浅谈BIM 技术在钢结构工程中的应用

刘文旭

（中铁二十一局集团路桥工程有限公司，陕西 西安 710065）

0 引言

随着信息技术的快速发展和建筑行业的不断进步，BIM 技术已逐渐成为现代钢结构施工过程中的重要工具。BIM 允许多专业团队在同一模型上同时工作。对于钢结构设计而言，结构工程师、建筑师、机电工程师等利用BIM 技术能够实时共享和更新信息，自动生成钢结构的施工图；如平面图、立面图、剖面图和节点详图等，将其与设计模型关联，如果设计发生变更，相应的施工图会自动更新，从而节省时间并减少人为原因导致的错误。还可将时间元素整合进三维模型中进行4D 建模，通过仿真施工过程来优化施工顺序和时间表，有助于规划吊装顺序、物流管理以及现场管理。因此，在钢结构工程施工中应用BIM 技术具有很强的指导价值和现实意义。

1 传统钢结构施工中存在的问题

1.1 设计图纸与现场矛盾多

施工前期设计只能通过二维图纸表现，缺乏图纸与其他相关专业之间的有效衔接，导致项目各阶段之间的衔接出现差错，特别是钢结构与其他主体结构和安装工程的协调问题。此外，在前期设计中，由于综合规划不够周全，经常发生钢结构元素与建筑的其他结构或设备安装存在空间碰撞，此类冲突可能是因为在设计时忽略了某些专业之间的交叉影响，或者是各专业间沟通不充分导致相互协调配合不畅。上述问题如果不能够在早期发现并解决，将会增加后续变更，难以控制施工成本。同时，前期规划设计文件中细节较少，会使得现场作业中需要进行临时规划，而临时决策通常基于经验而非详尽的设计依据，这便增加了后续设计变更的风险，甚至产生返工现象。除此之外，设计变更或返工不仅仅增加了额外的劳务和材料成本，同时也打乱了原有的施工计划。从时间安排上看，返工会延长竣工结算时间，影响施工计划，从而降低企业市场竞争力。在质量控制方面，频繁变更会导致建筑和原设计标准差异过大，而偏离设计标准极易导致关键参数的有效性下降，例如，节点受力、强度无法适应变更后的建筑结构等，从而影响产品的质量[1]。

1.2 预制件质量控制不足

传统的钢结构设计流程往往缺乏灵活性，导致无法根据施工现场的实际条件对设计方案进行有效调整。设计师可能无法完全理解或预料到施工过程中会遇到的问题，从而造成设计在施工阶段难以实施，影响预制件的生产与安装质量。其次，传统方法中，构件不能被有效地分解为零件级别，在生产和组装过程中造成诸多不便。这种粗放的模块化水平无法满足复杂结构和紧密配合部位的精细化要求，导致在实际施工中需要频繁进行现场调整和修改，给质量控制带来极大挑战。

1.3 构件接口、安装位置协调较差

在传统施工流程中，设计阶段往往没有给出清晰和完整的构件配合细节，使得节点接口处可能存在尺寸上的偏差或不匹配。这种设计上的缺陷在施工现场通常都难以处理，尤其是在大型或复杂结构中，接口不匹配会直接影响到整个项目的进度、质量和安全。其次，现场安装位置的协调也同样困难重重。施工图纸和实际情况之间经常存在差异，加上现场条件可能与预期不符（如地形、已有建筑物等），导致实际的安装位置需要调整。在没有有效的协调机制和准备不足的情况下，现场调整往往是临时性的，不仅增加了工作量，同时也造成了施工质量的不可控性。

因为预先规划不周，构件的运输与存放也成为问题。如果构件在到达施工现场前未能得到适当的标记和排序，将会造成现场人员在确认每个构件的确切安装位置时发生混乱和延误。同时，还增加了构件损坏的风险，进一步影响施工效率和质量控制。最后，时间紧迫和成本限制往往迫使在没有完全解决接口和位置协调问题的情况下开始施工，从而造成项目后续阶段整改和返工的压力。这一系列问题将会大大增加工程风险，可能导致结构安全性问题，影响了整个项目的交付使用计划和经济预算[2]。

1.4 现场管理数字化程度较低

在传统钢结构施工中，现场数据采集和更新通常依赖于人工记录和传递，缺乏高效的数字化手段。例如，施工进度、质量检测、材料消耗等数据往往需要手动记录，并通过纸质或电子表格的方式进行传递。这种方式往往会存在信息滞后和笔误的问题，导致无法实时获取项目的最新状态和准确数据。此外，由于施工现场监测和控制手段相对落后，质量检测仍依赖于人工抽样和实地测试，缺乏自动化和远程监测手段，时效性不强。

2 钢结构施工中BIM 技术的应用策略

2.1 利用BIM 技术进行施工规划

通过BIM 模型进行施工前的全面规划，确保施工过程中的每个步骤都经过精确地计划和协调。BIM 模型能够详尽地反映每个装配构件的尺寸、位置以及与其他构件之间的关系，使得钢构件组装能够以最小的误差精确对应到现实中的构件，图1 为单层钢结构模型。另外，施工管理人员利用BIM 技术能够较精准的安排和模拟各构件的吊装过程，从而优化吊装顺序，避免现场资源的协调冲突。例如，BIM 模型能够指导起重设备的规划布置，预测和解决其中可能发生的路径冲突，从而使得每个构件的安装都得以在安全和高效的环境中进行。

图1 单层钢结构模型

管理团队还可通过BIM 模型确保材料的及时到货和正确存储计划，利用三维模型模拟，精确规划材料的存放位置、到货时间和使用顺序，减少现场混乱并提升材料使用效率。此外，BIM 模型还可用来规划临时设施、施工现场的出入路径以及安全撤离路线，确保施工过程中所有的临时设施既能够满足施工需求，又不干扰正常的施工活动[3]。

2.2 预制构件追踪与质量控制

BIM 技术与预制构件的追踪及质量控制紧密结合，核心目标是确保每个构件从生产到安装过程中的品质以及时空位置信息的准确性和可追溯性。首先，钢构件在预制加工阶段即开始应用BIM 技术进行详细记录，可精确地获得BIM 软件生成的每一部件的数据信息资料，包含材料属性、几何尺寸、设计规范等关键信息。这些信息被编码至二维码或RFID 标签中，并随附在相应的构件上。其次，在构件加工中，加工人员可通过扫描这些二维码或RFID 标签，自动将实时数据回传至中央数据库，以供工程管理人员检查。此举不仅能够实现实时监控，还能够将每一步质量控制数据与BIM模型中的预期标准进行比对。如果发现偏差，可以立刻启动纠偏流程，确保每一个出厂的钢构件都符合设计要求。此外，BIM 技术与物联网（IoT）设备协同作用，可建立钢结构建筑施工的系统管理平台，将施工、运输、安装一体化管理，可提升现场施工的准确性。构件在出厂时被赋予一个唯一的ID，配合GPS 定位设备，构件在运输到施工现场的路途中的每一个位置变化都可以实时监控，到达现场后施工管理人员可通过扫描构件上的标识立即与BIM 模型同步，检查是否为正确的构件和是否完好无损。通过BIM 模型辅助的AR 技术，施工人员可以直观地看到每一个构件在整体结构中的确切位置，这样可以大幅减少安装错误的发生概率。最后，施工团队可通过扫描构件ID 确认安装位置，并使用移动设备记录安装状态和时间，更新至项目的BIM管理系统中。在整个安装过程中，任何与设计模型不符的情况都会被系统记录并提示施工团队进行调整[4]。

2.3 节点接口的精密协调

BIM 模型在设计阶段就确保了每个钢结构组件的接口设计满足精确配合的要求。通过三维模拟，设计团队可对接口详图进行精细化建模，包括螺栓孔的位置、焊接接缝的详细信息以及其他连接配件的精确尺寸，这些都在BIM 模型中得到了详尽的体现。此外，BIM 模型还能够提供一个可视化平台，用于模拟装配过程。施工团队通过使用BIM 模型演示预制构件的吊装和装配过程，有助于提前识别和解决可能产生的空间位置冲突，确保现场实际安装时，每个构件均能够精确精准对位[5]。

在吊装准备阶段，可通过BIM 模型精确地分析并选择最有效的起吊方案。由于BIM 模型提供了各种构件的详细信息，如重量、尺寸和吊点位置，项目管理团队可以据此选择恰当的吊装设备，并规划无碰撞的吊装路径，确保整个吊装过程既高效又安全，图2 为吊装模拟。施工前运用BIM 技术来优化现场物流，通过模拟施工的各个阶段，管理团队能够针对材料和设备的运输、存放制定出周密的计划，确保吊装作业时所需资源的有序流动，避免现场堵塞和混乱。在吊装过程中，依靠BIM 技术实现实时监控指挥，采用AR 设备和移动端应用程序，施工人员能够获得构件在三维空间中正确位置的直观表示，辅助他们将构件精确地放置到设计位置。通过集成传感器和摄像头等远程监测系统与BIM 模型，实时收集关于吊装过程的数据，如设备状态和构件位置，并将其同步至BIM 系统中。同时，在收集相关数据后可用于确保操作的安全性和保证符合预定的品质标准。最后，一旦现场监测到构件的装配偏差，BIM 模型可用于分析原因并提供调整方案，及时修正问题以保持接口的精密配合，这种闭环反馈机制确保装配式接口的精密协调得以在整个施工过程中持续维持[5]。

图2 吊装模拟

2.4 数字化现场管理

数字化现场管理可使用BIM 技术建立全面的三维信息模型，为现场管理提供了实时更新的数字化平台。该模型整合施工图纸、材料清单、施工计划和进度等关键信息，为现场管理提供资料保障。项目管理团队可通过这个平台进行日常的管理工作，如进度跟踪、资源分配和协调沟通。

管理人员可基于BIM 模型在现场安装各种传感器和扫描设备，如RFID 标签读取器和三维激光扫描仪，建立实时数据捕捉系统。这种实时数据反馈机制使得项目管理团队可以迅速响应现场的变化，适时调整施工计划和资源配置，确保施工进度与计划同步。

利用移动智能终端技术与BIM 模型相结合，提高信息传递的速度和准确性。施工团队可通过平板电脑和智能手机等移动设备，随时访问BIM 模型中的信息，如设计细节、材料规格和安装指南。这种移动接入解决了查看技术文件场所和时间的局限性，减少了纸质图纸和文件的使用，大幅提升了工作效率，并降低了因信息滞后或传递不准确导致的错误。

安全管理方面，在钢结构施工中，通过BIM 技术创建相关模型，可以清晰地展示出施工过程中的关键环节和注意事项，对安全风险进行前期分析评价，并提前规划安全措施，实时开展事中安全控制应用辅助、实现安全进度事后评价应用，有效避免因理解不到位而引起的安全事故。

质量管理方面，可通过实施数字化检查清单和质量审核流程，增强信息追踪和责任制，确保每一步施工都是按照既定流程和标准执行，减少人为错误。应用数据分析工具可以对收集的质量数据进行深入分析，识别质量趋势和潜在风险，从而提前采取预防措施，持续改进工程质量。

进度管理方面，BIM 技术可以对施工计划进行模拟，将施工计划与模型相结合，实现施工进度的可视化管理。项目管理人员可以通过BIM 技术实时监控施工进度，及时发现延误情况，迅速进行调整，避免工期延误和造成的经济损失。

成本管理方面，BIM 技术可以更好地支持钢结构的深化设计和加工，降低成本风险。通过BIM 技术可以更精确地计算材料用量，提高材料利用率，从而节约成本。同时，BIM 技术还可以帮助管理人员对项目成本进行实时监控，及时发现成本超支问题并采取措施加以解决。

3 结语

综上所述，BIM 技术在钢结构施工过程中的应用正逐渐展现出其巨大潜力和价值。通过数字化建筑信息模型的创建和管理，BIM 技术可以促进设计、采购加工和施工各个阶段的协同工作，提高项目的效率和质量，并降低成本和风险。然而，要充分发挥BIM 技术的优势，还需要解决一系列挑战和限制，例如，加强数据准确性和完整性的控制，提高现场人员的技术知识和实际操作能力，推动BIM 技术与传统施工方法的有效融合等。未来的研究和实践应该注重这些问题，并致力于寻找创新的解决方案，以推动钢结构施工行业向数字化转型迈进，实现更加高效、安全和可持续的建筑工程。