基于BIM視角的建筑鋼結構設計探究

【摘要】鋼結構由于質輕、強度高，被廣泛應用于高層、大跨度、異形建筑工程中。工程實踐中，鋼結構設計仍然存在很多問題，包括：設計方各自為政，銜接處理不當；構配件設計碰撞、施工碰撞；施工中由于吊裝、拼接產生的偏差以及施工成本概預算偏差較大等等。文章從以上四個方面入手，基于 BIM 技術視角，提出了相應的解決方案。

【關鍵詞】建筑工程；BIM技術；鋼結構設計；優化要點

1、建筑結構設計中鋼結構設計的重要性

鋼結構設計包括：將設計規劃、設計藍圖變成實體，和鋼結構產品的整個演變過程。鋼結構設計一方面反映出建筑物的整體質量，進而影響建筑業的發展，另一方面，鋼結構設計還影響了現代鋼結構制造業的發展。從建筑結構設計角度分析的話，鋼結構設計既對幾何設計提出了比較高的要求，還對具體的施工技術提出了專業的要求，因此，要求鋼結構設計人員具有高水平的專業技能、工作經驗和綜合素養。

鋼結構設計的難度比較大，設計人員應當結合建筑項目的施工性質與工程圖紙，準確把握鋼結構設計的要點，在腦海中形成清晰的立體結構，并通過設計圖展現出來，保證鋼結構整體設計的質量。

鋼結構設計過程中，設計師必須嚴格遵守相關的設計規范與原則，充分掌握構造、結構受力特點等方面的要求，在滿足國家的規定標準前提下，合理設計。同時，還要結合建筑工程的施工訴求，對鋼結構的關鍵部位進行設計優化，確保鋼結構設計的質量，保證建筑項目施工的順利進行，以提高建筑企業的市場競爭力。

2、鋼結構存在的問題

2.1鋼結構的失穩問題

大量的調查數據顯示，造成建筑項目鋼結構安全事故的主要原因是鋼結構的失穩問題。首先，鋼結構失穩包括：局部失穩，以及由局部失穩造成的間接整體失穩。

當受彎部位發生失穩，并且尺寸大小超過承受范圍時，嚴重影響鋼結構建筑工程的質量。如果設計人員在進行建筑結構的鋼結構設計時，沒有對鋼結構的支撐作用予以充分考慮，也將導致失穩問題的產生；如果鋼結構的吊裝位置不當，會使網架、析架的桿件受力發生巨大變化，也會出現失穩問題。

導致鋼結構發生的失穩因素很多，設計人員、施工人員要對此重視，做好對應的防范措施，保障建筑工程的施工質量。

2.2鋼結構的腐蝕問題

鋼材料的耐腐蝕性較差，尤其是在濕度大、有侵蝕性介質的環境中，鋼結構會更加快速地生銹腐蝕，造成鋼材腐蝕情況的出現，削弱構件的承載能力，嚴重時導致安全事故的發生。通過對木屋架、鋼木屋架、鋼筋混凝土屋架與鋼屋架造成安全事故的統計調查發現，鋼屋架出現安全事故的占比達40%，而這主要是由于鋼結構的腐蝕問題造成的。

2.3鋼結構的火災問題

鋼材的耐高溫性較差，性能隨著溫度的變化而發生變化，在溫度達到430到540攝氏度區間時，鋼材的屈服點、抗拉強度以及彈性模量均迅速下降，承載的能力也就消失了。建筑物的構件耐火性能不好，發生火災時承載能力就無法延續，會給安全疏散、物資搶救以及撲滅火災等消防活動造成阻礙。

3、基于BIM視角的鋼結構設計優化

3.1鋼結構設計單體銜接處理

在Tekla Structures中輸入建筑施工平面相關設計信息，三維建模，解決二維模型不可視化的錯誤判斷；根據經驗，輸入結構類型，在BIM軟件中模擬建筑受力，判斷結構設計是否合理；輸入給、排水以及電氣設施，同時進行綠色建筑評定，并利用BIM軟件對整個設計進行優化。BIM設計中，要保證所有設計參數值在一個界面上運行，形成不同設計單體成果，保證結構的合理化。在一個模塊里面進行更改，減少了各個部門之間的摩擦，同時還能節省時間，提高效率。

3.2鋼結構構配件碰撞處理

BIM可通過仿真技術，模擬建筑結構真實信息，形成三維立體構成圖。結構配件包括：柱、梁、析架、IT條、屋蓋、樓梯等；給排水構配件包括：給排水管道、蓄水池、上、下水管道等；電氣構配件包括：插座、線路、配電箱等，上述構配件可以通過navisworks軟件進行碰撞檢查，最大程度上減少構配件在施工中的設計變更。同時，BIM還能夠處理不同施工工種之間的碰撞：例如，某構件先行施工，但是占用空間比較大，致使后續構件的施工平面被占據、返工；利用BIM，通過VR技術對鋼結構模型進行虛擬仿真，預留必要的入孔，避免施工碰撞。

3.3鋼結構施工過程中偏差處理

在鋼結構設計施工中，嚴格的把控現場，定期的將現場施工數據輸入BIM平臺中，評定施工質量，并根據BIM平臺反饋的真實信息，更改鋼結構設計，對現場施工進行質量返修。

BIM平臺可以從源頭實時監控，及時提取鋼結構構配件的出廠信息，通過三維建模和VR技術，形成可識圖的視覺效果，模擬真實的拼接狀況，并將形成的誤差反饋到結構設計中。設計人員根據得到的信息，進行偏心計算，驗算設計方案是否能夠滿足預期的質量要求。徐州奧體中心采用BIM技術，進行關鍵構配件的施工安裝（例如奧體中心使用的縮夾、施工焊縫），并通過VR技術模擬現場安裝動畫，指導施工。

3.4鋼結構成本概預算分析

傳統鋼結構概預算是指，通過廣聯達等軟件進行工程量清單的計量、計價，但是計算機設計較為程序化，沒有考慮到市場的變化。而BIM技術采用SD建模，考慮到時間因素對工程的影響。例如，市場上工程材料的價格變化、施工技術高低，將影響現場的施工工序，最終影響建筑工程的質量。

BIM技術可以精確地預估工程成本，采用現場模擬技術，選用合理且經濟的鋼結構構配件設計，減少工程成本。以徐州市奧體中心為例，該工程構件采用了箱型彎扭構件、變截面圓錐管以及大直徑彎弧管等，利用BIM技術輸入設計參數，模擬施工環境，驗算精確到各個節點和各個受力點，然后進行現場施工。該種設計策略，一方面滿足了外形的設計要求，另一方面減少了返修的風險，降低了工程的造價成本，同時關注市場材料的價格變化，綜合考慮各種影響建筑施工的因素，提高建筑概預算精準度。

參考文獻：

[1]呂清海.建筑結構設計中鋼結構設計的重要性與策略探討[J].江西建材，2017（17）.

作者簡介：

孟順意，大連都市發展設計有限公司。