BIM 技術(shù)在鋼骨混凝土混合框架結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用研究*

富 順

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010070）

引言

BIM 是建筑信息模型Building Information Modeling的英文縮寫，是一種應(yīng)用于工程設(shè)計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過對建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應(yīng)對，為設(shè)計團隊以及包括建筑、運營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。

BIM 思想最早于1975 年由美國佐治亞理工大學(xué)“BIM 之父”之稱的Chuck Eastman 教授提出，以便實現(xiàn)建筑工程的可視化和量化分析，提高效率。1986 年，美國學(xué)者Robert Aish 提出“Building Modeling”，這一概念與現(xiàn)在業(yè)內(nèi)廣泛接受的BIM 概念已經(jīng)非常接近[1]。2002 年由Autodesk 公司提出建筑信息模型（BIM），并推出了自己的軟件產(chǎn)品，隨即在全球多個項目上進行試用，取得不錯的效果。

BIM 具有可視化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等主要特點，在工程建設(shè)過程中應(yīng)用BIM 技術(shù)，發(fā)揮其特點，使工程建設(shè)全過程信息化，提高協(xié)同工作效率，對減少工程變更，避免返工，保證工期，降低成本等方面具有重要意義。

1 BIM 應(yīng)用現(xiàn)狀

從BIM 思想的提出到2002 年的實質(zhì)性開端，又到目前的不同階段、不同程度的應(yīng)用，BIM 技術(shù)正在逐漸成熟，逐漸被人們認(rèn)可和應(yīng)用。

1.1 國外BIM 應(yīng)用情況

美國是BIM 應(yīng)用的始源地，較早的啟動了相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，美國建筑科學(xué)研究院于2007 年發(fā)布了美國國家BIM 標(biāo)準(zhǔn)（NBIMS）[2]，研究解決IFC 的應(yīng)用、提供信息交換標(biāo)準(zhǔn)和模板、項目承包模式、設(shè)施信息檢索技術(shù)、設(shè)施信息獲取利用的方法、建筑性能測試等功能應(yīng)用、減少信息重復(fù)提高信息的再利用率、信息追溯、降低信息交換的時間以提高效率等一系列問題。目前，美國大多數(shù)的建筑項目已經(jīng)采用了BIM，2007 年，BIM 在美國建筑行業(yè)的應(yīng)用比例是28%，處于剛開始發(fā)展的地步，到了2009 年，應(yīng)用比例上升至49%，而2012 年時，統(tǒng)計大約有71%的項目采用了BIM 技術(shù)，BIM 在美國越來越得到認(rèn)可與青睞，并且美國建筑企業(yè)300 強中應(yīng)用BIM 的企業(yè)達(dá)到了80%[2]。應(yīng)用主要分布在設(shè)計方案論證、能量分析、場地使用規(guī)劃、建筑系統(tǒng)分析，維護設(shè)計等各個階段的不同環(huán)節(jié)中。

英國在BIM 應(yīng)用方面的政策是政府強制要求使用BIM。2011 年5 月英國內(nèi)閣辦公室發(fā)布了“政府建設(shè)戰(zhàn)略”文件，并明確了各個階段的BIM 實施步驟[3]。英國的設(shè)計公司在BIM 實施方面已經(jīng)相當(dāng)領(lǐng)先，眾多世界級設(shè)計公司坐落于倫敦，這些公司能夠有效執(zhí)行政府強制使用BIM 的相關(guān)文件及標(biāo)準(zhǔn)，這大大提高了英國BIM 應(yīng)用水平和發(fā)展速度。

新加坡政府從政策、資金、人才培養(yǎng)等多方面支持企業(yè)應(yīng)用BIM 技術(shù)，政府規(guī)定設(shè)計報審必須提交BIM 設(shè)計成果。但由于BIM 設(shè)計帶來的額外工作量較大，BIM 軟件本身不夠成熟，設(shè)計人員對軟件的掌握不夠熟練等原因，設(shè)計公司在設(shè)計過程中一般采用“二維設(shè)計+BIM 設(shè)計”的方式，在二維設(shè)計的基礎(chǔ)上或二維設(shè)計進行的同時由BIM 設(shè)計團隊進行BIM 設(shè)計，BIM 設(shè)計成果主要用于報政府審批。施工、運營階段的BIM 應(yīng)用同樣處于缺少配套軟件，BIM 模型數(shù)據(jù)無法與施工、物業(yè)管理等系統(tǒng)對接，數(shù)據(jù)共享仍存在不少的問題[4]。

1.2 國內(nèi)BIM 應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)BIM 概念在2002 年被定義，住建部從2014 年開始相繼發(fā)布了《關(guān)于建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》《關(guān)于推進建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》等文件推動BIM 應(yīng)用，2016 年12 月發(fā)布《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51212-2016，2017 年5 月發(fā)布《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51235-2017，2018 年12 月發(fā)布《建筑工程設(shè)計信息模型制圖標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 48-2018 和《建筑信息模型設(shè)計交付標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51301-2018，解決BIM 應(yīng)用缺乏標(biāo)準(zhǔn)的問題。應(yīng)用方面，根據(jù)《中國建筑業(yè)企業(yè)BIM 應(yīng)用分析報告（2019）》顯示，國內(nèi)大型施工總承包企業(yè)中已應(yīng)用BIM 技術(shù)3～5 年的比例最高，達(dá)到31.57%，應(yīng)用1～2 年的企業(yè)占22%，應(yīng)用不到1 年的企業(yè)占19.35%，已應(yīng)用5 年以上的企業(yè)有18.55%[5]。從BIM 組織建設(shè)方面來看，多數(shù)企業(yè)從委托咨詢單位完成BIM 應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向公司成立專門BIM 機構(gòu)，越來越重視企業(yè)自身的BIM 應(yīng)用能力建設(shè)。從BIM 技術(shù)應(yīng)用的項目來看，主要集中在甲方要求使用BIM 的項目、建筑物結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的項目和有評獎或認(rèn)證需要的項目上，其次是需要提升企業(yè)管理能力的項目和需要提升公司品牌影響力的項目上。另外，根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無論企業(yè)資質(zhì)如何，對于工期緊、預(yù)算少、建筑物結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的項目應(yīng)用BIM 技術(shù)均是最少的，這一數(shù)據(jù)反映出，對于結(jié)構(gòu)簡單的項目，現(xiàn)階段BIM 技術(shù)在解決項目成本、進度方面還很難給項目帶來更大的改變[5]。

2 BIM 技術(shù)在鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中加入型鋼的一種混合結(jié)構(gòu)，常采用H 型鋼、方形截面或圓形截面型鋼作為鋼骨形成鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)。鋼骨混凝土混合框架結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)混合的框架結(jié)構(gòu)，與單一結(jié)構(gòu)相比，其材料多樣，節(jié)點復(fù)雜，傳統(tǒng)施工圖施工難度較大等特點，引入BIM 技術(shù)可提高施工效率，降低施工難度，保證施工精準(zhǔn)度。以下為BIM技術(shù)在鋼骨混凝土混合框架結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用案例：

2.1 工程概況

內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)三期擴建西教學(xué)區(qū)位于呼和浩特市毫沁營鄉(xiāng)一間房村，總建筑面積51322.36m2，其中實訓(xùn)基地2 號樓位于本工程東側(cè)，建筑面積為13778.17m2，主樓地上五層，主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，局部鋼骨混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)，東側(cè)入口上五層空中連廊采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，跨度為28.7m，鋼桁架上下弦桿與兩側(cè)鋼骨混凝土柱相連形成鋼骨混凝土混合框架結(jié)構(gòu)。

圖1 整體結(jié)構(gòu)BIM 模型

2.2 項目施工難點

本項目除大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋外，主要施工難點在鋼骨混凝土混合框架結(jié)構(gòu)部分，此部分施工圖需要結(jié)合圖集施工，詳圖深度有限，需要進行進一步深化設(shè)計滿足施工要求。在施工中，鋼筋混凝土、鋼骨混凝土、鋼結(jié)構(gòu)混合施工，交叉作業(yè)，要求鋼結(jié)構(gòu)施工與混凝土施工密切配合，各專業(yè)、各工種間需要密切協(xié)作。在節(jié)點施工中，梁柱節(jié)點復(fù)雜，對圖紙及圖集理解程度要求高，稍有理解不到位就無法進行下一道工序的施工，造成誤工返工。另外，鋼骨型鋼需要預(yù)留鋼筋穿孔及鋼筋連接牛腿、套筒、連接板、加勁肋等，需要與加工廠協(xié)同，提供詳細(xì)加工圖紙。

2.3 BIM 技術(shù)應(yīng)用

（1）復(fù)雜節(jié)點BIM 深化設(shè)計應(yīng)用

本項目施工圖中只有梁柱平法施工圖，并沒有詳細(xì)的節(jié)點詳圖，平法施工圖結(jié)合圖集施工，這對于鋼骨混凝土混合框架結(jié)構(gòu)這種復(fù)雜節(jié)點來說，施工圖表達(dá)深度達(dá)不到施工要求，施工難度較大，也容易出錯，傳統(tǒng)二維深化設(shè)計圖紙又不能直觀地表達(dá)節(jié)點部位的鋼筋關(guān)系。針對這種情況，對節(jié)點部位進行BIM 深化設(shè)計，將二維圖紙和圖集詳圖向三維模型轉(zhuǎn)化，可視化展現(xiàn)鋼骨、鋼筋之間的關(guān)系，指導(dǎo)施工有序進行。

圖2 梁柱節(jié)點BIM 深化設(shè)計模型

（2）BIM 施工圖優(yōu)化應(yīng)用

由于本項目結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計中并未充分考慮鋼筋根數(shù)與鋼骨穿孔率的問題，個別節(jié)點出現(xiàn)了梁鋼筋根數(shù)較多，導(dǎo)致柱鋼骨穿孔數(shù)量過多，對鋼骨型鋼截面削弱過大的情況。通過節(jié)點區(qū)BIM 模型鋼筋排布，理清鋼筋與鋼骨關(guān)系，將四、五層46 軸鋼骨梁頂部縱筋由6 根20 代換為4 根25，減少穿孔鋼筋根數(shù)，滿足型鋼截面削弱率在25%以內(nèi)的要求。

（3）BIM 圖紙會審應(yīng)用

圖紙會審是項目施工前的必要程序，傳統(tǒng)施工圖會審一般分專業(yè)進行，各專業(yè)各看各的問題，設(shè)計人員與施工技術(shù)人員間的溝通較多，監(jiān)理、甲方參與度較低。本項目在鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)施工圖會審中采用了施工圖結(jié)合BIM 模型會審的方式，把傳統(tǒng)施工圖不好表達(dá)甚至不能表達(dá)的內(nèi)容在BIM 模型上進行討論，在同一個模型平臺上各專業(yè)、各參建方共同參與，發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，提高協(xié)同工作效率。

（4）BIM 工廠加工圖應(yīng)用

傳統(tǒng)施工圖是從二維圖紙向三維實體想象，BIM 模型則為從三維模型向二維圖紙輸出，BIM 可從模型輸出任意剖視方向的剖面圖和立面圖。在項目節(jié)點BIM 深化設(shè)計過程中已經(jīng)對鋼骨型鋼開孔做了準(zhǔn)確的定位建模，利用BIM 的出圖功能將開孔加工圖輸出提供給鋼結(jié)構(gòu)加工廠即可，這樣既省去二次深化設(shè)計，也保證了鋼筋與鋼骨穿孔的精準(zhǔn)定位。

圖3 鋼骨柱型鋼開孔BIM 模型

圖4 鋼骨柱型鋼開孔加工圖BIM 出圖

圖5 柱縱筋與鋼骨型鋼連接鋼板連接BIM 模型

圖6 柱縱筋與鋼骨型鋼連接鋼板連接施工圖片

（5）BIM 節(jié)點施工應(yīng)用

本項目的主要施工技術(shù)難點在于其節(jié)點施工問題上，施工工序的先后順序、鋼筋穿孔的精準(zhǔn)定位、縱筋與鋼骨型鋼的連接、箍筋與鋼骨型鋼的關(guān)系等尤為重要，稍有差錯就可能出現(xiàn)后續(xù)工序的無法銜接，導(dǎo)致返工。在項目節(jié)點施工中主要在以下幾個方面利用BIM 模型進行了施工指導(dǎo)。

a. 柱縱筋與鋼梁翼緣碰撞問題

柱縱筋與鋼梁上下翼緣碰撞時，按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造》04SG523 圖集的做法，可在鋼梁翼緣打孔，將柱縱筋穿孔通過鋼梁翼緣，在本工程中考慮盡量不削弱鋼梁翼緣面積，采用了鋼梁上下翼緣焊接鋼筋連接板的方式，將柱縱筋與連接板焊接，并在連接板對應(yīng)的鋼梁翼緣內(nèi)焊接加勁肋。這種焊接連接板的方式僅適用于鋼梁，不適用于鋼骨梁。

b. 梁縱筋與鋼骨柱型鋼翼緣碰撞問題

梁縱筋與鋼骨柱型鋼翼碰撞時，梁外側(cè)縱筋繞過柱型鋼，梁中部縱筋與焊接在柱型鋼翼緣上的鋼牛腿雙面焊接，焊接長度大于等于5d（d 為梁縱筋直徑）。

c. 梁縱筋與鋼骨柱型鋼腹板碰撞問題

梁縱筋與鋼骨柱型鋼腹板碰撞時，梁外側(cè)縱筋盡量繞過柱型鋼，梁中部縱筋則穿孔貫穿通過柱型鋼。本項目中，通過BIM 模型鋼筋排布，對原圖紙中的鋼筋根數(shù)進行優(yōu)化代換，盡量減少穿孔鋼筋數(shù)量，保證型鋼腹板截面削弱最小。

圖7 梁縱筋與鋼骨型鋼牛腿連接BIM 模型

圖8 梁縱筋與鋼骨型鋼牛腿連接施工圖片

圖9 梁縱筋穿孔貫穿鋼骨型鋼腹板BIM 模型

圖10 梁縱筋穿孔貫穿鋼骨型鋼腹板施工圖片

3 BIM 技術(shù)應(yīng)用成效

通過BIM 技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用，取得了以下幾個方面的成效：

3.1 提前發(fā)現(xiàn)問題，減少工程變更

在施工前的審圖階段，通過BIM 模型創(chuàng)建，能夠提前發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)施工圖中很難發(fā)現(xiàn)的“錯、漏、碰、缺”等問題，及時解決這些問題，避免施工過程中的工程變更。

3.2 使深化設(shè)計表達(dá)更加清晰

基于BIM 技術(shù)的復(fù)雜部位深化設(shè)計能夠更清晰可見地表達(dá)傳統(tǒng)二維深化設(shè)計圖紙很難表達(dá)的內(nèi)容，使得工程技術(shù)人員對技術(shù)難點部位的理解更加直觀清晰。

3.3 可視化施工，提高工作效率

在復(fù)雜部位施工過程中，隨時可在BIM 模型上進行施工方案討論，也可通過電子設(shè)備或手機等通訊工具將施工難度較大部位BIM 模型截圖實時傳送給施工現(xiàn)場各工種作業(yè)人員，指導(dǎo)施工，提高工作效率。

3.4 提高協(xié)同參與度，改變管理模式

在審圖、方案論證、技術(shù)交底等各個環(huán)節(jié)中，項目參建各方圍繞同一個BIM 模型進行討論，問題的提出和解決方案的討論都是協(xié)同的，聯(lián)動的。這種協(xié)同工作模式也改變了單一分散的施工管理模式。

4 BIM 技術(shù)應(yīng)用存在的問題

4.1 BIM 技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)從源頭開始

BIM 技術(shù)應(yīng)從規(guī)劃、設(shè)計階段就開始應(yīng)用，也就是實現(xiàn)正向應(yīng)用，而不是目前的翻模狀態(tài)，設(shè)計階段的BIM模型可共享于施工、運維階段，這樣將避免重復(fù)勞動，節(jié)省建模成本。

4.2 BIM 軟件缺乏，技術(shù)不夠成熟

BIM 主流平臺軟件以美國Autodesk 公司的Revit 軟件為主，國外軟件與國內(nèi)規(guī)范的結(jié)合度、構(gòu)造做法的匹配度等諸多方面還需要進一步融合。國內(nèi)BIM 軟件在綜合應(yīng)用、協(xié)同應(yīng)用等很多方面技術(shù)不夠成熟，需要進一步的更新?lián)Q代。

4.3 BIM 技術(shù)人才短缺

BIM 技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用時間較短，企業(yè)獲得BIM 技術(shù)人才主要通過招聘高校畢業(yè)生和通過自主培訓(xùn)的方式，盡管國內(nèi)建筑類高校或多或少開設(shè)了BIM 相關(guān)課程，但畢業(yè)生在實際工程中應(yīng)用BIM，并有所成績，需要時間和實踐的考驗，真正能夠應(yīng)用BIM 為企業(yè)創(chuàng)造價值，既懂技術(shù)又懂管理的復(fù)合型人才少之又少。這也是目前BIM應(yīng)用與發(fā)展過程中制約企業(yè)應(yīng)用BIM 技術(shù)的因素之一。

4.4 BIM 應(yīng)用點不明確

目前的BIM 應(yīng)用有一部分是甲方要求，還有一部分是為評獎或提高企業(yè)知名度，大部分企業(yè)還是未能準(zhǔn)確定位項目BIM 應(yīng)用點，實現(xiàn)BIM 應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

BIM 技術(shù)是建筑業(yè)信息化發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，也是建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段。在鋼骨混凝土混合框架結(jié)構(gòu)施工中引入BIM 技術(shù)，以施工圖深化設(shè)計、審圖、復(fù)雜節(jié)點施工為主要BIM 應(yīng)用點，發(fā)揮BIM 技術(shù)的可視化、協(xié)同性、優(yōu)化性、可出圖性等特點，將傳統(tǒng)施工圖施工難點部分轉(zhuǎn)化為可視化、協(xié)同化、信息化的施工過程，提高施工效率，避免誤工返工現(xiàn)象，保證精準(zhǔn)施工要求，取得了不錯的應(yīng)用效果。但不可否認(rèn)的是，在BIM 技術(shù)應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)BIM 技術(shù)還處于起步階段，在政策、法律、軟件、人才、應(yīng)用等各個方面還需要進一步的完善和不斷的優(yōu)化來支持更深層次和更全面的應(yīng)用。