基于BIM技术的钢结构工程深化设计

王 锋

钢结构工程与传统混凝土结构相比，具有造型多变、工期短、建材可循环利用以及湿作业量较少等特点，且在结构设计、建设工期和功能使用等方面具有明显的优势，因此在各种结构类型的工程中得到广泛应用。基于此，本文重点分析了基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术的钢结构工程深化设计。

1 钢结构工程的特点

在众多建筑形式中，钢结构的利用率最高，因此针对钢结构工程的研究日渐增多。钢结构工程的特点如下。

（1）地基要求较低。传统钢筋混凝土结构工程的原材料主要是钢筋和混凝土，土质条件不好的天然地基无法承受建筑整体荷载，需采取压实法、换填法等处理地基。而钢结构工程由于自重轻，对地基要求不高，投入成本比较低[1]。

（2）抗震性能好。钢材具有强度较大、抗拉伸等特点，属于延性材料，相同荷载作用下钢结构遭受的破坏比混凝土结构小，具有较强的抗震性能。另外，钢材阻尼比较小，在地震力作用下会发生较大的变形，但由于钢结构的韧性较强，变形时可以消耗地震能量并很快恢复原状。

（3）绿色环保。在建筑工程中，钢结构使用寿命较长、硬度较高且可以循环利用，能够降低材料成本，减少建筑垃圾，符合绿色环保理念。而且使用模块化组装钢构件，工序比较简单，施工速度快。

（4）构件碰撞、交叉影响较大。在深化设计中，由于构件间存在较大的碰撞和交叉，节点优化设计难度较大，因此需要提前考虑。

2 钢结构深化设计存在的问题

2.1 设计内容复杂

随着经济的快速发展，建筑工程规模日益扩大，并且功能越来越丰富、空间越来越大、居住舒适度越来越高，对建筑配套多元化设备的要求也越来越高。由于钢结构设计内容复杂，某部分的变动有可能会影响整个工程的最终质量，因此要及时进行调整。例如，技术人员在分析钢结构深化设计方案时如果发现材料用量超出预期，应为设计人员提出具体的修改意见，设计人员完成方案修改后反馈给附属设备设计人员，由其进行细化调整，最后再返给技术人员进行材料用量评价。

2.2 构件存在空间碰撞问题

钢结构设计不但内容复杂而且不同部位的设计相对独立，利用不同媒介同时开展设计工作可能会使构件出现空间位置碰撞。建筑设计主要是为了规范调整每一层的布局规划，同时根据甲方具体要求进行建筑造型设计并构建三维模型，所用设计软件一般包括计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）和3D Max 等。同时，钢结构设计还需要运用PKPM 等软件进行结构计算，研究结构内部不同位置的应力水平，计算稳定性、强度等各项指标能否达到相应标准。另外，钢结构工程通常使用广联达、能源与环境设计先锋（Leadership in Energy and Environmental Design，LEED） 等预算软件确定经济效益和工程量等参数，但是由于软件种类与所属公司等因素限制，难以实现信息共享，导致构件可能存在空间碰撞问题，带来安全隐患。

2.3 未考虑实际施工中的偏差问题

一般情况下，钢结构工程施工可分为工厂预制和现场拼接2 部分，其中拼接阶段的人工作业决定着钢结构建筑的质量。为方便钢构件的运输与安装，钢结构工程所使用的预制构件大多体积较小，在构件焊接等环节容易受到外界影响，导致材料变形、位置偏移。即使单个构件误差较小，但由于数量多，一定时间后也可能出现较大偏差，严重影响整体结构安全。此外，焊接工序过于集中是钢结构出现偏差的另一个原因[2]。工程施工现场效果如图1 所示。

图1 现场效果图

2.4 未建立完善的成本控制机制

与传统建筑相比，钢结构建筑的建设成本更加难以管控。例如，国家大剧院采用的是钢结构壳体结构，根据设计方案建设预算大概是25 亿元，然而实际建设成本高达30.67 亿元。建设成本的提高一方面难以确保钢结构工程顺利完工，另一方面会影响开发商的资金流动，甚至导致烂尾。总之，以上问题出现的原因为钢结构设计中未综合考虑实际建设条件及工程运营情况，未建立完善的成本控制机制[3]。

3 BIM 技术在钢结构深化设计中的应用

对于现阶段钢结构设计环节出现的问题，相关设计人员需要针对性地进行深化设计。具体来讲，深化设计就是利用设计软件实现设计的可视化，并在此基础上辅助设计者准确分析设计方案，明确其中存在的问题。随着科学技术的不断进步，BIM 技术取得了长足进步并得到大力推广，已广泛应用在钢结构工程建设中[4]。

3.1 工程概况

以某新建城市中央商务区（Central Business District，CBD）项目中的A 座建筑为例，建筑面积为32 645.72 m2，其层数包括地下3 层和地上32 层。该建筑分为地上商业建筑和地下车库，结构形式为框支剪力墙结构。其中，-3 ～4 层每层有38 根型钢柱，中间的剪力墙结构采用钢板剪力墙形式。型钢柱、型钢梁翼缘及钢板剪力墙双侧均焊接栓钉，所有型钢及剪力墙材质均为Q345B。

3.2 钢结构设计内容整合

为有效解决二维平面难以准确判断空间位置的问题，将建筑平面设计各项基本参数输入Tekla Structures 软件中，建立形象的三维模型，并根据受力情况初步判断设计方案是否合理。另外，在逐步完善各种附属设备设计的基础上，该软件还能够更加准确地计算经济效益，并给出修改意见。与传统设计相比，BIM技术能够将各项设计内容整合在同一平台内，从而简化了钢结构设计流程，缩短了设计周期，还可以辅助判断设计方案是否合理，从整体上提高了钢结构建筑设计的水平。如图1 所示，Tekla Structure模型 的TS 节点库包含各个国家规范所规定的型材截面，可以自定义特殊的截面形式或沿长度变化的变截面构件，且为不同规格的构件定义不同的颜色。

图4 基于BIM 的信息共享平台

3.3 钢结构构件碰撞处理

钢结构建筑中普遍使用的管线、梁柱等可借助Navisworks 软件实现空间位置层面的碰撞检测工作，从而为设计人员提供帮助，减少设计初期的碰撞问题，避免由于空间布置不合理导致设计方案变更。另外，通过BIM 技术可以直观形象地模拟钢结构工程的施工过程，选择合适位置设置孔洞，为后续作业提供便利[5]。如图2 所示，利用Tekla sStructure 模型的碰撞检查功能进行各构件与各专业信息模型间的碰撞检查。

图2 Tekla Structure 模型

3.4 钢结构施工偏差处理

BIM 技术不仅能应用于前期辅助设计，还能在后续施工环节提供持续指导。

第一，在进行施工时可在BIM 平台中加入具体施工参数，并利用相应软件做好施工质量评价。基于BIM 的信息共享平台如图3 所示。第二，在钢构件制作及转运过程中同样可以利用BIM 技术追溯源头，然后构建可视化模型来动态模拟具体施工过程。第三，如果钢结构工程施工环节出现误差，那么就需要处理后再提供给设计人员，便于其合理调整设计方案。由此可见，技术人员能够利用BIM 技术管控各个核心部件，从可视化层面比较设计方案和构建模型，为施工提供实时指导，并反馈修改意见。

图3 Tekla BIMsight 碰撞检查

3.5 钢结构施工成本控制

当利用传统模式和手段开展钢结构设计工作时，往往利用广联达物资称重计量管控系统管控建设成本与工程量，但是该软件只能静态分析钢结构工程的一系列参数，无法精准判断市场动态等因素，而运用BIM 技术综合分析工程进度、设计方案等各项动态因素可以更加准确地确定成本[6]。

另外，通过BIM 技术可以从成本层面比较不同的方案，进而选出最合理的方案。例如，本工程使用的钢构件包括箱型弯扭构件、变截面圆锥管以及大直径弯弧管，利用BIM 技术进行模拟验算后可得到各构件不同位置的应力水平，从而优化结构布置，增强其科学性与合理性，并降低潜在施工风险发生的概率，防止出现返工情况。因此，如果想将钢结构施工成本控制在合理范围内，不仅要有效使用BIM 技术，还需要设计人员精准把控市场发展趋势，第一时间调整设计方案，有效管控钢结构的建设成本。

4 结语

BIM 技术在钢结构工程施工过程中的应用范围较广，其发展与近年来的信息化进步息息相关。为提升钢结构深化设计水平，本文基于BIM 技术的钢结构工程深化设计，研究了多样化的施工手段。实践表明，利用BIM 技术对细部节点深化及拟定施工方案具有重要的意义，能够最大程度提高建筑工程钢结构深化设计水平。