BIM 技术在装配式钢结构住宅中的应用

谢强

（山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500）

1 BIM 技术的应用价值

1.1 精准的下料预加工

BIM 技术能够准确清晰地提出工程项目钢结构施工物料清单，支持各种类型钢构件生产下料等工作，详细准确地确定下料清单，全面提高下料和预加工的准确度，缩短复杂材料和规格板面加工的时间，提高生产数据的精准度，有效协同配置人力、物料、时间等内容，实现对误差大的废料、图纸修改等建设成本的严格控制[1]。

1.2 可视化精准设计

利用BIM 技术开展装配式钢结构设计，可以将构件的形状、尺寸、材质、热传系数、防水性能、抗风压强度等多种信息详细、完整地罗列出来，这为工程生产中下料预加工板块、构件提供了有力支持，节省了纸质办公这一环节的成本，可以保证数据精准度，同时有助于节能环保。利用BIM 技术还可以全方位地呈现复杂施工阶段、连接方案等施工技术工艺，就其中是否存在设计问题进行明确，及时纠正设计方案中的不足，达到优化设计方案的目的[2]。

1.3 参数化虚拟建造

利用BIM 技术可以真实地确定物料相关几何属性参数，比如物料造价、编号、热共性等，就钢结构住宅造型、节能、安全等重要指标进行仿真模拟计算，有效协调施工进度、系统等方面，采取合适的设计方案优化关联指标，实现设计和施工协同工作，有效提升施工效率和质量。利用BIM 技术虚拟建造功能还可以尽量避免技术干扰问题，提前确认好各个位置的关系，为后期安装钢构件施工操作提供有力的支持[3]。

1.4 相关专业一体化

设计师可以在信息化平台中共享设计信息，保证各个专业和各方单位可以及时地了解建筑钢结构造型、外部空间、内部结构、物料材质等内容，利用BIM技术纠正多专业设计中存在的冲突，优化设计版块，精准计算型材，合理调整参数，确保设计方案和施工技术方案能够和标准质量要求相吻合。

1.5 全方位出图自动化更新

在BIM 系统中，建筑钢结构平面图、剖面图、俯视图等都可以自动生成并且自由转换。如果设计师需要修改钢结构架构参数，只需要调整其中某项参数就能够自动可视化修整成果图。这种方式可以实现设计工作效率的有效提升，有效避免传统设计工作中漏改、改错等设计问题。此外，在具体落实钢结构安装技术方案过程中，可以利用数字化、可视化设计方案有效指导施工人员操作，保证施工人员对各个技术要点进行明确掌握，利用坐标数据严格控制安装精度和允许偏差，实现作业效率的提升，实现施工技术方案的高效落实。

2 装配式钢结构住宅常见问题

2.1 PC 结构设计

PC 结构是预制钢筋混凝土装配式结构的英文缩写，PC 结构和钢框架结构是当前中国建筑行业工业化的2 种主要形式。虽然中国建筑工业化已经取得了一定的发展，但是工业化程度效率仍然不高，即便是经济较为发达的城市也没有实现工业化生产，建设标准化工作进展相对落后，很多零部件仍然无法通用，没有实现标准化生产。不过在国家节能环保政策的引导下，传统粗放型建筑施工已经逐渐被淘汰，新型建筑结构体系逐渐登上舞台，虽然当前还处于探索阶段，但是有着十分广阔的发展前景，很多地区开始出现PC建筑工业化体系，示范性项目也逐渐增多。中国钢结构住宅工业化建筑设计相比于发达国家起步晚，PC 结构设计存在一定的不足，很多户型设计中没有采取规范化的组合方式，无法实现工业化生产建造。有的住宅结构设计是传统的PC 结构，组合形式不多，这不利于装配式建筑工业化发展进程的推进[4]。

2.2 构件规格不统一

如果没有标准化地完成各个构件设计，会导致增加工程加工制作成本和难度，有的构件甚至还需要运输到现场后进行切割，耗费了大量的材料和资金，降低了施工效率。也正是由于缺乏模块化、标准化设计，导致有的住宅建筑安装中没有统一墙板水平、竖直排列方向，构件较多，需要投入的成本较高，没有充分发挥出其经济性价值。部件缺乏足够的互换性，匹配度不够，无法大规模生产，不利于钢结构住宅工业化、标准化发展[5]。

2.3 缺少全装修和设备一体化的集成化设计

当前中国装配式住宅建筑处于前期发展阶段，难以高效地实现结构、零部件、机电器具、装配施工、装饰装修等一体化集成设计，设计人员没有深刻地认识到装配式住宅建筑的技术、质量、效益等方面的协调问题，缺乏足够的设计能力，很少设计出模块化的产品。在装配式住宅设计领域，建筑信息模型技术正在逐渐推广应用，但是仍然没有实现设计施工一体化[6]。

3 基于BIM 技术的装配式钢结构住宅设计方法

3.1 户型库的建立

卧室、客厅、厨卫等模块共同组成了户型库，设计师根据精细化设计可以确定模块大致尺寸，对模数协调性进行充分考虑后，建设通用的模块。同时，要保证各个功能模块可以相互组合，最终构成多种类型的户型图[7]。

3.2 户型的平面组合

在连接户型过程中，需要对墙柱重合问题加强分析。连接组合和重合组合是户型之间组合的2 种方式，重合组合主要指的是建筑、结构方面的组合，连接组合主要是建筑和其他设备的组合。内墙、内外隔墙、柱子、剪力墙都是户型重合组合的部分。为了提高户型重合的效率，可以将其他重合部位构件尽量删除，保留相对长的构件。户型的组合如图1 所示[8]。

图1 户型的组合

3.3 标准层的创建

户型之间的组合、交通模块和户型的组合为主要楼层标准层，户型、楼梯、电梯、前室、走廊、电梯井等是住宅标准层的组成内容，有的住宅还存在一些不符合标准的结构。在装配式钢结构住宅设计中，需要配备一些标准化功能模块，还要处理一些不标准的结构，只有充分组合这些结构才能组建完整的住宅建筑。在设计标准层时通常采用对称布置方式。户型对称能够规整结构柱网，能够提高住宅结构整体稳定性。在设计建筑结构中，先要做好标准层的合理设置，要尽量简化标准层。

3.4 整体建筑的协同设计

整体协同设计需要组合首层、标准层和其他部分，形成完整的住宅结构。在各个部分楼层连接过程中需要协调处理建筑、结构等各个专业整体。协同设计内容主要包括专业内协同性和专业间协同性。所谓专业内协同就是要保证设计符合该专业标准、规范。专业间协同是保证各个专业能够协调不冲突。

通过协同设计能够保证各个专业技术更好地合作，避免设计和施工中出现冲突，加强信息交流，避免信息孤岛，有助于产品设计、制造、物流、装配一系列工序的顺利衔接，有助于装配式钢结构住宅标准化、工业化发展[9]。

3.5 自动生成工程图并汇总工程量

相比于传统的钢筋混凝土结构住宅，装配式钢结构住宅能够批量生产运输，可以简化施工现场作业，节省施工时间，如果实现了工业化、标准化生产还能够大大节约成本。利用BIM 技术可以高效地分类汇总整个装配式钢结构组件数量和类型，能够保证工作人员快速获取详细的工程数量列表。此外，BIM 技术的绘图和自动更新数据功能十分强大，在自定义图纸模板后能够实现设计方案图的优化，便于简化管理施工中的连接节点。利用BIM 技术还能够可视化观察施工过程，明确是否存在施工冲突，保证设计方案可行。

4 BIM 技术在装配式钢结构住宅中的应用

某保障性住房项目建筑单元共计10 栋，总建筑面积为144 785.72 m2，住宅上部分主体结构为钢结构，其中1#—9#综合使用支撑结构体系和扁柱-H 形钢结构，10#楼采用的是扁柱-H 形钢结构。该项目使用大约10 000 t 钢结构。

4.1 建立钢结构模型

该项目使用Tekla Structures软件建立钢结构模型，该软件允许多人同时操作同一模型，能够保证钢结构住宅三维模型快速构建。工作人员在BIM 模型中输入钢构件螺栓孔孔径、构件材质、零构件的BIM 编号等所需要的信息。

4.2 整体受力分析

在软件构建模型并且检查无误后导出dxf 的受力构件文件，然后再将该文件导入到MIDAS Gen 软件中，分析结构永久荷载、地震等作用下整体结构刚度、强度、稳定性等受力情况。

4.3 连接节点细部受力分析

在ANSYS WorkBench 软件中导入钢结构连接节点，分析连接节点局部受力情况。系统可以快速发现局部应力超出规范要求的情况，工作人员根据分析结构畸形调整，再次分析建模，直到所有位置都和规范要求符合。

4.4 碰撞（干涉）检查

与传统二维图纸相比，三维立体模型的碰撞检查功能可以将发生冲突的位置快速准确地定位，减少尺寸不匹配、构件施工冲突等问题，进而保证如期完成工程建设，减少工期延误引发的经济效益降低问题。

4.5 二维加工图输出

Tekla Structures 和SolidWorks 还可以实现三维模型到二维图纸的高效转换，有着强大的转化功能，还可以输出二维加工图，为工作人员交流提供便捷。通过这些软件系统检查和审核后输出的加工图较为准确，如果发生设计变更，系统还能够自动进行二维图纸的改动，保证和三维模型一致，确保图纸的准确度。

5 BIM 技术在装配式钢结构住宅施工中的应用

5.1 钢构件的安装要点

钢构件的安装要点如下：①清理干净基础部分，吊装首层钢柱，做好基础标高螺栓螺母的调整，然后开始安装钢柱；②从底板向上500～1 000 mm 处划一道水平线，起吊柱子，在安装后固定前核对平面标高基准；③边安装边校核钢柱的垂直度，避免累积误差过大，应当在温度恒定的时间段进行校核工作；④安装钢梁，做好钢梁保护，平衡好各个吊绳，避免起吊后变形。吊索角度应当控制在60°以上，牢固地绑扎并通过计算准确地确定所用吊索；⑤按照从中部向四周扩散的方式对称焊接接头，遵循先顶层梁后底层梁的顺序焊接，然后完成次顶层梁、次层梁焊接。柱对接焊缝可先可后。

5.2 预制构件吊运过程

在吊运预制构件过程中，首先要确定好起重机的选型。装配式住宅所用钢结构构件往往有着较大的体积和质量，所以需要借助起重机这一大型吊装设备完成吊运作业。工作人员需要按照工程实际情况需要，明确构件体积、质量后合理选择起重设备规模，确保能够和工程相适应。如果选用的型号过小，那么在吊运过程中可能会发生滑落等安全问题；如果选用过大的设备，会白白浪费设备和资金。同时，工作人员要注意查验起重机的进场手续，按照说明合理操作起重机。其次，在使用起重机前，需要对操作人员展开针对性的培训，避免操作人员技术水平不高或者没有按照规范操作引发安全事故。最后，充分做好安全防护措施。在起吊和安装钢构件过程中，要设置警戒线，避免无关人员进入到施工现场，避免人员停留于起重机下方。

5.3 三维场地布置，空间资源精细管理

施工现场大多都有着较大的空间，但是开发利用率却不高。在建造装配式钢结构住宅过程中，人们更多的关注点在项目本身上，比如对施工质量、安全、进度等高度重视，但却不重视施工现场管理。比如有的单位没有实现对现场资源的高效利用。在装配式钢结构住宅施工中，可以充分利用BIM 技术实现精细化管理，提高现场空间资源利用率。场地三维化构建并不困难，难点在于管理者如何将其落实。管理者可以利用BIM 技术的可视化功能快速地决定应当如何开展现场空间资源的利用，控制项目成本的同时增加项目经济效益。三维场布可以直观地协调和呈现各个部门在施工现场的工作内容，管理者的任务就是制定决策，分配任务。

5.4 物料精确统计，动态管控

利用BIM 系统能够实现物料信息要素的梳理，能够在二维码中集成构件的生产日期、生产厂家、构件尺寸等信息内容，绑定物料和二维码，利用BIM 模型进入到二维码信息管理系统，清晰地了解建筑物构件的相关信息。此外，BIM 模型记录构件状态信息的能力并不是很强大。为了改善这方面的不足，工作人员可以开发管理系统，专门用于记录和管理装配式建筑工程施工中的各种信息数据，同时统一二维码信息和BIM 模型信息，提高物料跟踪管理能力。

6 结语

总而言之，在装配式钢结构住宅建筑中应用BIM技术能够实现钢结构设计、制造、安装过程整体优化，设计师可以利用可视化模型清晰地查看设计方案是否合理，能够协同各个专业，保证施工顺利高效地开展。虽然当前BIM 技术在装配式住宅中的应用仍然存在一定不足，但是凭借着诸多优势，无论是BIM 技术还是装配式住宅，都有着十分广阔的发展前景，未来可期。