BIM 技术在钢结构装配式建筑施工现场的运用

马江龙

（中国华西企业有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

与传统的现场施工模式相比， 钢结构装配式建筑可以大大缩短工期； 钢结构自身的高强度和良好的延展性使得建筑具有更好的抗震性和耐久性，尤其适合于地震活跃地区的建设；这种建筑方式对环境的影响也相对较小，实现了绿色、环保施工[1]。 但是，这也对钢结构装配式建筑施工过程中的精确控制、 部件的协调和质量管理也提出新的挑战[2]。 在这样的背景下，BIM 技术的应用成为了解决这些问题的关键手段， 它为钢结构装配式建筑的设计、施工和管理提供全新的思路和工具。

1 工程概况

Z-Tower，位于城市的核心商务区，总高度达260 m，包括地下3 层和地上58 层。 总建筑面积为120 000 m2，其中商业办公空间占据了90 000 m2，余下的30 000 m2则是为住宅及休闲设施所占用。该建筑特色为其外部创新的钢结构框架， 用于对抗地区常见的强风。预计的总工程预算为8 亿人民币，其中钢结构部分的投资达到了2 亿人民币。 按照原定的施工计划， 工程预计总施工周期为36 个月，其中钢结构装配阶段占据了其中的14 个月。

2 BIM 技术在钢结构装配式建筑施工现场的有效运用

2.1 预施工阶段

2.1.1 三维建模与模拟

工程团队对整座大楼进行三维建模，确保每个细节都得到充分展现。在模型中，每一层的面积、高度和结构布局都得到了详细展现。 利用BIM 技术，工程团队模拟了钢结构重达5 000 t 的整体承重情况。 在三维模型中，Z-Tower 的外部框架被划分为320 个模块，每个模块都经过模拟以确保其与相邻模块的完美对接。 为确保施工准确性，模型中还模拟了大楼在8 级地震力下的稳定性，确保结构的抗震能力。 此外，模型还预测了施工期间每个模块的安装时间，每块钢结构平均需要3.5 h 来确保其位置和固定。 通过BIM 的三维建模与模拟，为整个项目的施工提供了明确、可靠的指导。

2.1.2 钢结构部件的详细设计与优化

在Z-Tower 工程中， 大楼由320 个模块组成，涉及钢材约5 000 t。在BIM 环境下，每个模块都被细致刻画，包括其尺寸、形状和接口位置。 例如，一种特定模块的平均长度为12.5 m，宽度为4 m。 在优化设计时，BIM 技术帮助设计团队发现原计划中某些钢结构部件的厚度可以由原先的10 cm 减少到8 cm，而不影响其强度和稳定性，从而节省了大约200 t 的钢材。 此外，模型中还标明了每个部件的焊接点和螺栓孔， 为确保施工效率，BIM 技术还模拟了部件在吊装时的平衡和稳定性，为现场工作提供了精确的参考。

2.1.3 施工路径与工程量的精确计算

利用BIM 技术， 能够对整个施工过程进行详细的模拟，从而确保施工的流畅性和安全性。 对于Z-Tower 这样的大型项目，其涉及的钢材约5 000 t，构建了320 个模块。BIM 技术在此阶段首先建立了一个完整的三维模型，对所有模块的摆放和连接进行模拟。这不仅明确了每个模块的准确位置和安装顺序， 还能够预测潜在的施工难题。 通过BIM 模型，计算出了每个阶段的施工路径，如前50 个模块需要10 d 完成，平均每天完成5 个。 同样，工程量的计算也变得更为精确。 例如，通过模型可以清晰地看到第一阶段需要用到的钢材为1 500 t， 焊接工作约涉及3 000 个焊点。这些精确的数据为整个施工过程提供了清晰、具体的指引，以确保施工的效率和质量。

2.2 施工过程中

2.2.1 实时监控与进度更新

在Z-Tower 钢结构装配式建筑的施工现场，BIM 技术被广泛应用于实时监控与进度更新。利用其三维模型，每当一个模块完成安装，施工团队即时在BIM 系统中标注， 使得项目经理能够直观地了解当前施工进度。 以第一阶段为例，按计划需要10 d 完成50 个模块的安装。通过BIM，经过5 d 施工后，成功安装了28 个模块，略超出预期的一半。并且，模型中详细显示出了每个模块的具体位置和连接状态，如图1 所示。当中的焊接工作，每完成一个焊点，都在BIM 中做了详细记录。 到第五天结束时，已经完成了1 500 个焊点的工作，占预计总焊点的50%。 此外，通过BIM 技术的实时监控功能，任何施工偏差都会被即时捕捉，如某模块的位置偏移了3 cm，立即得到修正的建议。

图1 焊接工艺实时监控

2.2.2 钢结构部件的跟踪与管理

确保每个部件的精确安装与即时反馈，每个钢结构部件在生产时都被赋予了一个唯一的ID 标签。 当这些部件到达施工现场时，通过BIM 系统扫描ID， 实时地记录其在施工现场的存放位置和状态。 以总共需要2 500 个钢结构部件为例，第一个月，接收并录入了1 200 个部件。 每当部件从存储区移动到安装位置，BIM 系统都能够实时更新其状态和位置。 在部件安装的过程中，例如在第二阶段中，施工团队每完成一个部件的安装，便在BIM 中进行标注，清晰地反映出已安装和未安装部件的数量。 至第二阶段结束， 通过BIM 的管理， 确保了1 175 个部件已完工， 而另外25 个部件因技术问题暂缓安装。

2.2.3 与其他专业的协同工作

考虑到建筑内涉及的电气、暖通、给排水等多个专业，确保它们与钢结构部分的无缝对接显得尤为关键。 在施工准备阶段，团队导入了电气专业提供的模型数据， 与原有的钢结构BIM 模型进行了叠加。例如，在楼层平面中，钢结构柱位置与电缆桥架路径有13 个交叉点，通过BIM 模型的精准叠加和模拟，优化了其中的7 个交叉点，避免了现场的实际冲突。同样，在进行暖通风道布置时，BIM 模型显示，原设计中有8 处风道与梁板之间的垂直距离小于规定值。 施工团队及时与设计团队沟通，对这8 处进行了局部调整。

2.3 施工后期

2.3.1 质量控制与审查

在Z-Tower 钢结构装配式建筑施工项目中，施工后期的质量控制与审查得益于BIM 技术的深度应用。 首先，所有的钢结构组件在出厂前都进行了BIM 模型的对照检查。以第7 层为例，共有38 块钢结构部件，通过BIM 检查，提前发现并纠正了其中的2 块部件尺寸偏差问题。 施工现场，在每个关键节点，例如焊缝、螺栓连接处，工程师使用移动设备对照BIM 模型实施实时检查。 在整个项目中，这种实时检查机制共发现并及时处理了37 处与模型不符的情况。最后，在项目完工审查阶段，BIM 模型与实际施工完成的钢结构进行了全面对比。 例如，在楼体南侧，通过模型对比检查，确保了所有的接缝和连接部位与预设计划完全一致，确保了项目的质量标准得到满足。

2.3.2 修改与调整建议的实施

在Z-Tower 钢结构装配式建筑项目中，在工程接近尾声时，针对第12~15 层的连廊结构，BIM 模型显示了一个潜在的结构冲突， 其中涉及到了15根横梁和7 根立柱。 通过模型模拟，工程师提出了重新配置某些部件的方案。例如，对第13 层的4 根横梁进行了重新设计，使其尺寸从原来的6.5 m 调整为6.2 m。 同样地，第14 层的两根立柱位置也做了轻微的移动，确保与横梁的连接更为稳固。

2.3.3 项目文档的整理与存档

Z-Tower 项目在施工后期，针对此项目，共产生了超过2 500 份工程图纸和文件，其中包括结构图、机电图以及安装指导等。 为确保文件的系统化管理，BIM 模型被设定为文档管理的中心平台。 通过模型，每一份文件都与其对应的建筑部件或系统进行了关联， 从而为查询和检索提供了极大的便利。 例如，第8 层的某个梁的施工图，只需在BIM模型中选中该梁，相关的工程图纸、材料清单以及安装记录等即刻呈现。 在项目完工后， 所有与ZTower 相关的BIM 数据，总计达到1.2 TB，被整理归档并存储在了专用的服务器上，确保未来对项目的任何回溯或查询都可以迅速而精准地进行。

2.4 BIM 技术应用效益

在Z-Tower 钢结构装配式建筑工程中， 通过BIM 技术的应用，显著提高了钢结构设计图纸的质量。 这不仅减少了由于设计错误导致的变更和修订，而且显著提高了部件的安装速度与精度。 传统的深化设计方式：针对本工程，深化设计阶段需要部署10 个工程师，历经50 个工作日完成，考虑到每位工程师每天的成本为500 元， 总投入达到了25 万元；而采用BIM 技术：在深化设计阶段，只需5 个工程师，并在30 个工作日内完成，每位工程师每日成本同样为500 元，但总成本仅为6.25 万元。如表1 所示。

表1 BIM 技术与传统方式的对比

Z-Tower 作为某省首个采用装配式钢结构的高层公建项目， 其利用BIM 技术对车间进行工业化生产的指导， 以及对施工过程中的精细化管理，都表明了装配式建筑与BIM 技术之间的完美结合。这种先进的技术和方法将为装配式建筑与BIM技术的未来发展起到积极的推动作用，其深远的社会影响不容忽视。

3 结语

BIM 技术在钢结构装配式建筑施工中发挥了巨大作用。 从设计的初步规划，到施工现场的实时反馈， 再到工程的后期管理，BIM 为整个项目的流畅进行提供了有力的技术支持，不仅提高了施工的精度和效率， 还有效降低了因误差导致的成本浪费。未来，随着数字技术和建筑行业的进一步融合，BIM 技术会在钢结构装配式建筑施工领域中得到更为广泛的应用。