BIM 技術在裝配式鋼結構建筑中的應用

郭毅敏 晉浩 鄭禮剛

BIM 技術具有模擬性、協調化、可視化、可出圖性、優化性等特點，在建筑行業的各個領域得到了廣泛的運用[1]。通過BIM技術，可以實現工程建設的可視化，以直觀、方便的視角看到施工模擬動畫，及時發現設計、施工方案中的不合理之處，及時修改和完善，能夠有效縮短建設工期，提高工程質量，具有顯著的經濟效益和社會效益[2]。近年來，國家和地方政府大力發展BIM 技術在規劃、勘察、設計、建設和運營維護的全過程、全流程、全專業運用，出臺了運用BIM 技術的各項利好政策，提高了勘察、設計、施工、運維單位的效率。BIM 技術將繼續引領建筑領域的技術升級，持續推動建筑行業的更好更快發展[3]。

裝配式鋼結構建筑以工業化的方式建造房屋，對建筑構件標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應用，推動建造方式的創新升級。裝配式建筑在工廠中預制生產，將預制構件運輸到施工現場進行裝配安裝。相比現澆結構而言，裝配式結構具有生產效率高、節省人工、構件質量好、環保節約等優點。隨著國家對裝配式建筑的大力推動，裝配式建筑的應用越來越普遍[4]。

建筑產業是國民經濟的重要組成部分，國家一直推動建筑產業的變革，變革的重點是促進我國建筑產業的工業化和信息化[5]。裝配式建筑節能降耗，縮短工期，能夠有效提升建筑業的工業化水平。BIM 技術是設計與施工的革新，能夠顯著提升生產效率，促進我國建筑業信息化發展。BIM 技術和裝配式建筑是信息化和工業化的深度融合，有助于建筑設計及建造的可持續發展[6]。

1.項目概況

本項目為山西某單位辦公生活區，包含綜合辦公樓、食堂、宿舍樓1 和宿舍樓2，總建筑面積為41059.91m2。本文以綜合辦公樓為例進行說明。

綜合辦公樓基底面積為2401.33m2，總建筑面積為23622.94m2，其中地上建筑面積為15419.6m2，地下建筑面積8203.34m2。建筑層數地上7層，地下1層，建筑高度為33m，主要功能為辦公、研發，裝配率為3A，效果圖如下圖1 所示。建筑結構形式為鋼框架結構，柱子為矩形鋼管混凝土柱，梁采用H 型鋼梁，樓板為鋼筋桁架混凝土現澆板，設計使用年限為50 年，抗震設防烈度為8 度。防火設計的建筑分類為一類，耐火等級為地上一級，地下一級。辦公樓采用VRV 變制冷劑流量多聯分體式空調加新風系統；通風防排煙系統均按相關規范進行設計；各房間及衛生間采用低溫熱水地板輻射采暖系統；給排水系統包括生活給水系統、污廢水系統、雨水系統、消火栓系統、自動噴水滅火系統等；室外管線、化糞池等區內統一考慮，由管線綜合設計。

圖1 綜合辦公樓效果圖

2.BIM 技術在裝配式鋼結構建筑中的應用

BIM 技術在該工程中實現了全生命周期全專業應用，包括建筑、結構、機電、裝飾裝修、場地布置等。其中建筑、機電、裝飾裝修、場地布置采用Revit 軟件設計深化，結構部分采用Tekla 軟件進行三維建模，并且利用Navisworks 軟件進行了全專業的碰撞校核、施工進度模擬和漫游動畫，在Lumion 軟件中進行了效果渲染。本文從設計、生產、施工、運維四個方面對BIM 技術在本工程中的應用進行具體介紹。

2.1 BIM 技術在裝配式鋼結構建筑設計階段的應用

2.1.1 建筑結構機電BIM 模型搭建

在本項目中，BIM 技術團隊通過BIM 協同平臺，開展BIM 協同工作。各專業深化人員利用設計圖紙和設計標準，建立本專業的三維模型。BIM 所建立的協同平臺將各個專業所需的數據全部納入同一個模型之中，運用共通的語言和可視化的展現效果，提高了工作品質和工作效率。各專業所搭建的三維模型如圖2～圖7 所示。

圖2 建筑BIM 模型

圖3 建筑實地效果

圖4 結構BIM 模型

圖5 鋼結構現場安裝

圖6 機電BIM 模型

圖7 機電現場安裝

圖8 樁基礎承臺BIM 模型

圖9 獨立杯口樁基礎

2.1.2 樁基礎BIM 應用

根據工程樁設計圖紙鋼筋節點大樣進行工程樁繪制，利用建模后現場的布置情況及精確后的工程樁長度、混凝土量、鋼筋的預估量等信息，判斷人工、機械等的投入，同時反饋回模型中，使項目整體策劃能力大大提升。

2.1.3 基坑開挖BIM 應用

通過創建BIM 基坑模型，在基坑設計與施工之間搭起橋梁，直觀地體現項目全貌，實現多方無障礙信息共享。通過三維可視化溝通，既提高工作效率，也節約了投資。BIM 技術將二維轉化成三維，體現了數字化工地發展階段的質的飛躍。不僅降低了各方溝通的難度，而且節約了投資，降低試錯成本。

圖10 基坑開挖

2.1.4 小市政BIM 模型搭建

本項目的小市政管網BIM 模型，包括供暖、消火栓、自動噴淋、污水、雨水、電氣、燃氣等多個專業。通過BIM 的三維管線綜合，在圖紙設計階段很好地解決了管線之間的交叉碰撞，為后續施工過程提供了便利，同時為業主節省成本。

圖11 小市政BIM 模型

在裝配式鋼結構建筑的深化設計階段，BIM 技術的有效運用為各部門搭建了一個高度共享的設計信息交流平臺。在設計過程中，各個專業技術人員通過網絡設計信息共享平臺可以上傳并獲取本專業的設計信息、設計標準及設計情況，從而實現了裝配式鋼結構設計的同步性和共享性[7]。

圖12 廠區綠化模型

2.1.5 園區綠化BIM 應用

草圖大師定位就是建模工具，符合景觀園林方案階段的需求。通過導入CAD 總圖底圖，對于植物綠化這一塊，可以用圖形進行喬灌木的種植位置，為后續種樹的定位提供了方便。景觀豎向設計需要對景觀各個完成面的標高進行準確核對以及確保臺階踏步的準確性。

2.1.6 管線綜合與碰撞檢查

在BIM 三維模型的基礎上，進行全專業的深化設計，隨著工程進展繪制土建—機電—裝修綜合圖，通過各專業三維圖疊加、綜合，做到三維可視化，利用Revit 軟件中的碰撞檢查功能或Navisworks軟件進行碰撞檢測，通過碰撞檢測報告中找到在視覺上難以直接發現的碰撞、干涉等問題，并加以修正。及時發現綜合圖中各專業之間的錯、漏、碰、缺等問題，進行解決，以實現圖紙設計零沖突、零碰撞，避免施工過程中的返工、停工等現象發生，減少設計變更，確保施工進度。

圖13 暖通與給排水專業碰撞報告

圖14 暖通與電氣專業碰撞報告

圖15 管線碰撞情況

圖16 管線綜合排布和優化設計

2.1.7 優化凈高

通過碰撞檢查和管線綜合后，各種機電管線得到合理的優化和排布，將能利用的空間充分利用，能夠有效提高管線排布高度，提升室內凈高。山西瀟河建筑產業有限公司綜合樓通過管綜后，吊頂高度提高300mm。

圖17 綜合樓吊頂標高信息

2.1.8 Lumion 軟件渲染

使用BIM 軟件建模完成后，將建好的模型導入Lumion 軟件中進行三維渲染，用于效果宣傳展示，提高了三維渲染效果的精度和效率。

圖18 Lumion 渲染效果圖

2.1.9 漫游動畫

綜合辦公樓通過在Lumion 和Navisworks 軟件中進行漫游模擬，可以直觀看到建筑、結構、機電的三維效果，及時發現項目成果存在的問題與不足予以修正。

圖19 綜合樓漫游動畫

2.1.10 出圖

完成了綜合管線的碰撞檢測與修正，確保整體模型的合理性和可行性后，各專業設計人員按照本專業修正后的模型完成深化施工平面圖，詳細標注專業管線的標高與詳細標注各專業管線的位置，用于指導具體施工。綜合辦公樓還通過繪制施工詳圖和大樣圖，反映設備與管路的連接方式，設備基礎做法，設備固定方法，細部做法等。

2.2 BIM 技術在裝配式鋼結構建筑生產階段的應用

2.2.1 “BIM 集成制造管理平臺”應用

項目采用了山西瀟河建筑產業有限公司獨自開發的“鋼結構建筑BIM 集成制造管理平臺”。該平臺包含的功能模塊有：設計、工藝、深化設計、項目計劃、資料管理、訂單管理、物料管理、車間管理、質量檢驗、出入庫管理、現場管理、條碼管理、進度管理、產能分析、構件追蹤等。可以在線查看模型，優化了企業軟件資源的配置，非設計類技術人員、管理者在不配置設計軟件時也可隨時閱讀模型，獲取需要信息，極大地提高了工作效率。它將公司生產、質量、安全等信息管理系統的業務數據、經營數據集成整合，并運用大數據手段進行數據處理分析，以圖表等形式展示項目各類業務的指標，深入挖掘項目管控中隱藏的風險點，實現可視化管控，為項目管控提供幫助。

該平臺科學地避免了鋼結構制造中“造數字”式統計所帶來的數據不及時、不全面以及進度把控難、構件追溯難等問題，并以模型為核心，以二維碼為手段，打造基于BIM 的鋼結構集成制造管理平臺，形成鋼結構制造企業從項目中到完工的全產業鏈一站式管理，進一步改變傳統鋼結構企業落后的生產管理方式，對鋼結構生產加工技術進行改造提升，實現鋼結構加工的智能化、信息化、數字化管理，進而有效指導鋼結構的生產。

圖20 BIM 集成制造管理平臺

圖21 鋼結構構件二維碼

2.2.2 “Tekla 智能下料系統”應用

“Tekla 智能下料系統”主要控制車間內的相關鋼板下料設備聯動工作，實現下料的無人操作。該系統可對零件信息進行跟蹤，可讀取Tekla 生成的DSTV 信息，并可實時了解零件的下料過程，隨時查詢托盤中每一個零件的零件號和流水號。智能下料系統還可與生產管理系統無縫對接。通過智能下料系統，可以合理調度下料資源，對材料調度順序、噴碼任務、切割任務、分揀任務統一規劃、代碼自動下發，使下料任務安排更合理，更智能。該系統能做到對零件下料情況及時反饋，對已割零件、在割零件、待割零件一目了然，從而有利于后道工序的生產規劃，充分利用套料軟件，提升材料利用率，提升切割效率，最終，在高效、節約的原則下實現設備管理及生產管理信息化、自動化。

圖22 TekIa 智能下料系統

2.2.3 “智能焊接云管理系統”應用

圖23 智能焊接云管理系統

基于Tekla 鋼結構模型，“智能焊接云管理系統”實現了焊接全過程跟蹤管理。系統主要分為設備監控、設備管理、工藝管理、生產管理四大模塊，通過這些模塊實現了焊接工藝標準的遠程下發、焊機的遠程監控以及作業者的績效管理等功能。

圖24 TekIa 鋼結構模型開孔圖

圖25 生產階段現場開孔

2.2.4 鋼結構構件開孔

BIM 模型深化完成后，管線如需在梁上開孔，通過Tekla 軟件在鋼結構模型中實行開孔操作，采取加固措施進行加固。在鋼結構工廠生產階段，基于BIM三維模型，提前預留孔洞，做好預埋件，實現標準化設計，工廠化生產。

2.3 BIM 技術在裝配式鋼結構建筑施工階段的應用

2.3.1 三維圖紙會審

本項目在施工準備階段，已經完成了全專業（建筑、結構、機電）的建模工作。采用BIM 模型進行三維圖紙會審，有著不可忽視的優勢。首先，基于BIM 的施工圖會審可以發現傳統二維圖紙會審所難以發現的許多問題，傳統的施工圖會審都是在二維圖紙中進行圖紙審查，難以發現空間上的問題，基于BIM 的施工圖會審是在三維模型中進行的，各工程構件之間的空間關系一目了然，通過軟件的碰撞檢查功能進行檢查，可以很直觀地發現圖紙不合理的地方。其次，基于BIM 的施工圖會審通過在三維模型中進行漫游檢查，以第三人的視角對BIM模型內部進行查看，發現凈空設置等問題以及設備、管道、管配件的安裝、操作、維修所必需空間的預留問題。

圖26 圖紙會審交流

圖27 場地布置BIM 模型

圖28 場地布置現場效果

2.3.2 場地布置

建模反映施工現場場地布置，檢驗施工場地布置的合理性，對施工現場中的臨設、各生產操作區域、大型設備安裝，通過動態的方式進行合理布局，最終分析選擇最佳方案，提高施工效率和質量，做到綠色施工、節能減排。

2.3.3 工程量統計

本項目的材料設備均采用Revit 軟件的明細表功能進行統計，包括衛浴裝置、噴水裝置、機械設備、管件、管道附件、風管、風管附件等，實現對項目所需材料設備的精準采購。在項目施工BIM 應用過程中，利用BIM 技術就施工BIM 模型輔助工程計算和造價控制，能大大加快工程量計算的速度。

圖29 綜合樓工程量統計匯總表

圖30 綜合樓噴淋頭統計匯總表

2.3.4 預留洞口

機電各專業深化平面施工圖確定后，根據管線的走向需要穿越建筑和結構的時候，必須確定管線在建筑結構上的預留預埋洞口位置，在圖紙上標識出預留洞口的位置、尺寸及標高。

圖31 蒸壓加氣混凝土（ALC）墻板預留洞口

2.3.5 施工進度模擬

本項目將整個施工過程、現場布置、現場施工調度在Navisworks 軟件中進行進度模擬，能夠及時把握項目的進度信息，了解項目進度的滯后及提前情況，發現并解決施工中的隱蔽問題，有利于減少施工成本，節約施工工期。使用BIM 技術能直觀便捷地展示項目進度與時間計劃之間的關系，從而對進度計劃進行可視化驗證。

2.3.6 施工方案模擬

綜合管線排布、土方開挖、地下室鋼筋排布等施工方案進行三維模擬，確保目標的實現。綜合辦公樓通過多維技術的渲染，以動畫形式將施工步驟、施工要點等進行了演示，減少了平面圖分析與實踐之間的差距。

圖32 施工進度計劃

圖33 Navisworks 施工進度模擬

圖34 在場機械作業模擬

圖35 重難點施工方案模擬

2.3.7 三維現場交底

iPad 三維現場交底可以形象逼真地展示方案或者節點的動態施工過程，替代傳統的文字、表格的表達形式，不僅顯著提高了方案交底交流效率，還能作為材料的采購依據。對于施工質量的提高起到了促進作用，形成了公司自己的節點庫，推廣至其他項目進行應用。

圖36 iPad 三維現場交底

2.3.8 BIM5D 管理平臺應用

該項目運用了廣聯達BIM5D 集成平臺，該平臺通過三維模型數據接口，集成土建、鋼構、機電、幕墻等多個專業模型，并以BIM 集成模型為載體，將施工過程中的進度、合同、成本、工藝、質量、安全、材料、勞動力等信息集成在同一平臺，利用BIM 模型的形象直觀、可計算分析的特性，為施工過程中的進度管理、現場協調、合同成本管理、材料管理等關鍵過程提供準確的構件幾何位置、工程量、資源量、計劃時間等，能夠幫助管理人員進行有效決策和精細管理，減少施工變更、縮短項目工期、控制項目成本、提升質量。

圖37 BIM5D 集成管理平臺

2.3.9 無人機航拍與現場監控管理

為了更精細地管理工作面，在天氣允許的情況下，每天利用無人機進行現場照片與視頻攝制，對現場進度、質量、人員、機械設備進行例行的信息采集和留存，上傳至平臺進行每日進度記錄，移動端App 能隨時進行調取。

使用無人機進行低空飛行的地毯式掃描后，進行內業處理就能得到一個與施工現場100%吻合的實景三維模型。利用航測技術，顯著提高了項目部對施工進度、工作面周邊環境的管理能力。

圖38 航測無人機

圖39 航測畫面

2.4 BIM 技術在裝配式鋼結構建筑運維階段的應用

本項目擬將BIM 技術與物聯網技術結合，運用BIM 技術與建筑物相關聯，在三維空間中對設備管線進行定位，對周邊環境和狀況進行系統考慮；運用物聯網技術形成一個統一高效的管理平臺。基于BIM 核心的物聯網技術運用，可以為建筑物實現三維可視化的信息模型管理提供幫助，還可以為建筑物的所有組件和設備賦予感知能力和生命力，從而將建筑物的運行維護提升到智慧建筑的全新高度。

3.BIM 技術應用總結

BIM 技術為項目帶來了豐富的應用價值，包括技術能力的提升、管理效率的提升、精細化管理能力的提升、更流暢的協同共享等。但是，BIM 在實施過程中還是遇到了很多障礙，有待進一步提升和改進。

3.1 BIM 應用問題

3.1.1 BIM 進度滯后

在施工階段，施工單位實施的模型深化、施工方案模擬、進度模擬等工作緩慢，模型搭建進度控制不力，分階段交付時間提前量不夠，或只能勉強跟著現場進度，甚至滯后于施工進度。

3.1.2 BIM 應用與施工脫節

各參建方的組織機構不合理，BIM管理人員與現場管理人員兩套班子，施工單位的BIM 實施方案與專項施工方案分頭編制，實施過程中的BIM 運行專題會議與工地例會分頭召開，模型搭建與現場施工脫節，BIM 工作指導施工效果不理想。

3.1.3 五維應用受限

BIM 模型結合進度控制、工程量統計的五維應用，因為模型深度不夠、配套軟件局限性等原因，基本上停留在部分主要材料的工程量統計上，以施工單位內部成本控制應用為主，未從項目整體角度考慮，在質量、進度、投資、安全管理上創造合理的應用價值。

3.2 改進方案及措施

3.2.1 盡早啟動

建議委托熟悉項目管理流程及特點、BIM 管理經驗成熟、業績類型豐富的咨詢服務企業。采用BIM 咨詢服務、BIM技術服務、BIM 監理等形式介入現場的BIM 應用工作。BIM 理念介入越早，BIM工作啟動越及時，BIM 與項目的整合就越科學，后期應用效果越顯著。

3.2.2 準確定位

BIM 管理單位應協助建設單位根據項目實際情況，對BIM 有相對準確的定位，預先根據后期施工中對質量、進度、投資等方面的要求及運維期的需求，進行應用點分析。

3.2.3 保證投入

BIM 應用有了明確的定位后，對項目的投入也就有了相對明確的預算。BIM的投入包括了硬件（包括網絡服務器、工作站等）、軟件（包括建模軟件、運行平臺、運維軟件等、BIM 管理及技術人員配備等方面）。

3.2.4 明確責任界定

在項目招投標階段，應結合招標文件編制、咨詢答疑、合同簽訂等環節，充分與設計、總包、分包溝通既定的BIM 實施目標，明確實施過程中的各方責任，保證BIM 應用貫穿建設全周期。特別應事先約定各參建單位之間BIM 工作的銜接、合同內容的界面、獎懲措施等方面的內容，避免出現BIM 工作責任不清，模型遲遲不能順利移交，因沒有統一標準導致的重復建模，BIM 里程碑節點滯緩無法滿足實施要求等情況發生。

3.2.5 過程管控

各參建方在項目前期充分溝通，搭建與實體施工匹配的BIM管理組織架構，制定BIM 應用管理制度，包括模型移交流程和標準、實施標準、質量管控標準、協同工作標準等，并結合工作實際持續完善。特別應重視BIM 工作和施工組織的結合、會議制度、月報制度等納入BIM 工作內容及與現場管理的銜接，明確對接的管理人員及職責。