淺談BIM 技術在鋼結構工程中的應用

劉文旭

（中鐵二十一局集團路橋工程有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著信息技術的快速發展和建筑行業的不斷進步，BIM 技術已逐漸成為現代鋼結構施工過程中的重要工具。BIM 允許多專業團隊在同一模型上同時工作。對于鋼結構設計而言，結構工程師、建筑師、機電工程師等利用BIM 技術能夠實時共享和更新信息，自動生成鋼結構的施工圖；如平面圖、立面圖、剖面圖和節點詳圖等，將其與設計模型關聯，如果設計發生變更，相應的施工圖會自動更新，從而節省時間并減少人為原因導致的錯誤。還可將時間元素整合進三維模型中進行4D 建模，通過仿真施工過程來優化施工順序和時間表，有助于規劃吊裝順序、物流管理以及現場管理。因此，在鋼結構工程施工中應用BIM 技術具有很強的指導價值和現實意義。

1 傳統鋼結構施工中存在的問題

1.1 設計圖紙與現場矛盾多

施工前期設計只能通過二維圖紙表現，缺乏圖紙與其他相關專業之間的有效銜接，導致項目各階段之間的銜接出現差錯，特別是鋼結構與其他主體結構和安裝工程的協調問題。此外，在前期設計中，由于綜合規劃不夠周全，經常發生鋼結構元素與建筑的其他結構或設備安裝存在空間碰撞，此類沖突可能是因為在設計時忽略了某些專業之間的交叉影響，或者是各專業間溝通不充分導致相互協調配合不暢。上述問題如果不能夠在早期發現并解決，將會增加后續變更，難以控制施工成本。同時，前期規劃設計文件中細節較少，會使得現場作業中需要進行臨時規劃，而臨時決策通常基于經驗而非詳盡的設計依據，這便增加了后續設計變更的風險，甚至產生返工現象。除此之外，設計變更或返工不僅僅增加了額外的勞務和材料成本，同時也打亂了原有的施工計劃。從時間安排上看，返工會延長竣工結算時間，影響施工計劃，從而降低企業市場競爭力。在質量控制方面，頻繁變更會導致建筑和原設計標準差異過大，而偏離設計標準極易導致關鍵參數的有效性下降，例如，節點受力、強度無法適應變更后的建筑結構等，從而影響產品的質量[1]。

1.2 預制件質量控制不足

傳統的鋼結構設計流程往往缺乏靈活性，導致無法根據施工現場的實際條件對設計方案進行有效調整。設計師可能無法完全理解或預料到施工過程中會遇到的問題，從而造成設計在施工階段難以實施，影響預制件的生產與安裝質量。其次，傳統方法中，構件不能被有效地分解為零件級別，在生產和組裝過程中造成諸多不便。這種粗放的模塊化水平無法滿足復雜結構和緊密配合部位的精細化要求，導致在實際施工中需要頻繁進行現場調整和修改，給質量控制帶來極大挑戰。

1.3 構件接口、安裝位置協調較差

在傳統施工流程中，設計階段往往沒有給出清晰和完整的構件配合細節，使得節點接口處可能存在尺寸上的偏差或不匹配。這種設計上的缺陷在施工現場通常都難以處理，尤其是在大型或復雜結構中，接口不匹配會直接影響到整個項目的進度、質量和安全。其次，現場安裝位置的協調也同樣困難重重。施工圖紙和實際情況之間經常存在差異，加上現場條件可能與預期不符（如地形、已有建筑物等），導致實際的安裝位置需要調整。在沒有有效的協調機制和準備不足的情況下，現場調整往往是臨時性的，不僅增加了工作量，同時也造成了施工質量的不可控性。

因為預先規劃不周，構件的運輸與存放也成為問題。如果構件在到達施工現場前未能得到適當的標記和排序，將會造成現場人員在確認每個構件的確切安裝位置時發生混亂和延誤。同時，還增加了構件損壞的風險，進一步影響施工效率和質量控制。最后，時間緊迫和成本限制往往迫使在沒有完全解決接口和位置協調問題的情況下開始施工，從而造成項目后續階段整改和返工的壓力。這一系列問題將會大大增加工程風險，可能導致結構安全性問題，影響了整個項目的交付使用計劃和經濟預算[2]。

1.4 現場管理數字化程度較低

在傳統鋼結構施工中，現場數據采集和更新通常依賴于人工記錄和傳遞，缺乏高效的數字化手段。例如，施工進度、質量檢測、材料消耗等數據往往需要手動記錄，并通過紙質或電子表格的方式進行傳遞。這種方式往往會存在信息滯后和筆誤的問題，導致無法實時獲取項目的最新狀態和準確數據。此外，由于施工現場監測和控制手段相對落后，質量檢測仍依賴于人工抽樣和實地測試，缺乏自動化和遠程監測手段，時效性不強。

2 鋼結構施工中BIM 技術的應用策略

2.1 利用BIM 技術進行施工規劃

通過BIM 模型進行施工前的全面規劃，確保施工過程中的每個步驟都經過精確地計劃和協調。BIM 模型能夠詳盡地反映每個裝配構件的尺寸、位置以及與其他構件之間的關系，使得鋼構件組裝能夠以最小的誤差精確對應到現實中的構件，圖1 為單層鋼結構模型。另外，施工管理人員利用BIM 技術能夠較精準的安排和模擬各構件的吊裝過程，從而優化吊裝順序，避免現場資源的協調沖突。例如，BIM 模型能夠指導起重設備的規劃布置，預測和解決其中可能發生的路徑沖突，從而使得每個構件的安裝都得以在安全和高效的環境中進行。

圖1 單層鋼結構模型

管理團隊還可通過BIM 模型確保材料的及時到貨和正確存儲計劃，利用三維模型模擬，精確規劃材料的存放位置、到貨時間和使用順序，減少現場混亂并提升材料使用效率。此外，BIM 模型還可用來規劃臨時設施、施工現場的出入路徑以及安全撤離路線，確保施工過程中所有的臨時設施既能夠滿足施工需求，又不干擾正常的施工活動[3]。

2.2 預制構件追蹤與質量控制

BIM 技術與預制構件的追蹤及質量控制緊密結合，核心目標是確保每個構件從生產到安裝過程中的品質以及時空位置信息的準確性和可追溯性。首先，鋼構件在預制加工階段即開始應用BIM 技術進行詳細記錄，可精確地獲得BIM 軟件生成的每一部件的數據信息資料，包含材料屬性、幾何尺寸、設計規范等關鍵信息。這些信息被編碼至二維碼或RFID 標簽中，并隨附在相應的構件上。其次，在構件加工中，加工人員可通過掃描這些二維碼或RFID 標簽，自動將實時數據回傳至中央數據庫，以供工程管理人員檢查。此舉不僅能夠實現實時監控，還能夠將每一步質量控制數據與BIM模型中的預期標準進行比對。如果發現偏差，可以立刻啟動糾偏流程，確保每一個出廠的鋼構件都符合設計要求。此外，BIM 技術與物聯網（IoT）設備協同作用，可建立鋼結構建筑施工的系統管理平臺，將施工、運輸、安裝一體化管理，可提升現場施工的準確性。構件在出廠時被賦予一個唯一的ID，配合GPS 定位設備，構件在運輸到施工現場的路途中的每一個位置變化都可以實時監控，到達現場后施工管理人員可通過掃描構件上的標識立即與BIM 模型同步，檢查是否為正確的構件和是否完好無損。通過BIM 模型輔助的AR 技術，施工人員可以直觀地看到每一個構件在整體結構中的確切位置，這樣可以大幅減少安裝錯誤的發生概率。最后，施工團隊可通過掃描構件ID 確認安裝位置，并使用移動設備記錄安裝狀態和時間，更新至項目的BIM管理系統中。在整個安裝過程中，任何與設計模型不符的情況都會被系統記錄并提示施工團隊進行調整[4]。

2.3 節點接口的精密協調

BIM 模型在設計階段就確保了每個鋼結構組件的接口設計滿足精確配合的要求。通過三維模擬，設計團隊可對接口詳圖進行精細化建模，包括螺栓孔的位置、焊接接縫的詳細信息以及其他連接配件的精確尺寸，這些都在BIM 模型中得到了詳盡的體現。此外，BIM 模型還能夠提供一個可視化平臺，用于模擬裝配過程。施工團隊通過使用BIM 模型演示預制構件的吊裝和裝配過程，有助于提前識別和解決可能產生的空間位置沖突，確保現場實際安裝時，每個構件均能夠精確精準對位[5]。

在吊裝準備階段，可通過BIM 模型精確地分析并選擇最有效的起吊方案。由于BIM 模型提供了各種構件的詳細信息，如重量、尺寸和吊點位置，項目管理團隊可以據此選擇恰當的吊裝設備，并規劃無碰撞的吊裝路徑，確保整個吊裝過程既高效又安全，圖2 為吊裝模擬。施工前運用BIM 技術來優化現場物流，通過模擬施工的各個階段，管理團隊能夠針對材料和設備的運輸、存放制定出周密的計劃，確保吊裝作業時所需資源的有序流動，避免現場堵塞和混亂。在吊裝過程中，依靠BIM 技術實現實時監控指揮，采用AR 設備和移動端應用程序，施工人員能夠獲得構件在三維空間中正確位置的直觀表示，輔助他們將構件精確地放置到設計位置。通過集成傳感器和攝像頭等遠程監測系統與BIM 模型，實時收集關于吊裝過程的數據，如設備狀態和構件位置，并將其同步至BIM 系統中。同時，在收集相關數據后可用于確保操作的安全性和保證符合預定的品質標準。最后，一旦現場監測到構件的裝配偏差，BIM 模型可用于分析原因并提供調整方案，及時修正問題以保持接口的精密配合，這種閉環反饋機制確保裝配式接口的精密協調得以在整個施工過程中持續維持[5]。

圖2 吊裝模擬

2.4 數字化現場管理

數字化現場管理可使用BIM 技術建立全面的三維信息模型，為現場管理提供了實時更新的數字化平臺。該模型整合施工圖紙、材料清單、施工計劃和進度等關鍵信息，為現場管理提供資料保障。項目管理團隊可通過這個平臺進行日常的管理工作，如進度跟蹤、資源分配和協調溝通。

管理人員可基于BIM 模型在現場安裝各種傳感器和掃描設備，如RFID 標簽讀取器和三維激光掃描儀，建立實時數據捕捉系統。這種實時數據反饋機制使得項目管理團隊可以迅速響應現場的變化，適時調整施工計劃和資源配置，確保施工進度與計劃同步。

利用移動智能終端技術與BIM 模型相結合，提高信息傳遞的速度和準確性。施工團隊可通過平板電腦和智能手機等移動設備，隨時訪問BIM 模型中的信息，如設計細節、材料規格和安裝指南。這種移動接入解決了查看技術文件場所和時間的局限性，減少了紙質圖紙和文件的使用，大幅提升了工作效率，并降低了因信息滯后或傳遞不準確導致的錯誤。

安全管理方面，在鋼結構施工中，通過BIM 技術創建相關模型，可以清晰地展示出施工過程中的關鍵環節和注意事項，對安全風險進行前期分析評價，并提前規劃安全措施，實時開展事中安全控制應用輔助、實現安全進度事后評價應用，有效避免因理解不到位而引起的安全事故。

質量管理方面，可通過實施數字化檢查清單和質量審核流程，增強信息追蹤和責任制，確保每一步施工都是按照既定流程和標準執行，減少人為錯誤。應用數據分析工具可以對收集的質量數據進行深入分析，識別質量趨勢和潛在風險，從而提前采取預防措施，持續改進工程質量。

進度管理方面，BIM 技術可以對施工計劃進行模擬，將施工計劃與模型相結合，實現施工進度的可視化管理。項目管理人員可以通過BIM 技術實時監控施工進度，及時發現延誤情況，迅速進行調整，避免工期延誤和造成的經濟損失。

成本管理方面，BIM 技術可以更好地支持鋼結構的深化設計和加工，降低成本風險。通過BIM 技術可以更精確地計算材料用量，提高材料利用率，從而節約成本。同時，BIM 技術還可以幫助管理人員對項目成本進行實時監控，及時發現成本超支問題并采取措施加以解決。

3 結語

綜上所述，BIM 技術在鋼結構施工過程中的應用正逐漸展現出其巨大潛力和價值。通過數字化建筑信息模型的創建和管理，BIM 技術可以促進設計、采購加工和施工各個階段的協同工作，提高項目的效率和質量，并降低成本和風險。然而，要充分發揮BIM 技術的優勢，還需要解決一系列挑戰和限制，例如，加強數據準確性和完整性的控制，提高現場人員的技術知識和實際操作能力，推動BIM 技術與傳統施工方法的有效融合等。未來的研究和實踐應該注重這些問題，并致力于尋找創新的解決方案，以推動鋼結構施工行業向數字化轉型邁進，實現更加高效、安全和可持續的建筑工程。