基于BIM視角的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

【摘要】鋼結(jié)構(gòu)由于質(zhì)輕、強(qiáng)度高，被廣泛應(yīng)用于高層、大跨度、異形建筑工程中。工程實(shí)踐中，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然存在很多問題，包括：設(shè)計(jì)方各自為政，銜接處理不當(dāng)；構(gòu)配件設(shè)計(jì)碰撞、施工碰撞；施工中由于吊裝、拼接產(chǎn)生的偏差以及施工成本概預(yù)算偏差較大等等。文章從以上四個(gè)方面入手，基于 BIM 技術(shù)視角，提出了相應(yīng)的解決方案。

【關(guān)鍵詞】建筑工程；BIM技術(shù)；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化要點(diǎn)

1、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：將設(shè)計(jì)規(guī)劃、設(shè)計(jì)藍(lán)圖變成實(shí)體，和鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的整個(gè)演變過程。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面反映出建筑物的整體質(zhì)量，進(jìn)而影響建筑業(yè)的發(fā)展，另一方面，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還影響了現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)的發(fā)展。從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度分析的話，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既對(duì)幾何設(shè)計(jì)提出了比較高的要求，還對(duì)具體的施工技術(shù)提出了專業(yè)的要求，因此，要求鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員具有高水平的專業(yè)技能、工作經(jīng)驗(yàn)和綜合素養(yǎng)。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度比較大，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合建筑項(xiàng)目的施工性質(zhì)與工程圖紙，準(zhǔn)確把握鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，在腦海中形成清晰的立體結(jié)構(gòu)，并通過設(shè)計(jì)圖展現(xiàn)出來，保證鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師必須嚴(yán)格遵守相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范與原則，充分掌握構(gòu)造、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)等方面的要求，在滿足國家的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)前提下，合理設(shè)計(jì)。同時(shí)，還要結(jié)合建筑工程的施工訴求，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，保證建筑項(xiàng)目施工的順利進(jìn)行，以提高建筑企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2、鋼結(jié)構(gòu)存在的問題

2.1鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)問題

大量的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，造成建筑項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)安全事故的主要原因是鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)問題。首先，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)包括：局部失穩(wěn)，以及由局部失穩(wěn)造成的間接整體失穩(wěn)。

當(dāng)受彎部位發(fā)生失穩(wěn)，并且尺寸大小超過承受范圍時(shí)，嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)建筑工程的質(zhì)量。如果設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，沒有對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的支撐作用予以充分考慮，也將導(dǎo)致失穩(wěn)問題的產(chǎn)生；如果鋼結(jié)構(gòu)的吊裝位置不當(dāng)，會(huì)使網(wǎng)架、析架的桿件受力發(fā)生巨大變化，也會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)問題。

導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生的失穩(wěn)因素很多，設(shè)計(jì)人員、施工人員要對(duì)此重視，做好對(duì)應(yīng)的防范措施，保障建筑工程的施工質(zhì)量。

2.2鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題

鋼材料的耐腐蝕性較差，尤其是在濕度大、有侵蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)更加快速地生銹腐蝕，造成鋼材腐蝕情況的出現(xiàn)，削弱構(gòu)件的承載能力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。通過對(duì)木屋架、鋼木屋架、鋼筋混凝土屋架與鋼屋架造成安全事故的統(tǒng)計(jì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鋼屋架出現(xiàn)安全事故的占比達(dá)40%，而這主要是由于鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題造成的。

2.3鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)問題

鋼材的耐高溫性較差，性能隨著溫度的變化而發(fā)生變化，在溫度達(dá)到430到540攝氏度區(qū)間時(shí)，鋼材的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量均迅速下降，承載的能力也就消失了。建筑物的構(gòu)件耐火性能不好，發(fā)生火災(zāi)時(shí)承載能力就無法延續(xù)，會(huì)給安全疏散、物資搶救以及撲滅火災(zāi)等消防活動(dòng)造成阻礙。

3、基于BIM視角的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單體銜接處理

在Tekla Structures中輸入建筑施工平面相關(guān)設(shè)計(jì)信息，三維建模，解決二維模型不可視化的錯(cuò)誤判斷；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，輸入結(jié)構(gòu)類型，在BIM軟件中模擬建筑受力，判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理；輸入給、排水以及電氣設(shè)施，同時(shí)進(jìn)行綠色建筑評(píng)定，并利用BIM軟件對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。BIM設(shè)計(jì)中，要保證所有設(shè)計(jì)參數(shù)值在一個(gè)界面上運(yùn)行，形成不同設(shè)計(jì)單體成果，保證結(jié)構(gòu)的合理化。在一個(gè)模塊里面進(jìn)行更改，減少了各個(gè)部門之間的摩擦，同時(shí)還能節(jié)省時(shí)間，提高效率。

3.2鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)配件碰撞處理

BIM可通過仿真技術(shù)，模擬建筑結(jié)構(gòu)真實(shí)信息，形成三維立體構(gòu)成圖。結(jié)構(gòu)配件包括：柱、梁、析架、IT條、屋蓋、樓梯等；給排水構(gòu)配件包括：給排水管道、蓄水池、上、下水管道等；電氣構(gòu)配件包括：插座、線路、配電箱等，上述構(gòu)配件可以通過navisworks軟件進(jìn)行碰撞檢查，最大程度上減少構(gòu)配件在施工中的設(shè)計(jì)變更。同時(shí)，BIM還能夠處理不同施工工種之間的碰撞：例如，某構(gòu)件先行施工，但是占用空間比較大，致使后續(xù)構(gòu)件的施工平面被占據(jù)、返工；利用BIM，通過VR技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行虛擬仿真，預(yù)留必要的入孔，避免施工碰撞。

3.3鋼結(jié)構(gòu)施工過程中偏差處理

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工中，嚴(yán)格的把控現(xiàn)場(chǎng)，定期的將現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)輸入BIM平臺(tái)中，評(píng)定施工質(zhì)量，并根據(jù)BIM平臺(tái)反饋的真實(shí)信息，更改鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行質(zhì)量返修。

BIM平臺(tái)可以從源頭實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)提取鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)配件的出廠信息，通過三維建模和VR技術(shù)，形成可識(shí)圖的視覺效果，模擬真實(shí)的拼接狀況，并將形成的誤差反饋到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)人員根據(jù)得到的信息，進(jìn)行偏心計(jì)算，驗(yàn)算設(shè)計(jì)方案是否能夠滿足預(yù)期的質(zhì)量要求。徐州奧體中心采用BIM技術(shù)，進(jìn)行關(guān)鍵構(gòu)配件的施工安裝（例如奧體中心使用的縮夾、施工焊縫），并通過VR技術(shù)模擬現(xiàn)場(chǎng)安裝動(dòng)畫，指導(dǎo)施工。

3.4鋼結(jié)構(gòu)成本概預(yù)算分析

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)概預(yù)算是指，通過廣聯(lián)達(dá)等軟件進(jìn)行工程量清單的計(jì)量、計(jì)價(jià)，但是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)較為程序化，沒有考慮到市場(chǎng)的變化。而BIM技術(shù)采用SD建模，考慮到時(shí)間因素對(duì)工程的影響。例如，市場(chǎng)上工程材料的價(jià)格變化、施工技術(shù)高低，將影響現(xiàn)場(chǎng)的施工工序，最終影響建筑工程的質(zhì)量。

BIM技術(shù)可以精確地預(yù)估工程成本，采用現(xiàn)場(chǎng)模擬技術(shù)，選用合理且經(jīng)濟(jì)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)配件設(shè)計(jì)，減少工程成本。以徐州市奧體中心為例，該工程構(gòu)件采用了箱型彎扭構(gòu)件、變截面圓錐管以及大直徑彎弧管等，利用BIM技術(shù)輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，模擬施工環(huán)境，驗(yàn)算精確到各個(gè)節(jié)點(diǎn)和各個(gè)受力點(diǎn)，然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。該種設(shè)計(jì)策略，一方面滿足了外形的設(shè)計(jì)要求，另一方面減少了返修的風(fēng)險(xiǎn)，降低了工程的造價(jià)成本，同時(shí)關(guān)注市場(chǎng)材料的價(jià)格變化，綜合考慮各種影響建筑施工的因素，提高建筑概預(yù)算精準(zhǔn)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂清海.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性與策略探討[J].江西建材，2017（17）.

作者簡(jiǎn)介：

孟順意，大連都市發(fā)展設(shè)計(jì)有限公司。