基于BIM技術的鋼結構深化設計研究

周健宇

（中交第四航務工程局有限公司， 廣東 廣州 510290）

鋼結構不同其他傳統建筑材料，其自身具有強度高、結構重量小、延性好等優點，在建筑工程中發揮著不可替代的作用[1]。具體來說，其相較于混凝土這另一種建筑工程中常見的材料，具有以下幾點的優勢：（1）現場施工工作量小。鋼結構主要通過工廠預制、現場拼接的方式來形成結構主體，因此其主要環節在于預制廠生產，而對于現場所涉及到的工作量則十分有限，因此可以大大降低人工需求并縮短建設工期，在商業建筑的建設中具有十分顯著的效益優勢。（2）造型多樣。鋼結構具有十分突出的強度與延性，是一類柔性結構，這就使得鋼結構能夠形成許多混凝土結構無法實現的外形設計，尤其是在大跨度結構中有著很好的表現，打破了傳統混凝土結構對于空間跨度的限制[2]。此外，鋼構件的生產采用工廠預制的方式，能夠精準地實現復雜或非規則結構的設計與制造，并有利于同型號構件的大批量流水線生產，以此大大提高建筑外形設計的上限[3]。

1 鋼結構設計現存問題

1.1 設計內容繁多復雜

近些年，我國建筑工程的發展逐步傾向于功能更多元、空間更大、居住更舒適的方向，這就對建筑配套的各項設備提出了更高、更多的要求，因此項目涉及內容也越來越多、覆蓋的范圍也越來越廣，包括了建筑、結構、電氣、暖通等方面[4]。但各個設計內容之間又存在著千絲萬縷的關系，需要合理安排使其協調運轉，才能夠最大程度地發揮其預期功能。但是在目前的鋼結構設計工作中，各個設計內容之間相對較為獨立，若其中任意一部分需要變動，其往往會牽涉到其他涉及內容的不協調甚至沖突，嚴重的甚至還會導致建設項目在質量與成本上的損害。譬如，當技術人員對方案展開分析發現其材料用量超出預期，導致項目效益降低，并將修改意見反饋至結構設計方對建筑開展結構調整，修改完成后又需要交與排水、暖通等附屬設備的設計方開展細化調整，最后再返回進行材料用量評價，若其仍不滿足要求則又將循環以上流程。這樣的設計結構無疑會大大增加不必要的工作量，導致效率的低下與工期的延誤[5]。

1.2 不同工種構件的碰撞

如上文所述，鋼結構建筑所涉及到的設計內容十分復雜，同時其設計工作也較為獨立，大多采用不同的設計媒介同步進行，這就會導致在不同工種的設計方案中很容易出現構件空間位置的碰撞。具體來說，建筑設計其主要目的是優化建筑各層的規劃與布置，并依照甲方要求完成建筑物造型的設計，并生成三維模型以供展示，其主要采用的設計平臺為CAD、3DsMax等軟件；而建筑結構的設計內容則主要包括了各承重構件的尺寸、材料、位置等，并基于此分析結構內部各位置的應力水平，驗算其強度、變形、穩定等指標是否滿足相應的標準，該過程主要采用PKPM等軟件進行計算；而對于建設項目整體的經濟效益、施工組織、工程量，則主要由預算設計來完成，其主要采用廣聯達、LEED等。但受到軟件類型、隸屬公司等的制約，其設計數據大多不能實現互導，這就造成在不同的設計內容中設計人員的工作開展只能顧及自身，難以完成相互信息的交流，因此不同構件在空間上很容易導致相互碰撞，甚至在附屬設備設計中存在對承重結構的破壞，埋下安全隱患[6]。

1.3 未考慮實際施工中的偏差問題

鋼結構建筑的施工可大致歸為工廠預制、現場拼接兩個大的部分，實踐表明決定建筑質量的關鍵在于拼接環節的人工作業。為了便于運輸、裝配，鋼結構建筑的預制構件大多尺寸較小且數量繁多，但構件在轉運、吊裝、焊接等階段往往會受到外界作用而發生材料變形或位置偏移。雖然這些誤差較小，但由于構件數量較多，經過大量的累積便會導致結構整體出現不可忽略的偏差。此外，焊接工序存在的應力集中問題也是結構整體出現偏差的一個重要原因。如果在設計階段未對這些影響因素進行有效的控制或者留有足夠的裕度，將導致工程實際的質量遠低于設計預期[7]。

1.4 缺乏可靠的成本控制

不同于傳統建筑，鋼結構建筑在建設成本的控制上往往難度更大。以采用鋼結構殼體結構的國家大劇院為例，按照其設計方案，該建設項目的預算約為25億元。但在建設過程中受到多種因素的影響，最終實際總成本達到了30.67億元，較設計提升了五分之一，同樣的問題也常常出現在小體量的鋼結構建設項目中。建設成本的增加不僅不利于工程的順利開展，同時還將影響開發商的資金流動，甚至出現爛尾樓問題，對社會造成負擔。總體來說，這些問題主要是由于鋼結構建筑在設計時未能全面地考慮建設條件與項目運營，缺乏可靠的成本控制機制，導致在施工階段產生各種各樣設計之外的支出[8]。

2 BIM技術在鋼結構深化設計中的應用

針對于目前在鋼結構設計中暴露出的問題，設計人員可有針對性地開展深化設計。簡單來說，深化設計即是借助于高新設計軟件實現設計的可視化，并以此來幫助設計人員判斷設計方案是否存在碰撞問題、節點連接是否可靠、建設成本是否在可接受范圍內。近些年，BIM技術得到了快速的發展與推廣，并在鋼結構建筑的設計中取得了一定應用[9]。BIM技術即是借助于智能化管理手段，對建筑項目從規劃、招投標、設計、施工、運營、維護等全過程開展動態的監管與調節，并通過相應的軟件實現對各個環節的串聯與協調，其憑借自身智能化、科學化、高效化的優勢在建筑行業得到了越來越多的關注。基于上文列舉的設計問題，在鋼結構深化設計，BIM技術的應用可主要歸為以下幾個方面。

2.1 鋼結構設計內容整合

在BIM技術應用于鋼結構設計中，一般采用Tekla Structures進行分析，借助于該軟件可以實現對鋼構件的全面設計。在該軟件中導入建筑平面設計的基本參數即可生成具有直觀效果的三維模型，以此來彌補二維平面圖對于空間位置判斷的不便。此外，在該軟件中還可根據建筑受力類型的不同建立粗略的模型用于設計方案合理性的初步判斷。在完善暖通、電氣等附屬設計后該軟件還可以進一步完成對設計方案的經濟效益驗算，并提供修改意見。相較于傳統設計最大的區別即是打破了不同設計軟件之間的阻隔，可將多個設計內容整合至一個平臺完成，極大地精簡設計流程、縮短設計周期，此外還有利于設計方案的合理性判定。通過這一變動，不僅能夠緩解傳統設計中存在的設計獨立問題，同時也有利于建筑合理性的提升，全面改善項目設計水平。

2.2 鋼結構構件碰撞處理

BIM技術能夠生成具有直觀效果的可視化模型，彌補了平面設計方案在空間位置表達上的缺陷。在鋼結構建筑中常用的梁柱、樓板、樓梯、管線等都可以通過navis works完成其空間位置上的碰撞檢測，以此來幫助設計人員在設計初期就規避可能存在的碰撞問題，盡可能地規避因空間布置不合理導致的方案變更，并間接降低項目風險。對于存在碰撞問題的情況，設計人員還可以借助BIM技術進行優化處理，譬如在某部位先進行一大尺寸構件的作業，造成空間上的阻擋，使得后續施工缺乏必要的作業面，進而導致構件返工，在這樣的情況下BIM技術能夠對施工過程進行模擬，并在結構的適當位置預留孔洞，為后續作業的開展建立良好的條件。

2.3 鋼結構施工偏差處理

BIM技術是一項跨越項目全周期的管理技術，其不僅可以用于前期的輔助設計，同時還能夠在后續的施工過程中進行持續的指導。具體來說，在施工時可將實際的施工參數導入至BIM平臺中，并通過對應的軟件完成其施工質量的評價，若其不符合要求，軟件將反饋校正意見。此外，BIM技術也可以對鋼構件的生產、轉運進行溯源，并生成具有一定可視化功能的模型，對實際施工過程進行動態模擬。對于實際施工中的誤差，經過處理后將傳遞給設計人員，便于其對方案做出適當的調整。以徐州奧體中心的建設為例，其技術人員通過BIM技術對建筑的核心部件展開管理，在設計方案與實際模型的可視化比對中實現了施工的實時指導與科學校正。

2.4 鋼結構施工成本控制

在鋼結構建筑的傳統設計中，對于建設成本、工程量的管理主要是通過廣聯達來完成的，但該軟件僅對工程各項參數進行靜態分析，而欠缺對于市場動態等外界環境的判斷與調整。在BIM技術中，則引入了時間這一參考要素，通過對材料成本、方案改動、工程進度等動態因素的分析實現對成本的精確計算。此外BIM技術也可對多種方案進行成本比對，選擇具有最佳經濟性、功能性的構件尺寸及數量，以此來達到優化方案的目的。同樣以徐州市奧體中心為例，該項目所涉及到的鋼構件主要為箱型彎扭構件、變截面圓錐管以及大直徑彎弧管，經過BIM技術的模擬核算，可以得到各構件上各個位置的應力水平。在此指導下完成施工作業，其可以大大提升結構布置的合理性，同時也能極大地規避潛在的施工風險，避免返工的發生。鋼結構施工成本控制除了需要合理利用BIM技術外，還要求設計人員對于市場走向有著準確的把握，并以此及時調整方案，提高成本控制的準度。

3 結束語

總的來說，在功能要求多樣化、建設技術科學化的工程背景下，鋼結構設計亟待做出改變，以此來適應行業快速發展的需求。其中BIM技術作為一項具有突出智能性的全周期管理技術，在鋼結構深化設計中具有突出的優勢，不僅能夠很好地改善構件碰撞問題，還能夠對施工方案作出合理的指導，優化建設項目的綜合效益，具有十分顯著的研究價值與應用潛力。