BIM技术在大型钢管桁架结构施工中的应用研究

丁于强，王 浩

（1、柳州城市职业学院 广西柳州 545000；2、广西建工第五建筑工程集团有限公司 广西柳州 545000）

2016 年2 月6 日国务院印发了《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，指出“发展新型建造方式，大力推广装配式建筑”、“积极稳妥推广钢结构建筑”［1］。钢结构建筑具有建设速度快、抗震性能好、方便工厂制作等优点，推广装配式钢结构建筑是推动住宅产业化的最优选择，对住宅产业化的发展具有深远意义［2］。

钢结构在我国建筑工程中的应用越来越广泛，各类复杂结构也应时而生，结构新颖、造型优美、跨度大，结构越来越复杂；构件的制作、安装精度越来越高［3-4］，传统的工程质量控制手段和施工管理方法已不适应现代复杂的装配式钢结构工程施工要求。

本文以某县运动场项目为载体，以BIM 技术为技术手段，以提高装配式钢结构施工中质量控制和施工管理精细化水平为最终目的，研究BIM 技术在装配式钢结构施工中的应用，主要研究内容包括：BIM 技术在施工深化设计、构件碰撞检查、施工技术交底等方面的问题，为今后BIM 技术在装配式钢结构施工中的应用提供参考和借鉴。

1 工程概况

某县运动场建筑为框架结构，抗震设防烈度6度，设计使用年限50 年，建筑面积为12 267 m2，结构层数为3层，屋面为管桁架悬挑结构。运动场的东西区（一侧）长141 m，宽46 m，其中钢结构管桁架总跨度为41.8 m，悬挑跨度为33.6 m。该建筑钢结构部分为顶部东、西二个空间钢管桁架结构的独立罩棚，每侧的钢结构罩棚平面均呈扇形，分为3个部分；东西两侧罩棚相向布置。钢管桁架结构体系的屋面罩棚与与凝土柱之间为铰接，桁架节点与钢管之间采用焊接节点直接相贯连接，如图1所示。

图1 运动场西、东区檩条平面Fig.1 Floor Plan of the West and East Purlins of the Sports Field

本项目在施工中存在的难点：

⑴空间钢管桁架结构构件平面二维深化设计图复杂，构件加工、制作人员对构件加工图理解错误，导致构件加工错误无法安装或构件加工精度不够，安装困难，导致整个构件应力变化，影响工程质量和施工进度。

⑵钢结构的拼装和安装精度要求高。因本工程主、次桁架尺寸均较大，为便于后期运输，故采用“分段加工、分段出厂、现场拼装”的施工工艺，因此对预埋件的预埋、钢结构拼装和安装精度要求非常高。

⑶构件重量大跨度大，安装高度高、吊装就位困难。该项目运动场看台钢管桁架最长跨度40.7 m、最重为43 t、安装最高高度为27 m，单边大悬挑结构，吊装难度极大。

⑷大悬臂结构的整体卸载，卸载实际就是荷载转移过程，在荷载转移过程中，如果变形不协调、卸载不均衡，有可能造成临时支撑超载失稳，或者桁架结构局部甚至整体受损。

⑸钢结构设计的不同专业的构配件之间经常出现碰撞问题，目前部分设计院已经将建筑、结构、机电、水暖等不同专业综合在BIM 中进行碰撞检查，取得了不错的效果。但将BIM 技术应用在钢结构二次深化设计和现场施工吊装中的研究相对较少，可借鉴经验不多。

2 BIM技术应用

本项目从工程方案设计开始就建立了基于BIM技术的信息收集、整理和应用系统，利用Tekla Structures软件建立了项目的BIM 模型，并进行该项目空间钢管桁架结构构件的施工图设计和深化设计；并基于构件加工单位的现有生产设备的构件加工能力和施工机具的现场的吊装能力，对模型进行合理拆分，将BIM 模型导入物料平台，生成二维码对预制构件进行设计、生产、运输、安装等全过程管控，通过使用BIM技术提前对项目进行建模深化及碰撞检查。利用BIM 场地布置、BIM 5D等工具软件进行施工现场平面布设、施工管理等应用。从方案设计到施工图设计、到深化设计、到施工工艺模拟、到施工现场总评布置、到施工进度管理、到竣工验收、到后期运维等，最终形成完整的工程竣工信息模型，完成工程全生命周期的信息管理。

2.1 BIM技术应用流程（见图2）

图2 BIM技术应用流程Fig.2 Building Information Modeling Technology Application Flow Chart

2.2 钢结构模型创建

使用BIM 软件允许多人协同作业的特点，较快地建立本工程的建筑、结构、水电一体的工程建筑信息模型，并将关键重要信息输入到该模型中。如结构材质信息、构件尺寸标号信息、节点连接信息等（见图3）。

图3 钢结构BIM模型Fig.3 The Building Information Modeling of Steel Structure

根据项目建设方案比对结果，选用“空间钢管桁架结构”体系，在建筑设计、结构设计和机电、给排水设计时尽量选择专业标准化构件族库。桁架构件选型时充分考虑构件生产、构件运输、构件现场吊装，易于实现标准化设计、工业化生产和装配化施工。

2.3 碰撞检查

将各专业模型连接拼装完成后的模型导入navisworks 进行整合，通过navisworks 中精确错误查找功能，快速查阅各专业模型之间的硬碰撞、软碰撞、净空冲突与时间冲突，并完成记录检查中发现的所有碰撞和冲突，在规划和设计阶段消除解决后续施工中可能面临的问题。

BIM 技术应用于钢结构生产的碰撞检测功能是非常明显的优势。在生产加工的过程中，对钢结构模型的相关信息实施碰撞测试，可以不断调整优化钢结构的数字化模型；在施工流程中，对于钢结构的建筑工程而言，连接节点位置的选取、预留孔洞的精确性等，BIM 技术都可以增加整个钢结构的合理性，极大程度上保证了钢结构设计制造的质量，提升钢结构的加工和安装水平。

2.4 主体钢结构二次深化设计

钢架结构二次深化设计即钢结构生产制作技术人员将钢结构施工图中构件位置、构件截面与内里分布、节点构造及设计技术要求和设计施工规范规定，并根据构件加工厂的实际生产条件和现场施工条件，并充分考虑运输能力、吊装能力和安装能力，采用BIM 技术对构件进行分段，并将构件的详细尺寸、连接方法、布置位置等精确的表现三维信息模型中，从而解决了构件重量大跨度大，安装高度高、吊装就位困难的难题；最后利用Tekla Structures 软件具有将三维模型转化为二维图形的功能，输出详细的二维加工图纸，以便构件生产和安装人员通过二维加工图清楚领会设计意图，准确制造和安装相应构件。

2.5 输出加工图

经过碰撞检查和二次深化设计后的钢结构施工图，可避免在施工过程中因施工图错误造成的重大损失。将各专业检查审核无误的建筑三维信息模型，利用Tekla Structures软件中具有的将建筑三维信息模型转化为二维图形的功能，转化输出为DWG 文件，便于在CAD软件上查看、交流和打印。虽然转化输出的二维加工图与三维信息模型是关联的，但修改建筑三维信息模型后需要重新输出，保证二维施工图与建筑三维信息模型的一致性和准确性［5-6］。

3 模拟施工

3.1 基于BIM平台的施工方案编制

在项目施工方案编制过程中，充分利用建筑信息模型BIM 技术来评估施工组织设计与施工方案中施工现场场地布置、交叉施工、流水作业、施工安全等是否符合相关规范的要求。利用BIM 技术对空间钢管桁架结构特别是钢结构各节点的细节进行推敲、演示，详细分析构件加工制作和现场施工中可能遇到的问题。使用Midas Gen 有限元软件对其进行施工前模拟施工分析（见图4），解决了大悬臂结构的整体卸载可能导致失稳的问题，加快了施工建模速度，确保了施工过程的结构安全。方案编制阶段借助BIM 技术、通过模拟施工、分析对比各项关键数据和经济指标，综合评价各施工解决方案的优缺点，为项目决策机构选择施工安全有保障、经济效益好、施工质量优、施工进度能满足业主需求的项目施工方案提供技术支持。

图4 模拟施工分析技术Fig.4 Simulated Construction Analysis Techniques

3.2 基于BIM技术的模拟施工和技术交底

基于BIM 技术中的三维可视化功能，以BIM 模型的三维虚拟建造为指导模拟项目实施全过程。通过将施工项目BIM 模型与施工进度计划、资金投入相关联，将项目数字空间信息与时间信息、成本信息整合在一个可视的5D（3D+time+Cost）模型中，可以直观精确地反映整个项目的建造过程。基于BIM 的5D 施工模拟技术可以在项目建造过程中合理地进行场地布置、科学制定施工计划、精确掌握施工进度，优化使用施工资源，对整个工程的施工进度、投入、质量、安全进行统一管理和控制，达到以提高质量、控制工期、降低造价、工期合理、保证安全的目标。

利用BIM 三维虚拟建造虚拟施工三维动画进行技术交底，通过虚拟现实，给人以真实感和直接的视觉冲击，配合演示及施工阶段调整实施方案，项目管理人员对工程都有了较为直观的了解，三维技术交底提高了交底的质量，与业主的沟通更加顺畅［7-8］。可视化技术交底解决了传统枯燥的交底单中不愿看、看不懂、记不住，交底流于形式的顽疾，有利于施工人员直观领悟一些复杂施工工艺，让其能真正看到、听到、说到、做到，提高建筑从业人员的整体素质，奠定企业文明施工、安全生产的良好基础。解决了空间钢管桁架结构构件平面二维深化设计图复杂，因对构件加工、制作人员、安装人员技术交底不清，导致构件加工错误无法安装或构件加工精度不够、安装困难、影响工程质量和施工进度的问题。

3.3 基于BIM平台的施工管理

项目管理中心应用BIM 5D 平台与远程视频监控系统相结合实施进度动态管理，实现进度可视化实时监控［9-10］。现场管理人员可以通过网页端或手机端查看实时信息，简易高效，方便管理人员合理制定进度计划、资源投入计划。借助BIM 5D 质量管理系统搭建项目体系化质量管理平台，实现项目施工质量的全方位、实时性、动态化监管，辅助企业质量管理标准有效落地。质检员通过手机端将在工程施工质量巡检过程中所发现的质量问题及时上传到平台，并在BIM 5D 模型中进行标注；其他项目管理人员对实时收到的质量问题进行全过程跟踪，督促相关施工参与方及时整改消除质量隐患，从而保障工程项目高质量交付。

在BIM 虚拟建造虚拟施工中确定现场作业中安全隐患较多的位置或工序，并将其在BIM 模型中进行标注，将存在安全隐患的位置信息录入BIM 5D 安全管理信息系统平台，指导施工过程中的现场安全管理。在实际施工过程中，通过云计算、物联网、大数据等先进技术，和传统的施工现场安全检查将施工现场有安全防护设施损坏、施工作业不规范等安全隐患及时录入BIM 5D 安全管理信息系统平台，并发给相对应的管理部门，责令整改；实现安全管理过程可追溯、结果可分析，不让风险转化成隐患，不让隐患转化成事故［11］。

4 结语

⑴运用BIM 技术建立的钢结构模型不仅在方案论证过程中起到重要作用，而且提高了二次深化设计的准确性，完善了加工图，保证了构件生产的准确性。

⑵在钢结构吊装术交底过程中也能发挥三维模型交底工人的优势，现场管理人员携带移动平板电脑将BIM 模型带到现场，对钢结构构件的吊装情况模拟施工进行快速检查核对，提升工人施工工艺技术的同时，达到了管理升级、效能提升、节约时间成本的目的。

⑶BIM 技术在施工过程及前期的构件制作过程中，在三维模拟、进度管理、质量交底、安全文明施工等方面都发挥了重大作用。

随着BIM 技术在钢结构工程深化设计中的应用，其构件的生产过程中加工质量、生产效率、质量控制、成本压缩、施工安全等方面有着重大的发挥空间。未来BIM数字化技术将更科学更广泛地应用到钢结构工程中，进一步推动我国钢结构行业更好地发展。