基于BIM技術的型鋼鋼管混凝土框架連接節點設計庫

張奎，王從章，高勇

（1.阜陽市重點工程建設管理處，安徽 阜陽 236000；2.安徽富煌鋼構股份有限公司，安徽 合肥 230786）

1 應用背景

裝配式建筑的發展理念是我們結合環境治理與建筑行業發展現狀，適時推出的國家戰略層面的針對建筑業持續發展與革新的產物，隨著我國建筑業對裝配式建筑實踐行為的持續廣泛的深入開展，裝配式建筑由籠統的概念也孵化出相應的技術分支，特別是根據材料的應用不同，衍生出裝配式混凝土建筑、裝配式鋼結構建筑、裝配式木結構建筑等多種裝配式技術體系，隨著國家對裝配式建筑發展政策的持續推進，作為占據裝配式建筑半壁江山的裝配式鋼結構體系，憑借其自身的諸多應用優勢在越來越多的項目中得到應用。緊密圍繞“通用化、標準化、集成化、模塊化”的技術應用路線，裝配式鋼結構建筑技術日趨成熟，裝配式鋼結構建筑設計、生產、安裝相較于起步階段的發展水平已經有較大幅度的提高，盡管如此，裝配式建筑的整體發展水平尚未達到行業對其發展應用的廣泛預期，針對當前這種發展境況，我們認為是多方面因素導致的，包括一些政策上的因素、市場方面的因素以及裝配式技術方面的，政策需要因地制宜持續深化，同時與房地產市場調整聯動協調，市場對裝配式建筑的看法和接受程度，但是最直接的因素我們認為是裝配式建筑技術方面還需要進一步完善，特別是在裝配式建筑技術體系百家爭鳴的氛圍中，我們應當梳理出一套完備的技術范本，這樣才能充分發揮裝配式建筑的優勢，促進建筑業整體的轉型升級。

裝配式建筑技術方面的因素是廣泛的，并非技術措施的缺失與完善的簡單邏輯，從裝配式建筑應當具備的特征來看——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，標準化設計、工廠化生產、裝配化施工看似設計、生產、施工是三個不同的方面，通過應用研究與實踐，我們發現三者是有其內在關聯性，同時，對其他方面的應用也是有巨大影響的，三者是一個持續遞進的關系，標準化的設計，勢必會帶來標準化的生產、標準化的安裝，這對預制構件的材料應用、構件廠的加工效率、產業工人現場的裝配效率提升都是巨大的，這里，我們要注意區分“標準化的設計”與“設計的標準化”兩個概念。

回望裝配式鋼結構建筑的發展路徑，裝配式鋼結構由鋼結構體系發展而來，鋼結構建筑的設計、生產加工與現場安裝早已具備“裝配”的基礎，形成后期鋼結構建筑往裝配式鋼結構方向發展的基本條件，將已經形成的“工業化”“裝配式”支點，通過裝配式建筑的整體概念進行融合，形成一個整體，這是裝配式鋼結構發展到目前階段的研究內容。裝配式鋼結構建筑體系中，針對豎向受力構件采用型鋼鋼管混凝土柱的應用基礎，結合鋼梁、支撐，同時依托于“信息化管理”，把BIM技術作為一個裝配式鋼結構建筑的基礎應用手段，建立起基于BIM技術的型鋼鋼管混凝土框架連接節點設計庫，節點庫與標準化梁柱型鋼構件族協同使用，有助于標準化設計的應用要求，并提升設計、生產、安裝各個階段的效率，進而提高裝配式鋼結構整體的技術應用度，實現裝配式鋼結構建筑的“多、快、好、省”的發展節奏。

2 應用概述

基于BIM技術的型鋼鋼管混凝土框架連接節點設計庫，是從眾多項目中總結優化形成的適用性強、經濟性高、便于加工生產與安裝的節點做法，并深度結合了BIM技術手段，形成參數化族與配套應用文檔，通過標準化的型鋼鋼管混凝土框架應用特點與范圍，建立起與之配套且行之有效的型鋼鋼管混凝土框架連接節點設計庫，貫徹標準化設計的裝配式鋼結構建筑理念，進而實現涵蓋設計、生產、安裝多環節的標準化，充分發揮裝配式建筑的技術優勢，踐行裝配式建筑的發展理念。

圖1 節點設計庫與標準化設計關系圖

標準化的應用必然建立在標準化的理念之上，基于項目實踐建立起標準化的應用原則、范圍，根據地區、樓層、產品定位，建立起適用性高的型鋼鋼管混凝土框架與節點，型鋼鋼管混凝土框架節點設計庫是對標準化框架的延伸與補充，要在體系化的思想里對其加以理解并投入實踐；在應用時，首先應建立起標準化、參數化的型鋼鋼管混凝土框架，即標準化鋼柱、鋼梁與支撐設計模型，標準化的型鋼鋼管混凝土框架連接節點設計庫包括柱與梁連接節點、柱與梁和支撐連接節點、柱腳節點三個方面，根據鋼梁、鋼柱、鋼支撐的連接形式與節截面尺寸，從節點庫中篩選出匹配適用的節點形式，形成設計模型，借助于BIM技術，還可以實現各組件的碰撞檢測，進而消除節點不完善帶來的管線設計缺陷問題。

3 應用原則

型鋼鋼管混凝土框架連接節點設計的比重很大，特別是加工周期長，同時不利于現場安裝，基于BIM技術的型鋼鋼管混凝土框架連接節點設計庫有兩大應用要素，包括“BIM技術”應用與“標準化”準則建立的型鋼鋼管混凝土框架連接節點，這兩大要素都能在解決框架連接節點上的諸多效率問題和應用的現實問題，在模型建立上、交互上、信息處理上，都是遵從BIM技術應用流程，標準化型鋼鋼管混凝土框架連接節點是以BIM體系中族對象來固化，應用時，應注意保持族文件的版本控制與參數污染。針對非標準化設計節點，型鋼鋼管混凝土框架連接節點設計庫難以滿足時應優先采取調整設計，使其符合標準化設計的要求，難以調整時，采用單獨設計的方式完善整體設計內容。

在設計中，我們要確立在方案階段就確立標準化設計的理念，在材料用量與標準化加工、安裝之間尋求平衡，同時，要對節點的標準化應用的情況進行一個初步評估，包括節點應用的種類、標準化節點數量及應用比例等，只有符合一定標準化適用條件的，使用型鋼鋼管混凝土框架連接節點設計庫的優勢明顯，可以大大提高型鋼鋼管混凝土框架結構體系裝配式建筑的設計、生產與安裝效率。

4 應用流程

4.1 型鋼鋼管混凝土框架模型搭建

作為標準化設計環節的一部分，首先應搭建起裝配式鋼結構體系中的主體模型，包括建立鋼柱、鋼梁、鋼支撐模型，主模型搭建完畢后，同時也應建立起包括建筑、給排水、暖通、電氣、幕墻等其他專業的模型進行后續使用；建立鋼柱時，應注意核對其高度，鋼柱高度與混凝土柱高度有部分差異，應予以注意，這是裝配式鋼結構特殊之處，其焊接位置一般設在樓面以上空間，具體建模時應復合設計要求確定鋼柱高度，創建鋼梁與鋼支撐時，應與鋼柱進行邏輯上的連接，而不是通過外觀進行連接，這樣可以保證后期鋼柱位置調整時鋼梁與支撐會與之同步調整。

圖2 基于Revit主體結構三維設計模型

4.2 節點設計庫創建節點

節點設計是整個設計環境的大比重工作，這也是我們創建節點設計庫的初衷，我們的最終應用目的就是依托于BIM技術手段化繁為簡。我們目前已經具備的節點設計庫主要針對型鋼鋼管混凝土框架體系，根據已經成型的主體結構模型進行節點的專項設計，利用節點庫進行節點設計時，應選取和理論模型對應的節點，在節點庫中我們創建了多種類型的節點，不局限于鋼管柱鋼梁的連接節點，還包括鋼管柱與鋼支撐連接節點、主次鋼梁連接節點、柱腳節點，鋼柱鋼梁連接節點還分為鉸接與剛接，配合節點設計庫中標準化的型鋼構件族，可以實現基于BIM技術的型鋼鋼管混凝土框架體系全覆蓋的設計，并滿足標準化的應用要求。

節點是結構受力集中的部位，節點設計時，應依據節點計算書內容進行節點設計，包括節點部位的材料等級、連接假定、螺栓型號、螺栓等級等設計參數，節點設計庫目前已經在材料類型上做了涵蓋，包括部分常見尺寸的型材、構件，對于一些非常見尺寸，應注意予以添加。

選取對應節點時，要注意尺寸參數既要滿足參數之間的邏輯運算要求，同時也應當符合標準規范對一些尺寸的要求，特別是螺栓的邊距與中距要求，連接板的厚度等，節點設計庫目前在多個類型上做了涵蓋，但是在參數應用檢查上還有待完善，這是一個應用趨勢，我們會在后續的研究中加以完善，使其更加智能化；根據不同的構件類型，交互的選擇順序可能不同，應加以注意。

圖3 梁柱剛接節點模型圖

圖4 梁柱鉸接節點模型圖

圖5 主次梁連接節點模型圖

圖6 鋼管柱柱腳節點模型圖

在依據計算文件進行節點設計時，應根據節點的創建情況動態反饋，有些小的調整，可以通過歸并的方法解決，在成本與標準化應用中平衡采用，也可以提出多種方案，通過項目各方共同討論解決；針對一些項目標準化節點比例低時，應及時反饋到結構方案，通過結構方案的優化，實現節點設計標準化，通過節點設計庫實現快速設計。

4.3 創建節點材料明細表

節點設計后，設計工作并未結束，借助于BIM技術提供的可視化、參數化技術特征與明細表應用功能，我們可以對設計方案中的鋼結構材料進行動態實時統計，通過明細表的形式統計材料種類與用量，首先，基于BIM技術三維可視化的技術特點，不管是設計人員還是項目的業主，都可以直觀地感受具體的設計內容，這種對設計內涵進行視覺傳遞的效率提升是巨大的，可以在所見所得的基礎上對設計進行糾偏調整或設計優化，與此同時，可以結合節點模型形成的明細表進行節點設計的量化參數指標，其次可以配合商務部門快速進行統籌核算；節點的材料明細表可根據應用目的分類，例如有針對性地創建出型鋼、板件或者螺栓的材料表，后期配合價格信息或者定額信息做更多更廣泛的應用，延伸裝配式鋼結構建筑設計過程中形成的數據維度與信息價值。

5 應用總結

本文依托于標準化的設計理念，通過裝配式鋼結構的項目實踐情況，探索了一條裝配式鋼結構標準化應用方法，同時，重點闡述了基于BIM技術的型鋼鋼管混凝土框架連接節點設計庫的概述與應用流程，力圖解決當前裝配式鋼結構體系中節點設計占用時間周期長、加工不便、安裝效率不高的問題，通過在設計中落實標準化的設計理念達到解決三個主要階段形成的問題；目前BIM技術手段也在持續地完善更新，標準化的節點設計形成的應用庫在應用中可以達到使用目的，同時，也有一些工作需要強化，包括節點設計庫在應用的效率上，雖然解決了設計標準化問題，但是在應用效率上可以進一步提高，包括交互的自動化、智能化程度，基于節點設計庫的標識模型進行節點詳圖生成方面，還有一些各軟件系統之間的數據聯動方面，需要持續完善，包括基于神經網絡模型進行建筑設計的工作開展已有一些，在標準化設計、節點設計工作上我們也可以在這些成果的基礎上探究人工智能在行業痛點上的應用，從而徹底解放設計工程師。基于目前的實踐，包括連接節點在內的標準化的構件應完善并形成一套完整的解決方案，只有全構件、全業務實現節點設計庫的覆蓋，才有利于型鋼鋼管混凝土框架體系的建立與應用，進而實現基于BIM技術的型鋼鋼管混凝土框架體系的推行與應用。