BIM技術在鋼結構設計與施工中的集成優化策略研究

摘 要：本文通過案例分析，探討了BIM技術在鋼結構設計與施工中的集成應用。BIM可視化設計可優化方案，聯動結構計算提高設計效率，多專業協同減少問題；參數化建模提高設計精度，自動提取施工資料縮短周期；BIM數字化指導優化鋼結構預制、運輸和吊裝，監控提升施工安全；BIM實現設計與施工信息共享，不同專業有效協作，對項目全過程實施精細化管理；設計與施工通過BIM模型深化交流、及時反饋、動態更新，可減少變更，確保質量；建立統一信息標準體系，降低傳遞錯誤；BIM技術實現鋼結構設計優化、施工集成，提高工程質量和管理水平。還應繼續推廣BIM在鋼結構項目中的應用，發揮其輔助設計、過程控制、信息協同的綜合優勢。

關鍵詞：BIM技術；鋼結構設計；鋼結構施工；優化設計文章編號：2095-4085（2024）09-0110-03

0 引言

建筑信息模型（BIM）技術作為先進的設計、施工與管理手段，在鋼結構工程領域發揮著重要的作用。BIM技術通過建立詳細的參數化三維模型，實現了設計的可視化和信息化，有助于進行方案設計、結構計算、專業協同等，顯著提高了鋼結構設計的效率和精度。同時，BIM模型直接提取的施工資料，加快了施工準備。數字化指導優化了鋼結構的預制制作、運輸與吊裝。BIM監控與質量控制提高了現場施工的安全性與質量水平。BIM實現了設計與施工階段信息的共享與反饋，不同專業和部門的有效協同， 為鋼結構項目提供了全過程的精細化、數字化管理。

1 BIM技術在鋼結構設計中的應用

1.1 BIM輔助鋼結構設計

BIM技術在鋼結構設計中創建了詳細的三維數字模型，包括構件、連接關系、規格和材料屬性。這提供了直觀的結構了解，有助于從設計的多角度查看選項幫助發現和解決問題，其與結構計算軟件集成，實現信息共享，避免了重復建模。BIM技術將計算結果直觀呈現在模型上，為鋼結構設計提供了強大的評估工具。不同專業設計團隊可以在共享模型上協作，減少沖突風險，例如，位置關系核驗有助于協調。BIM技術綜合考慮和優化鋼結構設計，為高效實施提供了堅實基礎（如圖1）。

BIM模型包含構件詳細信息，可快速提取構件數量、規格等數據生成量統計表，為成本預算提供依據。直接提取的施工圖可避免重復制圖，縮短了施工圖設計周期。并可減少設計修改，有效控制設計質量和節省設計成本。

1.2 BIM實現鋼結構信息化管理

BIM技術在鋼結構項目全生命周期中有廣泛應用。它不僅建立了詳細的三維模型和設計信息的可視化展示，還通過與企業信息化平臺的數據共享支持工程計量和進度跟蹤等信息化管理。這提供了高效運營所需的支持，并在施工過程中迅速生成數字化施工交底資料。采用RFID等技術進行精確數字化管理，可減少誤差，提高工程質量［1］。它為運維階段提供了有價值的數字化數據資源，將BIM模型轉化為運維平臺數據庫，繼續發揮信息平臺的作用。利用BIM和移動互聯網技術，可以實現智慧工地，通過實時數據監測和分析提前識別潛在問題，自動化協調工序，優化資源利用，有效控制項目質量、進度和成本。

1.3 BIM提高鋼結構設計精度

在一座總高度達150.5m的超高層混合結構項目中，采用BIM技術顯著提高了鋼結構設計精度。項目包括地上34層和地下3層，具有復雜的結構設計。地下部分采用鋼筋混凝土框架核心筒-外框筒結構，而地上部分采用中心核心筒與外圍鋼腰臂懸挑體系。總計約35 000t的鋼結構用鋼量。設計團隊利用Tekla結構軟件創建了詳盡的三維鋼結構BIM模型，準確表征了幾何形狀、接頭詳情和構件規格等信息。這一應用帶來了以下主要效益。

（1）節點精度控制在±5mm以內，簡化了節點銜接，減少了返工。

（2）自動生成鋼材切割圖紙，減少了60%的人工作業，切割誤差控制在±1mm以內。

（3）直接提取工藝文件，減少了70%的制定工作。

（4）鋼構件預制裝配精度達到了±2mm。通過BIM的應用，該項目實現了全過程的精細化管理，顯著提高了設計與施工精度，降低了制作安裝難度，確保了鋼結構工程的高質量完成［2］。

2 BIM技術在鋼結構施工中的應用

2.1 BIM實現鋼結構數字化施工

在高層商業綜合體項目中，施工單位采用BIM技術進行數字化和信息化管理。他們建立了BIM云平臺，將工程數據和圖紙數字化，實現了實時共享。通過BIM模型直接提取2D施工設計圖，減少了60%的制圖工作。采用QR碼等技術對鋼構件進行標識和信息化管理，包括編號、規格、來源等。通過BIM模型進行4D模擬施工，優化了施工流程，減少了10%的工期。并使用了手機App進行鋼筋綁扎質檢、焊縫檢測等過程的質量控制和信息反饋。借助BIM數字化監管系統，實時監控鋼結構施工，可確保安全生產［3］。施工完成后，將BIM模型轉化為項目數據管理平臺，實現了后期運維的數字化管理。這些數字化舉措使項目實現了智慧和信息化的鋼結構施工管理，確保了工程質量和安全。

2.2 BIM提高鋼結構施工精準度

在一項涉及曲率復雜的大跨度空間鋼結構項目中，采用BIM技術顯著提升了施工精準度。主要鋼結構采用圓弧轉角雙層網格體系，長軸跨度達220m，使用約10 000t鋼材。通過Tekla結構軟件創建的詳盡BIM模型實現了復雜曲面的數字化表達，產生以下效果。

（1）通過提取BIM模型生成的裝配圖，確保了節點銜接尺寸精度控制在±5mm以內。

（2）利用BIM模型導入的光體掃描技術，實現了主體結構場內裝配的控制精度達±2mm。

（3）基于BIM的裝配過程監控，提高了裝配效率，整體裝配速度提升40%。

（4）借助BIM數字化指導，優化了鋼結構吊裝和場內安裝，裝配效率提高了30%，減少返工量超過50%。

（5）實現了鋼結構的信息化養護管理，提升了養護質量。通過BIM技術應用，該項目成功達到了設計要求的鋼結構裝配精準度，確保了施工項目的高質量完成。

2.3 BIM優化鋼結構施工組織設計

BIM技術在宿遷市激光智造小鎮孵化器項目的鋼結構施工組織設計中發揮了關鍵作用。采用4D BIM模型，模擬施工環境，評估布置方案，優化總體施工策略。通過模擬關鍵工序，實現最佳施工流程的精準規劃，從而提升整體方案效率。BIM模型提供構件信息，幫助合理分批生產結構構件，確定最佳施工供應順序。碰撞檢測能提前發現問題，優化運輸和吊裝方案。通過施工仿真評估吊裝方案效率，選擇最佳設備和機械。經過技術與經濟比較，最終確定了總體施工和機械選型方案［4］。BIM技術顯著提高了鋼結構施工組織設計質量，能確保施工方案可行性，推動項目順利進行。

3 利用BIM技術實施集成化優化策略

3.1 設計與施工數據交互實現信息共享

利用BIM技術實施了集成化優化策略，特別是在設計與施工數據交互實現信息共享方面，采取了多項關鍵措施。設計單位采用BIM軟件創建了包含詳細參數信息的鋼結構三維模型，并通過標準化的信息交換格式如COBie，將這些模型數據整合成信息化交付表單。施工單位導入設計BIM模型數據，并進行鏈接，添加了與施工相關的參數，從而形成了工程施工BIM模型。雙方利用BIM模型實現了深化設計結果的即時交流反饋，可確保模型動態同步更新（如圖2）。

施工單位可以直接從模型中提取所需的施工資料，包括施工設計圖紙、材料清單和構件信息等。還建立了基于BIM的通訊平臺，實現了設計和施工階段的信息共享，以及及時反饋和優化設計方案。施工單位利用BIM技術對施工進行監控，并將數據反饋給設計單位，以完成模型閉環更新。這一系列措施有效協同了設計與施工的不同階段，顯著減少了設計變更，從而提高了工程質量。

3.2 建立統一的信息標準化體系

設計單位采用BIM軟件創建了包含詳細參數信息的鋼結構三維模型，并通過標準化的信息交換格式如COBie，將這些模型數據整合成信息化交付表單。接著，施工單位導入設計BIM模型數據，并進行鏈接，添加了與施工相關的參數，從而形成了工程施工BIM模型。這種無縫的數據交互確保了設計和施工之間的協同工作。設計人員和施工團隊之間通過BIM模型實現了深化設計結果的即時交流反饋，可確保模型動態同步更新［5］。這種實時協作有助于迅速發現和解決潛在的設計問題，從而顯著減少了設計變更，提高了工程質量（如圖3）。

施工單位直接從BIM模型中提取所需施工資料，包括設計圖、材料清單和構件信息，可節省時間、減少重復工作，進而提高效率。同時，建立基于BIM的通訊平臺，能促進設計與施工信息共享，及時解決問題、優化設計。施工單位使用BIM監控施工過程，并反饋數據給設計單位，實現了模型閉環更新。這一系列措施降低了項目的不確定性，確保了工程質量。建議建立統一信息標準，確保各方遵循相同數據標準，以減少信息傳遞混亂與錯誤，提高項目管理的一致性和效率。

3.3 加強多方協同，實施全過程管理

通過BIM技術建立信息共享平臺，促進了設計和施工單位之間的密切合作。這使得即時反饋和動態同步更新成為可能，有助于迅速解決設計問題，減少設計變更，提高工程質量。同時，采用基于BIM的通訊平臺，可以促進信息共享、問題解決和設計方案的優化，從而提高項目管理效率。通過統一信息標準，可確保數據的一致性，減少信息傳遞混亂和錯誤，提高項目管理的一致性和效率。在施工階段，利用BIM技術進行數字化監控，實現模型閉環更新，可以有效控制工程質量和進度。借助手機App等工具進行質量控制和信息反饋，能確保施工高質量完成，實現智慧工地，提升管理水平和生產效率。

4 結語

BIM技術是鋼結構項目優化設計與施工的關鍵。可視化設計、高效協同和多維模型提高了設計與施工質量，實時監控和數據交互增強了施工安全和管理效率。其諸多優勢使其成為實現設計優化與施工集成的關鍵技術，值得廣泛推廣。

參考文獻：

［1］潘存瑞，吳星蓉，周磊，等.BIM技術在裝配式鋼結構建筑設計及施工中的應用［J］.中國建設信息化，2023（5）：62-65.

［2］許亞君.BIM技術在多層裝配式鋼結構住宅建筑設計與施工中的應用［J］.居舍，2020（33）：27-28.

［3］周崢，鄧朗妮，廖羚，等.BIM技術在鋼結構深化設計與施工中應用熱點的知識圖譜構建方法研究［J］.土木建筑工程信息技術，2020，12（3）：16-21.

［4］吳水根，王玲玲，韓曉丹.BIM技術在多層裝配式鋼結構住宅建筑設計與施工中的應用［J］.建筑施工，2019，41（4）：691-693.

［5］韓建.BIM技術在超高層大型綜合體鋼結構設計與施工中的應用［J］.住宅與房地產，2019（4）：174.