BIM技術在裝配式鋼結構住宅建設中的運用

文＿羅安仲（廣西交通職業技術學院，講師、工程師）

彭 來（廣西交通職業技術學院，講師、工程師，碩士）

劉 芳（廣西交通職業技術學院，教授、工程師，碩士）

梁承龍（廣西交通職業技術學院，講師、工程師，碩士）

隨著國家綜合實力不斷增強和建筑行業技術的不斷創新，低能耗綠色可持續建筑已成為主流發展趨勢。裝配式鋼結構住宅因其建筑污染少、抗震性能好、裝配度高、便于后期操作和維護等優點而獲得大力推廣。2020年新型冠狀病毒疫情暴發期間，以武漢“火神山”“雷神山”醫院為代表的裝配式鋼結構建筑成功完成了應對嚴重危機事故的快速施工任務。利用BIM技術建立的具有一定深度的建筑結構信息模型，可用于結構計算與分析、結構正設計、制造裝配式鋼結構的深化設計、現場智能施工的基本模型以及施工交付后期的維護、運營和改造。它可以實現建筑虛擬與建筑單元的整合，創建建筑數字孿生兄弟，幫助國家建設數字智能城市。研究BIM技術在裝配式鋼結構設計階段的應用同樣具有重要意義。BIM是建筑信息模型的縮寫，模型的核心是包含所有建筑信息的數據庫，相關人員可以通過調整數據庫中的信息來調整建筑模型。BIM的3D可視化功能可對模型執行碰撞檢查，并根據結果優化和更改模型，降低施工風險和返工率。預制裝配式鋼結構住宅是指將工廠加工的鋼制件和構件運輸到施工現場后再進行連接形成的住宅。因此，只有在設計階段盡可能多地使用標準化尺寸部件，才能實現建筑施工的最大效率。

一、裝配式鋼結構住宅建筑構件庫的建立

基于BIM的裝配式鋼結構住宅設計應為標準和通用鋼構件創建統一的裝配式構件庫。其創建通?？煞譃榱鶄€步驟：組件分類選擇、組件編碼、組件生產、驗證、存儲和數據庫管理。如果承重構件是根據常用的制造結構系統分類的，則不需要單獨設計主要部件；如果是根據不同的結構系統分類，則主要部件通常不是通用的，需要單獨設計。組件分類的整個過程如圖1所示。

圖1 組件分類

組件庫中的組件應具有準確和簡短的名稱。由于制造結構預制構件的特殊性，UNIFORMAT II的分類系統可作為添加和刪除相應構件信息的參考。預制鋼筋的選擇考慮了跨度、荷載、鋼筋種類和其他影響因素，忽略了其他次要因素。預制梁、柱和柱的編碼如圖2所示。

圖2 編碼情況分析

預制構件的信息創建應基于3D模型添加幾何與非幾何信息。添加完成后檢查員必須逐個檢查部件信息，并對部件進行注釋說明。在確保每個預制部件注釋的唯一性后，才可將組件信息上傳到現成的組件庫。BIM技術在裝配式鋼結構規劃中的應用表現為實際結構計算模型和BIM模型的轉換，轉換后的BIM模型解決了傳統結構規劃中存在的沖突問題，并為類似基于BIM技術的設計方法總結了經驗。

二、BIM技術在裝配式鋼結構住宅建設中的運用

（一）創建BIM結構信息模型

創建BIM模型有兩種方法：第一種方法是根據建筑設計方案中的信息創建模型；第二種方法是根據建筑物的二維繪圖方案，確定建筑物內部的結構和功能要求（包括柱的位置和距離）并創建模型。

第一種方法需基于統一的BIM設計平臺。架構專家在規劃階段提供架構模型，通過軟件交互手動創建結構布局。將完成的BIM結構模型通過數據接口導入結構工程軟件，在其中簡化模型、修改和改進計算，調整BIM結構模型，直至最終交付。這種方法的缺點是目前國內的建筑規劃周期很短，在建筑方案設計階段沒有考慮創建建筑結構模型。如果以后的建筑設計發生了重大變化，則必須先在BIM結構模型中對其進行修改，再將其導入計算軟件，進行計算和修改。雖然可以使用計算結果模型修改Revit結構模型，但由于現有靜力學計算軟件中數據交互存在缺陷，計算結構模型與Revit模型的耦合變化會更加煩瑣，不利于結構方案的選擇。

第二種方法是由建筑專業人員提供二維施工平面圖、高度圖和剖面圖，在結構計算軟件中逐層創建相應的結構計算模型，然后在計算和分析完成后將其與BIM結構模型鏈接，最終實現二維或三維遞送。其優點是結構計算模型簡化后更便于結構分析和結構方案的選擇。缺點是結構計算模型是簡化后的模型，從Revit軟件導出后，有許多部分需要改進，如裝配式鋼結構下降板、鋼筋結、樓梯結等，因此效率不高。但是只要制定了適當的BIM規則和標準完善的組件族庫，就可以有效避免此方法的缺陷，提高設計效率。兩種建模方法的優缺點對比見表1。

表1 建筑信息模型建立的方法優缺點對比

Revit（BIM模型的族庫）中的族文件是由單元組成的最基本單元和構件。Revit中的所有圖元都是基于單個族定義的，單個族文件具有自己的大小、形狀、族類型、屬性和名稱，可以通過控制參數快速修改族。由于Revit系統自帶的族文件無法滿足各種項目的要求，因此通常需要通過Revit的自建族功能創建所需的族文件，或調用外部平臺的族文件以滿足要求。族庫的建立和完善主要采用自建族的方式來完成復雜裝配式鋼結構節點的設計。通過為一些非通用節點建立新族，當類似的項目使用該節點以提高設計效率時，可以擴展并直接調用現有族庫。公司通常會建立自己的族庫平臺或定制特殊的公共族庫，以便于族庫檔案的統一管理和提高使用效率。對于裝配式高層裝配式鋼結構住宅項目，預制構件與主體結構之間的連接必須由自建族庫進行。目前，國內許多軟件開發商已經發布了公共族庫的插件，如宏華科技的族庫大師、光聯達組件塢、宏業科技的云家庭360族庫、橄欖山族庫等免費族庫。這些族庫的優點是擁有更多的數據資源，整合了所有的社會資源，避免了重復性工作和資源浪費；缺點是缺乏良好的統一管理，缺少相應的搜索引擎，不方便調用。

（二）BIM模型樣板文件

Revit樣本文件是項目模型文件的規則文件，是用于指定模型中的各種圖元、族文件和視圖的標準。模型文件有助于文檔的標準化和統一，可以顯著提高模型構建和協同設計的效率。在積極設計的過程中，各專業可以使用統一、協調設置的模型文件，也可以根據各專業的需要使用模型文件。正向設計中的模型文件通常包含設計公司自己的框架和標簽、與CAD圖層相同的線型設置、各種所需視圖、網格高度、族文件等。

高層裝配式鋼結構住宅的BIM建筑模型通常是分層構建的，而BIM結構模型通常使用便于轉換和適應的結構計算模型來構建。不同專業的設計方法不同，BIM結構模型的構建應取決于建筑模型，以確保建筑效果。由于房屋類型的一致性，高層裝配式鋼結構住宅項目具有標準樓層的概念，即每層結構設備的布局基本相同，只有細微的變化，因此住宅項目的模型通常分為標準樓層和詳細模型。BIM建筑模型的構建主要分為以下步驟：（1）創建模板文件；（2）控制模塊文件；（3）更改與默認層不同的每個層的位置；（4）復制監控結構鋼柱支撐的位置，調整建筑布局；（5）填寫模型摘要。

BIM結構模型的構建主要分為以下步驟：（1）模板文件的設置；（2）控制模塊文件；（3）根據建筑物的特點，對結構的計算模型進行分層轉換；（4）根據建筑布局調整模型中結構構件的位置；（5）補充計算模型中缺少的組件，例如建筑樓梯；（6）填寫模型摘要。

構建BIM結構建筑模型關鍵節點族文件的步驟如下所示。

（1）樓梯節點：預制混凝土樓梯具有三個優點。一是形狀質量易于控制，預制樓梯在工廠制造，形狀統一。鋼筋易于綁扎，不易出錯。二是現場施工簡單，施工現場以干作業為主，濕作業較少，無須模板施工和鋼筋膠帶，吊裝方便。三是預制樓梯與主體結構的分離減少了預制樓梯對整體結構的剛度影響，現場安裝速度快，安裝后即可使用，方便施工。目前，傳統做法是在預制混凝土樓梯兩端預留安裝孔，將鋼梯梁頂部的螺栓焊接到安裝孔中，并在鋼梁上翼緣放置聚四氟乙烯板，以減少預制樓梯與主體結構之間的摩擦面。這樣，孔和螺栓直接形成的空腔在密封時滿足建筑標準要求后，可減少預制樓梯水平振動對整體結構的影響。這種類型的預制混凝土樓梯一端有鉸接支撐，另一端有滑動支撐，以避免彎曲力矩對支撐處整體結構的不利影響。BIM信息模型中的3D顯示可以更直觀地增加施工人員對該節點的理解。

（2）梁柱節點：鋼梁與鋼柱之間的連接根據鋼梁對鋼柱的受力剛度（轉動剛度）大致可分為三類：鉸接節點、半剛性節點和剛性節點。在高層裝配式鋼結構建筑中，鋼梁與鋼柱之間的連接一般采用剛性連接設計。采用相同強度的連接，除了可在梁端傳遞剪力外，這種連接還可以傳遞梁端部的彎矩，并保持連接構件的連續性。剛性連接通常采用螺紋連接和焊接。

（3）外墻板節點：外墻板是一種非承重墻板，它使用特殊的連接件與主裝配式鋼結構連接。外墻系統與主體結構系統之間的連接形式可以是嵌入式、外置式或組合式，連接時應設置分層懸掛或支撐。本工程外墻板采用的是安徽富煌裝配式鋼結構公司開發的“下承上拉”連接節點，通過頂部懸掛和底部支撐以達到與主體結構的穩固連接。

（4）地面相關節點：住宅樓板支撐板由于其施工方便且不需要承重元件的優點而被廣泛使用。在裝配式鋼結構建筑中，住宅樓組合樓板與鋼框架的連接通常以樓板四邊的鋼筋為節點。組合樓板與鋼梁之間的連接則是通過在鋼梁上部打入螺栓后澆筑混凝土來實現。在組合樓板與鋼柱的連接處，必須將角鋼焊接在組合樓板的鋼材下或與相鄰鋼梁上的角鋼連接，形成45° 三角形支撐。

（三）BIM模型數據轉換和優化

Revit建筑模型和結構分析模型目前以兩種方式進行轉換：一種是創建IFC標準文件，并將IFC文件用作數據傳輸的橋梁；另一種是基于Revit二次開發的插件，可將模型文件轉換為所需的格式文件。基于Revit API的二次開發插件可以有效解決指定軟件格式的數據交互問題，在特定操作環境下開發的Revit插件將更有利于指定模塊的操作，如數據傳輸插件、裝配式鋼結構插件、用于安裝施工的插件和用于道路和橋梁設計的插件等。如今，工程師已經針對Revit和結構分析軟件之間的接口開發了許多復雜的插件，如PKPM-BIM、Yjk for Revit、3D3S和TSRevit。本文以阜陽某高層住宅工程為例，采用兩種方法將結構計算模型轉化為結構信息模型。第一種方法是將PKPM計算文件和YJK計算文件數據轉換為Revit；第二種方法是使用PKPM BIM平臺將PKPM計算模型導入PKPM-PS和PKPM DetailWork軟件。經過測試，發現PKPM的深化軟件存在一些不可避免的信息錯誤。數據加載完成后，將建立Revit與靜態計算分析軟件之間的通道，并在比較截面后獲得相應的Revit模型。表2顯示了不同軟件轉換前后的BIM結構模型單元數統計結果。

表2 統計結果

通過對轉換前后BIM結構模型組件數量和轉換前后BIS結構模型組件數量的統計分析可以確定垂直組件（如立柱和垂直立柱）的數據在交互過程中沒有丟失。比較發現，在導入鋼梁等水平鋼筋的過程中，BIM裝配式鋼結構軟件會將一些主梁或次梁與次梁切割成一個完整的鋼梁，鋼梁數量因此減少，但在結構分析和計算軟件中，由于節點斷裂問題，桿的數量會有所增加。因數據交互過程中信息丟失的原因相對復雜，本文在此不做詳細討論。

BIM模型鋼節點數據轉換是裝配式鋼結構建筑中最復雜的部分。結構計算與分析軟件PKPM和YJK均包含裝配式鋼結構圖節點計算模塊，這些模塊通過讀取主框架結構的計算結果，生成整個建筑的三維節點和二維節點結構圖。因目前國內開發的插件沒有完善的數據轉換功能，故將裝配式鋼結構節點導入BIM結構模型有兩種方式：（1）使用數據轉換接口，通過空間坐標定位等方法，與用于Revit和PKPM-PS軟件的Yjk類似。（2）使用數據轉換接口將荷載和計算結果導入原始結構計算模型到BIM結構模型中，與Explorer Steel Structure BIM插件TSRevit-T3PT類似。示例工程采用了這種方法，使用的軟件為Yjk for Revit2020、TSRevit for 2020-T3PT和PKPM-BIM2.3。

值得注意的是，通過Yjk for Revit 2020導入的裝配式鋼結構節點僅保留次梁的鉸接連接，鋼柱與主梁之間的連接節點嚴重丟失。但是，TSRevit重新計算生成的裝配式鋼結構節點正好相反：只生成了鋼柱和主鋼梁之間的連接節點，次梁的鉸接連接丟失。如果要獲取所有鋼梁節點，則需要將這兩個節點生成的模型節點組合起來。

從圖3分析轉換后的BIM模型中可以看出，為滿足當前項目的需求，該模型需要進行相應調整。（1）調整格柵并確定其尺寸。結構計算軟件中的結構計算單元和分析模型單元位于同一軸上，因此軸的數量大且無序，需按照國家設計標準重新編號，保留主軸并標記網格，讓每個階段的此類模型可以在相同的標準尺寸下共同設計，這有利于改進后期設計。（2）級別更改。住宅樓承板短跨兩端置于結構鋼梁頂部，住宅樓底部支撐板的大跨度方向末端通過螺栓與鋼梁抗剪。因此，鋼梁頂部高度應等于建筑高度減去施工實踐和樓板厚度之和。經過比較，在未處理樓層高度之前，鋼梁和混凝土樓板處于同一高度，這與實際情況不符。處理后的地板應放置在鋼梁的上翼緣上。（3）調整組件連接。為了避免前文提到的組件連接的交叉布線問題，應調整連接位置。

圖3 擬設計住宅樓的整體BIM模型

裝配式鋼結構建筑與高層混凝土住宅相比，節點類型很多，而節點是完成高層裝配式鋼結構住宅的關鍵因素，涉及住宅防水、防火、隔熱和隔音等方面。如果處理不當，可能會出現冷橋效應導致墻板開裂，發生安全事故。一般來說，結構專業人員在設計裝配式鋼結構建筑時會匯集大量相同類型的節點，以降低設計難度和經濟成本，這種設計方式最容易在主體結構和墻板之間的連接節點及外墻板之間的連接節點出現問題。由于構件連接精度不足，連接質量低，在施工過程中會出現墻體開裂、墻板縫隙和滲漏量過大的現象，削弱了建筑的防水性能和保溫效果。BIM技術的應用可以有效地避免上述問題，基于BIM模型的可視化功能，設計人員可以模擬這些問題進行并提前進行糾正。在此基礎上，運用虛擬裝配技術調整和控制組件連接方式，確定偏差范圍，以確保其功能在實際施工中不會受到損害。施工結束后，BIM信息管理系統可將現場完工情況傳輸至BIM質量管理系統，使監理和規劃師能夠審查其設計和施工效果，為項目施工質量提供有效保障，如圖4所示。

圖4 預制構件信息聯系

三、結語

隨著時代的進步，傳統的建筑技術施工方法已不能滿足當今的需要。裝配式鋼結構建筑已成為建筑產業的主力軍。BIM技術可以通過建立建筑信息模型來優化裝配式鋼結構建筑的設計、施工、管理、運行和維護等環節。本文總結了BIM技術在現階段高層裝配式鋼結構住宅結構設計和應用中的研究成果。依托某安置小區裝配式鋼結構高層住宅實際項目，校核體系的實用性和安全性，研究BIM技術在高層裝配式鋼結構住宅結構設計階段的應用價值。