BIM技术在钢结构设计与施工中的集成优化策略研究

摘 要：本文通过案例分析，探讨了BIM技术在钢结构设计与施工中的集成应用。BIM可视化设计可优化方案，联动结构计算提高设计效率，多专业协同减少问题；参数化建模提高设计精度，自动提取施工资料缩短周期；BIM数字化指导优化钢结构预制、运输和吊装，监控提升施工安全；BIM实现设计与施工信息共享，不同专业有效协作，对项目全过程实施精细化管理；设计与施工通过BIM模型深化交流、及时反馈、动态更新，可减少变更，确保质量；建立统一信息标准体系，降低传递错误；BIM技术实现钢结构设计优化、施工集成，提高工程质量和管理水平。还应继续推广BIM在钢结构项目中的应用，发挥其辅助设计、过程控制、信息协同的综合优势。

关键词：BIM技术；钢结构设计；钢结构施工；优化设计文章编号：2095-4085（2024）09-0110-03

0 引言

建筑信息模型（BIM）技术作为先进的设计、施工与管理手段，在钢结构工程领域发挥着重要的作用。BIM技术通过建立详细的参数化三维模型，实现了设计的可视化和信息化，有助于进行方案设计、结构计算、专业协同等，显著提高了钢结构设计的效率和精度。同时，BIM模型直接提取的施工资料，加快了施工准备。数字化指导优化了钢结构的预制制作、运输与吊装。BIM监控与质量控制提高了现场施工的安全性与质量水平。BIM实现了设计与施工阶段信息的共享与反馈，不同专业和部门的有效协同， 为钢结构项目提供了全过程的精细化、数字化管理。

1 BIM技术在钢结构设计中的应用

1.1 BIM辅助钢结构设计

BIM技术在钢结构设计中创建了详细的三维数字模型，包括构件、连接关系、规格和材料属性。这提供了直观的结构了解，有助于从设计的多角度查看选项帮助发现和解决问题，其与结构计算软件集成，实现信息共享，避免了重复建模。BIM技术将计算结果直观呈现在模型上，为钢结构设计提供了强大的评估工具。不同专业设计团队可以在共享模型上协作，减少冲突风险，例如，位置关系核验有助于协调。BIM技术综合考虑和优化钢结构设计，为高效实施提供了坚实基础（如图1）。

BIM模型包含构件详细信息，可快速提取构件数量、规格等数据生成量统计表，为成本预算提供依据。直接提取的施工图可避免重复制图，缩短了施工图设计周期。并可减少设计修改，有效控制设计质量和节省设计成本。

1.2 BIM实现钢结构信息化管理

BIM技术在钢结构项目全生命周期中有广泛应用。它不仅建立了详细的三维模型和设计信息的可视化展示，还通过与企业信息化平台的数据共享支持工程计量和进度跟踪等信息化管理。这提供了高效运营所需的支持，并在施工过程中迅速生成数字化施工交底资料。采用RFID等技术进行精确数字化管理，可减少误差，提高工程质量［1］。它为运维阶段提供了有价值的数字化数据资源，将BIM模型转化为运维平台数据库，继续发挥信息平台的作用。利用BIM和移动互联网技术，可以实现智慧工地，通过实时数据监测和分析提前识别潜在问题，自动化协调工序，优化资源利用，有效控制项目质量、进度和成本。

1.3 BIM提高钢结构设计精度

在一座总高度达150.5m的超高层混合结构项目中，采用BIM技术显著提高了钢结构设计精度。项目包括地上34层和地下3层，具有复杂的结构设计。地下部分采用钢筋混凝土框架核心筒-外框筒结构，而地上部分采用中心核心筒与外围钢腰臂悬挑体系。总计约35 000t的钢结构用钢量。设计团队利用Tekla结构软件创建了详尽的三维钢结构BIM模型，准确表征了几何形状、接头详情和构件规格等信息。这一应用带来了以下主要效益。

（1）节点精度控制在±5mm以内，简化了节点衔接，减少了返工。

（2）自动生成钢材切割图纸，减少了60%的人工作业，切割误差控制在±1mm以内。

（3）直接提取工艺文件，减少了70%的制定工作。

（4）钢构件预制装配精度达到了±2mm。通过BIM的应用，该项目实现了全过程的精细化管理，显著提高了设计与施工精度，降低了制作安装难度，确保了钢结构工程的高质量完成［2］。

2 BIM技术在钢结构施工中的应用

2.1 BIM实现钢结构数字化施工

在高层商业综合体项目中，施工单位采用BIM技术进行数字化和信息化管理。他们建立了BIM云平台，将工程数据和图纸数字化，实现了实时共享。通过BIM模型直接提取2D施工设计图，减少了60%的制图工作。采用QR码等技术对钢构件进行标识和信息化管理，包括编号、规格、来源等。通过BIM模型进行4D模拟施工，优化了施工流程，减少了10%的工期。并使用了手机App进行钢筋绑扎质检、焊缝检测等过程的质量控制和信息反馈。借助BIM数字化监管系统，实时监控钢结构施工，可确保安全生产［3］。施工完成后，将BIM模型转化为项目数据管理平台，实现了后期运维的数字化管理。这些数字化举措使项目实现了智慧和信息化的钢结构施工管理，确保了工程质量和安全。

2.2 BIM提高钢结构施工精准度

在一项涉及曲率复杂的大跨度空间钢结构项目中，采用BIM技术显著提升了施工精准度。主要钢结构采用圆弧转角双层网格体系，长轴跨度达220m，使用约10 000t钢材。通过Tekla结构软件创建的详尽BIM模型实现了复杂曲面的数字化表达，产生以下效果。

（1）通过提取BIM模型生成的装配图，确保了节点衔接尺寸精度控制在±5mm以内。

（2）利用BIM模型导入的光体扫描技术，实现了主体结构场内装配的控制精度达±2mm。

（3）基于BIM的装配过程监控，提高了装配效率，整体装配速度提升40%。

（4）借助BIM数字化指导，优化了钢结构吊装和场内安装，装配效率提高了30%，减少返工量超过50%。

（5）实现了钢结构的信息化养护管理，提升了养护质量。通过BIM技术应用，该项目成功达到了设计要求的钢结构装配精准度，确保了施工项目的高质量完成。

2.3 BIM优化钢结构施工组织设计

BIM技术在宿迁市激光智造小镇孵化器项目的钢结构施工组织设计中发挥了关键作用。采用4D BIM模型，模拟施工环境，评估布置方案，优化总体施工策略。通过模拟关键工序，实现最佳施工流程的精准规划，从而提升整体方案效率。BIM模型提供构件信息，帮助合理分批生产结构构件，确定最佳施工供应顺序。碰撞检测能提前发现问题，优化运输和吊装方案。通过施工仿真评估吊装方案效率，选择最佳设备和机械。经过技术与经济比较，最终确定了总体施工和机械选型方案［4］。BIM技术显著提高了钢结构施工组织设计质量，能确保施工方案可行性，推动项目顺利进行。

3 利用BIM技术实施集成化优化策略

3.1 设计与施工数据交互实现信息共享

利用BIM技术实施了集成化优化策略，特别是在设计与施工数据交互实现信息共享方面，采取了多项关键措施。设计单位采用BIM软件创建了包含详细参数信息的钢结构三维模型，并通过标准化的信息交换格式如COBie，将这些模型数据整合成信息化交付表单。施工单位导入设计BIM模型数据，并进行链接，添加了与施工相关的参数，从而形成了工程施工BIM模型。双方利用BIM模型实现了深化设计结果的即时交流反馈，可确保模型动态同步更新（如图2）。

施工单位可以直接从模型中提取所需的施工资料，包括施工设计图纸、材料清单和构件信息等。还建立了基于BIM的通讯平台，实现了设计和施工阶段的信息共享，以及及时反馈和优化设计方案。施工单位利用BIM技术对施工进行监控，并将数据反馈给设计单位，以完成模型闭环更新。这一系列措施有效协同了设计与施工的不同阶段，显著减少了设计变更，从而提高了工程质量。

3.2 建立统一的信息标准化体系

设计单位采用BIM软件创建了包含详细参数信息的钢结构三维模型，并通过标准化的信息交换格式如COBie，将这些模型数据整合成信息化交付表单。接着，施工单位导入设计BIM模型数据，并进行链接，添加了与施工相关的参数，从而形成了工程施工BIM模型。这种无缝的数据交互确保了设计和施工之间的协同工作。设计人员和施工团队之间通过BIM模型实现了深化设计结果的即时交流反馈，可确保模型动态同步更新［5］。这种实时协作有助于迅速发现和解决潜在的设计问题，从而显著减少了设计变更，提高了工程质量（如图3）。

施工单位直接从BIM模型中提取所需施工资料，包括设计图、材料清单和构件信息，可节省时间、减少重复工作，进而提高效率。同时，建立基于BIM的通讯平台，能促进设计与施工信息共享，及时解决问题、优化设计。施工单位使用BIM监控施工过程，并反馈数据给设计单位，实现了模型闭环更新。这一系列措施降低了项目的不确定性，确保了工程质量。建议建立统一信息标准，确保各方遵循相同数据标准，以减少信息传递混乱与错误，提高项目管理的一致性和效率。

3.3 加强多方协同，实施全过程管理

通过BIM技术建立信息共享平台，促进了设计和施工单位之间的密切合作。这使得即时反馈和动态同步更新成为可能，有助于迅速解决设计问题，减少设计变更，提高工程质量。同时，采用基于BIM的通讯平台，可以促进信息共享、问题解决和设计方案的优化，从而提高项目管理效率。通过统一信息标准，可确保数据的一致性，减少信息传递混乱和错误，提高项目管理的一致性和效率。在施工阶段，利用BIM技术进行数字化监控，实现模型闭环更新，可以有效控制工程质量和进度。借助手机App等工具进行质量控制和信息反馈，能确保施工高质量完成，实现智慧工地，提升管理水平和生产效率。

4 结语

BIM技术是钢结构项目优化设计与施工的关键。可视化设计、高效协同和多维模型提高了设计与施工质量，实时监控和数据交互增强了施工安全和管理效率。其诸多优势使其成为实现设计优化与施工集成的关键技术，值得广泛推广。

参考文献：

［1］潘存瑞，吴星蓉，周磊，等.BIM技术在装配式钢结构建筑设计及施工中的应用［J］.中国建设信息化，2023（5）：62-65.

［2］许亚君.BIM技术在多层装配式钢结构住宅建筑设计与施工中的应用［J］.居舍，2020（33）：27-28.

［3］周峥，邓朗妮，廖羚，等.BIM技术在钢结构深化设计与施工中应用热点的知识图谱构建方法研究［J］.土木建筑工程信息技术，2020，12（3）：16-21.

［4］吴水根，王玲玲，韩晓丹.BIM技术在多层装配式钢结构住宅建筑设计与施工中的应用［J］.建筑施工，2019，41（4）：691-693.

［5］韩建.BIM技术在超高层大型综合体钢结构设计与施工中的应用［J］.住宅与房地产，2019（4）：174.