BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用

劉 棟

中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司（472000）

0 前言

隨著建筑市場(chǎng)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，傳統(tǒng)粗放式的發(fā)展模式在資源利用、機(jī)械化程度、安全性能、環(huán)境保護(hù)等方面的弊端日益凸顯。為改變這些弊端，國(guó)家開(kāi)始大力推廣裝配式建筑。鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、加工容易、施工方便等特點(diǎn)，符合裝配式建筑高效、快速、簡(jiǎn)單、安全、綠色、環(huán)保的要求。BIM技術(shù)是一種新興起的建筑設(shè)計(jì)技術(shù)，以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的模擬性，可以利用其直觀性、可視性、協(xié)調(diào)性、模擬性等特點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)筑建筑實(shí)體模型，協(xié)調(diào)多部門(mén)進(jìn)行建筑的施工、管理、優(yōu)化、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等工作。將BIM技術(shù)應(yīng)用到裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中，可以通過(guò)BIM模型對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在設(shè)計(jì)、施工、管理過(guò)程中所存在的問(wèn)題進(jìn)行深化處理，從而避免在工程中造成的時(shí)間、人力、資源的浪費(fèi)。

1 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)可以將施工中各種信息搜集起來(lái)，并根據(jù)這些信息創(chuàng)建出一個(gè)三維模型。在裝配式建筑施工建設(shè)中，可以將BIM技術(shù)應(yīng)用在整個(gè)施工過(guò)程中，能保證施工企業(yè)對(duì)工程的每個(gè)階段進(jìn)行控制。目前，BIM技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用非常廣泛，我國(guó)由于起步較晚，應(yīng)用還不夠成熟，相關(guān)的法律法規(guī)也不完善，因此在實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)單位必須不斷借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)際情況合理利用BIM技術(shù)，從而提高工程質(zhì)量。BIM模型的建立需要分兩步實(shí)施。首先是建立靜態(tài)模型，根據(jù)CAD圖紙完善建筑的主體結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)及臨時(shí)設(shè)施等，包括現(xiàn)場(chǎng)的塔吊、模板等材料。BIM技術(shù)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

1.1 可視化

BIM技術(shù)的應(yīng)用，可以結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息對(duì)其進(jìn)行三維建模，有效提升數(shù)據(jù)信息的直觀性。根據(jù)三維模型，技術(shù)人員還可及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工問(wèn)題，及時(shí)制訂管理措施，從而減少后續(xù)施工問(wèn)題的發(fā)生概率。

1.2 協(xié)調(diào)性

BIM技術(shù)可以避免土木工程建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)的各種由于溝通不及時(shí)而導(dǎo)致的問(wèn)題，提高各個(gè)施工單位在合作過(guò)程中的施工質(zhì)量，為整個(gè)木土工程的建設(shè)提供一定的保證。

1.3 模擬性

BIM技術(shù)能對(duì)每個(gè)施工環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，管理人員根據(jù)模擬情況反饋出的數(shù)據(jù)類型，制訂相關(guān)應(yīng)急措施，有效降低施工問(wèn)題發(fā)生概率，提高施工技術(shù)的應(yīng)用效果。

1.4 可出圖

BIM技術(shù)可以對(duì)作業(yè)區(qū)域的基本信息進(jìn)行采集，對(duì)所采集的相關(guān)性信息進(jìn)行針對(duì)性整理，輔助設(shè)計(jì)人員更快地獲取土木工程的設(shè)計(jì)方案和施工圖紙。

2 BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 提升項(xiàng)目整體的管理水平

在建筑體系不斷成熟的背景下，建筑工程的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑最大的不同在于，裝配式建筑在施工之前會(huì)將整體結(jié)構(gòu)拆分成多個(gè)獨(dú)立單位，在施工到該環(huán)節(jié)的時(shí)候，技術(shù)人員可以將相應(yīng)的結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行拼接，節(jié)省了較多的施工時(shí)間。但是建筑工程涉及的施工零件結(jié)構(gòu)非常多，為了確保各結(jié)構(gòu)零件生產(chǎn)過(guò)程的適用性，技術(shù)人員需要提前采集非常完整的資料信息。BIM技術(shù)是依托于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行快速采集的技術(shù)，因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以采集到非常完整的數(shù)據(jù)信息，從而有效提升項(xiàng)目整體的管理水平。

2.2 提高鋼結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)質(zhì)量

與大多數(shù)建筑工程一致，鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑在建設(shè)過(guò)程中，需要進(jìn)行項(xiàng)目相關(guān)內(nèi)容的設(shè)計(jì)工作。該環(huán)節(jié)屬于建筑工程開(kāi)始前的初始環(huán)節(jié)，但是該環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量將直接影響到整個(gè)工程的施工效果。通常情況下，在工程正式施工之前，技術(shù)人員需要對(duì)作業(yè)區(qū)的基礎(chǔ)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，根據(jù)調(diào)研結(jié)果來(lái)確定具體的設(shè)計(jì)方案。BIM技術(shù)可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)區(qū)的基礎(chǔ)信息和市場(chǎng)信息進(jìn)行準(zhǔn)確采集，借助系統(tǒng)內(nèi)部的篩選系統(tǒng)，還可以對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行精準(zhǔn)篩選，也可以對(duì)數(shù)據(jù)信息的潛在價(jià)值進(jìn)行深入分析，從而有效提升設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)質(zhì)量，為后續(xù)工程施工奠定良好的基礎(chǔ)。

2.3 合理調(diào)控工程的施工成本

傳統(tǒng)建筑工程的競(jìng)選模式，一般只是在小范圍內(nèi)選擇建筑企業(yè)進(jìn)行施工，建筑企業(yè)可獲取的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)非常大。隨著市場(chǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，招投標(biāo)模式成為新的選擇方式，競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)也從區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)演變成了全國(guó)競(jìng)爭(zhēng)，極大程度地壓縮了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)。中標(biāo)企業(yè)在獲取到項(xiàng)目的執(zhí)行權(quán)之后，為了獲得到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)，需要在確保工程施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，找尋到可以降低成本的方法。BIM技術(shù)的應(yīng)用，可以幫助企業(yè)采集到比較全面的施工數(shù)據(jù)信息，借助4D系統(tǒng)構(gòu)建基礎(chǔ)模型，從基礎(chǔ)模型中找出可以優(yōu)化的施工環(huán)節(jié)，從而有效提升建筑工程的施工效率，降低建筑工程的施工成本[1]。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑存在的問(wèn)題

3.1 設(shè)計(jì)階段存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)主要是基于二維的CAD圖紙，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑目前主要也是以此進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，二維的圖紙所能傳達(dá)信息是以點(diǎn)、線、面為主，很難準(zhǔn)確、完整、真實(shí)地表達(dá)結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的信息，導(dǎo)致后期在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)等方面的任務(wù)比較繁重。二維的平面信息無(wú)法從建筑全局把控整個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，建筑的各部分獨(dú)立設(shè)計(jì)，彼此之間缺少溝通，導(dǎo)致后期整體組裝時(shí)出現(xiàn)構(gòu)件碰撞、尺寸誤差等問(wèn)題。

3.2 生產(chǎn)階段存在的問(wèn)題

裝配式結(jié)構(gòu)的構(gòu)件需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求按照?qǐng)D紙信息進(jìn)行預(yù)制加工，但是二維圖紙對(duì)構(gòu)件的信息有時(shí)表達(dá)不清楚，造成生產(chǎn)出來(lái)的構(gòu)件尺寸、形狀等信息與實(shí)際情況存在較大誤差，導(dǎo)致構(gòu)件需要返工處理或者重新制作，出現(xiàn)材料浪費(fèi)、工期延誤的問(wèn)題。裝配式鋼結(jié)構(gòu)所需的構(gòu)件數(shù)量、種類較多，在進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)時(shí)工作量較大，效率較低，容易出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)遺漏，造成構(gòu)件缺失等問(wèn)題。

3.3 施工階段存在的問(wèn)題

裝配式鋼結(jié)構(gòu)是由不同規(guī)格尺寸的建筑構(gòu)件拼裝而成的。在施工過(guò)程中，根據(jù)二維圖紙信息對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，人工效率低易出錯(cuò)，建筑構(gòu)件的運(yùn)送現(xiàn)場(chǎng)后，不能按照進(jìn)度進(jìn)行合理規(guī)劃放置，容易造成堆放混亂，易引起施工進(jìn)度偏差，甚至?xí)绊懙绞┕べ|(zhì)量。裝配結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中，牽涉到建筑構(gòu)件、設(shè)備、人員的調(diào)配，傳統(tǒng)的施工方法在這些方面投入精力過(guò)多，成本控制比較困難。

4 BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

文章以某裝配式鋼結(jié)構(gòu)保障性住房工程為實(shí)例，建筑總面積為11 985.66 m2，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為27層結(jié)構(gòu)，每層層高均為3 m，建筑總高度為81 m，室內(nèi)外高差450 mm，建筑縱向長(zhǎng)度為31.2 m，橫向長(zhǎng)度為16.2 m，本工程中裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅采用外側(cè)鋼框架與內(nèi)部核心筒所組成的混合結(jié)構(gòu)體系。在對(duì)該工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選擇BIM技術(shù)、Revit軟件對(duì)工程的模型進(jìn)行創(chuàng)建，并通過(guò)對(duì)模型的分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 構(gòu)件拆分

首先將該工程的各個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Revit軟件中，形成一個(gè)三維立體模型。該結(jié)構(gòu)模型中主要涵蓋了界面輪廓、鋼筋信息及施工材料等內(nèi)容。然后對(duì)該模型進(jìn)行局部修正，繼而對(duì)其進(jìn)行構(gòu)件拆分。在拆分過(guò)程中，要在Revit中使用Dynamo對(duì)構(gòu)件進(jìn)行可視化的編程，在整個(gè)結(jié)構(gòu)模型中將現(xiàn)澆構(gòu)件拆分成多個(gè)部件，再將這些部件進(jìn)行組件，最終完成構(gòu)件的拆分工作。

4.2 鋼筋創(chuàng)建

要特別注意工程構(gòu)件中的鋼筋構(gòu)造要求和拆分要求，不斷完善鋼筋的布置流程，還要調(diào)用二次開(kāi)發(fā)程序，對(duì)建筑工程的鋼筋參數(shù)信息不斷完善，將鋼筋材料合理地布置在預(yù)制構(gòu)件中。

在進(jìn)行預(yù)制梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，布置鋼筋時(shí)要嚴(yán)格遵循以下幾點(diǎn)要求：從梁跨中后澆段中斷開(kāi)縱筋的過(guò)程中，后澆段甩開(kāi)的長(zhǎng)度能夠滿足套筒安裝的尺寸；在梁端方面，要選擇最大值，同時(shí)要考慮到預(yù)制梁鋼筋的加密范圍[2]。

4.3 埋件布置

在布置工程埋件時(shí)，要嚴(yán)格遵守相關(guān)的布置規(guī)則。在此工程中，需要構(gòu)建出包含埋件的內(nèi)嵌族，還要對(duì)梁柱模板中的鋼筋吊環(huán)的形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇合理的布置位置。在布置預(yù)制柱上埋件時(shí)，需要建立專門(mén)的預(yù)制柱族，在預(yù)制柱的柱和墻的連接處，將鋼板的高度設(shè)為實(shí)際高度，并將所有有關(guān)聯(lián)的參數(shù)輸入到Revit軟件中，形成全局參數(shù)。

4.4 施工模擬

建筑施工是整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程中最為復(fù)雜的階段，由于各種施工要素本身的不確定性，實(shí)際施工很難與施工計(jì)劃相一致。Navis-works中的Timeliner可以將三維模型數(shù)據(jù)與項(xiàng)目進(jìn)度表相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)四維可視化效果，施工模擬則可以清晰地表現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖、施工計(jì)劃與項(xiàng)目當(dāng)前的進(jìn)展?fàn)顩r。BIM的施工計(jì)劃主要包括：工程項(xiàng)目的總體立面布置圖、時(shí)間欄信息、任務(wù)欄信息、形象圖形信息、標(biāo)注名稱及工作周期。BIM模型的施工模擬以表現(xiàn)工程施工的整個(gè)流程為主，因此具有很強(qiáng)的針對(duì)性和說(shuō)明性。在施工階段，該裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅的BIM技術(shù)應(yīng)用主要包括場(chǎng)地布置、施工模擬。

1）場(chǎng)地布置。裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的施工特點(diǎn)是將構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，如何合理放置建筑構(gòu)件是施工過(guò)程的重點(diǎn)。使用Revit可對(duì)模擬施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行場(chǎng)地布置，完成對(duì)施工區(qū)、備料區(qū)、辦公區(qū)、宿舍區(qū)的布置。塔吊是裝配式建筑施工的關(guān)鍵，在對(duì)施工區(qū)進(jìn)行布置時(shí)，可對(duì)塔吊位置進(jìn)行布置，對(duì)比多個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2）施工模擬。施工組裝在裝配式建筑建造過(guò)程中擔(dān)任十分重要的角色。對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅而言，僅應(yīng)用傳統(tǒng)施工方法進(jìn)行施工組裝存在弊端，可能遇到一些問(wèn)題。比如消防管道反映在平面圖上時(shí)，往往存在很多交叉的地方，不能很好地反映其中的問(wèn)題。可以利用BIM技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬，根據(jù)實(shí)際情況，將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維的動(dòng)畫(huà)，從而發(fā)現(xiàn)其中存在的問(wèn)題，提前優(yōu)化施工方案和結(jié)構(gòu)布局，避免在施工過(guò)程中再對(duì)方案進(jìn)行修改，出現(xiàn)返工現(xiàn)象。利應(yīng)用BIM技術(shù)可在Navis-works中進(jìn)行三維施工模擬，如圖1所示。

圖1 Navisworks漫游模擬

5 結(jié)語(yǔ)

在城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，市政工程和建筑工程數(shù)量也在不斷增多，高層建筑已經(jīng)成為城市的主體建筑類型。這也對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的綜合質(zhì)量提出了更多的要求。鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可以有效提高建筑工程的施工效率，并且在建設(shè)過(guò)程中，有BIM技術(shù)的加入，可以有效提升鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工信息的采集效率，對(duì)加快建筑工程施工速度，促進(jìn)行業(yè)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展有著積極的意義。