一个应用趋势，我们会在后续的研究中加以完善，使其更加智能化；根据不同的构件类型，交互的选择顺序可能不同，应加以注意。

图3 梁柱刚接节点模型图

图4 梁柱铰接节点模型图

图5 主次梁连接节点模型图

图6 钢管柱柱脚节点模型图

在依据计算文件进行节点设计时，应根据节点的创建情况动态反馈，有些小的调整，可以通过归并的方法解决，在成本与标准化应用中平衡采用，也可以提出多种方案，通过项目各方共同讨论解决；针对一些项目标准化节点比例低时，应及时反馈到结构方案，通过结构方案的优化，实现节点设计标准化，通过节点设计库实现快速设计。

4.3 创建节点材料明细表

节点设计后，设计工作并未结束，借助于BIM技术提供的可视化、参数化技术特征与明细表应用功能，我们可以对设计方案中的钢结构材料进行动态实时统计，通过明细表的形式统计材料种类与用量，首先，基于BIM技术三维可视化的技术特点，不管是设计人员还是项目的业主，都可以直观地感受具体的设计内容，这种对设计内涵进行视觉传递的效率提升是巨大的，可以在所见所得的基础上对设计进行纠偏调整或设计优化，与此同时，可以结合节点模型形成的明细表进行节点设计的量化参数指标，其次可以配合商务部门快速进行统筹核算；节点的材料明细表可根据应用目的分类，例如有针对性地创建出型钢、板件或者螺栓的材料表，后期配合价格信息或者定额信息做更多更广泛的应用，延伸装配式钢结构建筑设计过程中形成的数据维度与信息价值。

5 应用总结

本文依托于标准化的设计理念，通过装配式钢结构的项目实践情况，探索了一条装配式钢结构标准化应用方法，同时，重点阐述了基于BIM技术的型钢钢管混凝土框架连接节点设计库的概述与应用流程，力图解决当前装配式钢结构体系中节点设计占用时间周期长、加工不便、安装效率不高的问题，通过在设计中落实标准化的设计理念达到解决三个主要阶段形成的问题；目前BIM技术手段也在持续地完善更新，标准化的节点设计形成的应用库在应用中可以达到使用目的，同时，也有一些工作需要强化，包括节点设计库在应用的效率上，虽然解决了设计标准化问题，但是在应用效率上可以进一步提高，包括交互的自动化、智能化程度，基于节点设计库的标识模型进行节点详图生成方面，还有一些各软件系统之间的数据联动方面，需要持续完善，包括基于神经网络模型进行建筑设计的工作开展已有一些，在标准化设计、节点设计工作上我们也可以在这些成果的基础上探究人工智能在行业痛点上的应用，从而彻底解放设计工程师。基于目前的实践，包括连接节点在内的标准化的构件应完善并形成一套完整的解决方案，只有全构件、全业务实现节点设计库的覆盖，才有利于型钢钢管混凝土框架体系的建立与应用，进而实现基于BIM技术的型钢钢管混凝土框架体系的推行与应用。