BIM模擬大型群體裝配式鋼結構住宅建筑裝配施工技術

文/廣西建工集團第五建筑工程有限責任公司 姚開成 陳軍民 張桂美 黃蘭艷 許 懿

1 工程概況

柳州市蓮花城裝配式鋼框架結構保障性住房項目，地下室為普通鋼筋混凝土結構，地上為鋼結構框架支撐結構，基礎采用樁基。項目用地面積43505.79m2，總建筑面積137183.96m2，共設計10棟住宅樓，其中7棟高層住宅樓，2棟帶商業服務網點的高層住宅樓，1棟多層住宅建筑。設計合理使用年限為50年，是廣西首個鋼結構住宅產業化試點項目（見圖1）。框架柱采用矩形鋼管混凝土柱，框架梁及次梁采用焊接H型鋼梁，樓板采用鋼筋桁架樓承板。鋼筋混凝土結構部分鋼筋保護層厚度：梁、柱為25mm，墻、板為15mm。工程從結構選型、初步設計到結構優化均嚴格按照裝配式建筑進行設計，施工過程實現工廠化，部件運抵現場，施工現場通過螺栓組裝和少量焊接形成主體結構，總體裝配率達60%。

圖1 柳州市蓮花城裝配式鋼框架結構保障性住房項目

柳州市蓮花城裝配式鋼框架結構保障性住房項目利用BIM技術模擬施工，提升裝配式建筑施工的工作效率，縮短施工工期，提高施工質量，在發展新技術的同時取得了良好的經濟效益。

2 工程特點與應用分析

傳統鋼結構安裝施工操作主要是現場管理，按照紙質策劃確定基本方案，形成傳統施工方案，由公司審核并按公司要求實施，最后完成裝配式鋼結構工程安裝施工。傳統鋼結構安裝施工操作方法中存在諸多不足，傳統工程安裝施工方法與現場實際情況結合不緊密，規劃性不足，導致頻繁返工、增加人員和時間投入、浪費材料等問題，增加項目運行成本。因此，本工程運用BIM技術模擬裝配式鋼結構施工輔助實施，減少不必要返工，降低施工成本。

柳州市蓮花城裝配式鋼框架結構保障性住房項目利用BIM技術輔助裝配式建筑施工，對鋼結構安裝進行信息化模擬，并通過BIM全過程智能控制和全過程協同工作的強大優勢，提高工程質量、降低施工成本、縮短工期。

3 BIM模型建立

通過BIM軟件創建BIM鋼結構模型，并將BIM模型導入Navisworks，對核心節點部位的施工工藝進行模擬，生成施工3D演示動畫，進行動畫技術交底，指導現場施工人員作業。

3.1 鋼結構模型搭建

鋼結構建模是通過Tekla Structures軟件將二維的設計圖紙轉換成三維可視化模型，通過三維模型分解成各個部品構件，并將部品構件進行預制生產，最終運輸到現場裝配施工。三維模型與施工進度計劃、成本緊密關聯，形成貫穿整個施工周期的立體管理體系。

3.2 模型節點深化

根據工程的扁鋼管混凝土柱-支撐結構體系結構類型，在鋼結構施工前應運用BIM技術對整個工程會審后的原設計圖紙進行二次深化設計，通過Tekla Structures鋼構軟件建立1∶1實體模型，將各部節點進行分解后再優化，提出1套既可指導車間加工，又能指導現場施工的深化設計方案（見圖2）。

圖2 鋼梁鋼柱節點深化加工

3.3 BIM模型審核

運用BIM技術進行圖紙會審相較于傳統圖紙會審具有速度快、精確率高等優點，針對BIM模型也需進行細致審核才能保證模型的實效性。BIM模型會審的目的是保證模型的信息與設計信息準確無誤，組織建模技術員與設計單位代表通過反查各專業模型的構件與設計信息進行對比，可審查出模型是否存在錯誤或信息缺漏。

三維審核包括2個工作程序：模型的細致程度審查；碰撞檢測的合理性審查。

1）模型精細度審查是指根據設計規范，審查項目不同階段模型需達到的精細程度，主要參照模型的細致程度規范，再根據實際施工需要確定已有的BIM模型在對應的施工階段是否達到相應精度要求（見圖3）。

2）碰撞在實際工程中的應用分硬碰撞和軟碰撞2種。硬碰撞是指實體與實體之間的交叉碰撞；軟碰撞是指實體間并未碰撞，但間距和空間無法滿足相關施工要求，由軟件設定的碰撞條件進行檢測的結果。

圖3 利用軟件查看模型屬性

4 BIM技術應用

4.1 模擬鋼結構吊裝

本項目施工空間中場地狹小復雜，通過BIM三維模型的運用將施工過程和施工技術要點整合到1個三維模型動畫中，項目各參與人員可直觀地查看該技術要點的實施方案，實現信息無損共享和無障礙交流。同時，通過三維模擬動畫，根據專業人員經驗，對施工進行論證，進而優化施工方案。

鋼結構模擬施工主要分2個步驟。

1）將深化整合的BIM模型導入Navisworks中。

2）根據計劃方案和現場實施情況，確定部品構件施工順序。確定部品構件的運動軌跡和時間，并與部品構件相連接。

將BIM模型從Revit中導出NWC格式文件，在Navisworks中打開NWC格式文件，完成BIM模型導入Navisworks的步驟。

在Navisworks軟件中，通過多種漫游查看結構構件模型，預覽整個工程項目的內部構造，將不同結構構件相互關聯，模擬施工過程及設備操作等。大體動畫類型分類如下。

1）對象動畫 把蓮花城項目建筑結構模型創建為對象動畫，為某施工工序創建演示過程，并進行直觀展示。

2）交互式動畫 通過創建交互式動畫，建立各構件間的交互式聯系。如窗按鍵與窗，在Navisworks中模擬點擊開窗按鈕，窗在動畫中自動打開。

3）漫游動畫 點擊事先錄制好的動畫按鈕，再點擊“向前”“旋轉”“放大”等按鈕，通過鼠標在項目模型內指引行走，錄制模型的整體或部分內部構造，形成短視頻漫游動畫。

4）施工進度模擬 模擬該項目的施工進度計劃。

在該項目中利用Navisworks軟件中的Animater工具為鋼架結構的整體吊裝編制動畫模擬（見圖4）。

圖4 鋼結構吊裝模擬

4.2 現場指導施工

利用BIM 3D模型進行現場指導施工，較2D圖紙具有更直觀、高效的優勢。

通過4D技術模擬施工過程，根據不同時間節點對施工進度進行模擬。預演各時點進度情況，驗證進度計劃安排及施工組織安排的合理性、科學性。此外，在項目推進過程中實現計劃進度與實際進度的對比及動態跟蹤，及時糾偏，進而為現場指導施工打下基礎，使施工人員直觀了解施工過程的具體情況（見圖5）。

圖5 蓮花城項目鋼結構BIM模型

4.3 質量管控

1）質量監控體系 借助廣聯達BIM 5D平臺搭建實時共享的質量監控體系，質檢員將工程施工過程中發現的質量問題統一上傳至平臺，并標注在BIM模型中，對質量問題全過程跟蹤，督促相關單位及時消除隱患。

2）鋼結構專業建模 要求梁、板、柱等部位構件的截面尺寸與定位尺寸須與施工圖紙保持一致；管廊內梁底標高與設計圖紙要求一致，如遇到管線穿梁情況，需設計單位提供詳細的結構配筋圖，運用BIM技術進行建模確定管線穿梁的節點。

3）模型交付質量管控 交付模型必須通過模型審核，審核通過后交付使用。模型交付前對各專業分包單位進行技術交底。交付的模型必須包含全部專業信息，可對施工全程的信息進行反查。

4.4 安全保證措施

1）企業自身及第三方咨詢單位建立的項目BIM模型、數據交流平臺等嚴禁保存于國外服務器，需做好信息核心技術的保密工作，對關鍵基礎設施和重要領域信息系統及數據的保護至關重要，需做好信息安全的全面管控。

2）項目BIM團隊定期開展信息安全等級評估，對BIM模型和數據進行有效監控，并報相關住建單位審查。

3）工程項目中涉及人防、經濟安全等戰略性重要信息數據需進行特殊加密，特殊情況下不進行數據上傳。

4）在BIM模型中，直觀地查看三維模型，確定現場作業危險位置并在模型中標注，將危險位置信息錄入廣聯達BIM 5D平臺，指導施工現場的安全管理工作。安全員發現施工現場存在安全隱患時，將隱患問題錄入廣聯達BIM 5D平臺中并發給相關管理部門，責令整改。

5）項目針對已有建筑模型及施工場地布置模型進行災害應急疏散模擬，優化逃生線路，得到最優疏散方案。根據方案在對應地點進行消防設施布置，根據疏散方案制作模擬逃生漫游視頻，定期對進場施工人員進行消防應急演練，防患于未然。

6）項目針對已有模型進行危險源分析識別，預先確認危險源位置，針對臨邊洞口等危險源提前處理，導出圖紙對施工人員進行交底，排除安全事故隱患。

4.5 成本控制

1）以6號樓為例，施工前利用碰撞檢測功能解決各類碰撞25處，其中管線與結構碰撞3處、管線與建筑墻體碰撞7處、管線系統間碰撞15處。利用該功能在施工準備階段及施工過程中可節省人力物力，縮短工期，避免返工及誤工，節省材料8%以上。

2）通過BIM技術的引入，蓮花城項目提高了施工效率，降低施工過程中的材料折損和返工率。項目原施工材料折損率18%，返工率20%；引入BIM后材料折損率降至10%，返工率降低至8%。

5 結語

“模擬施工”是現代工程的重要一環，而BIM技術則是將建筑工程引入數據化領域的新型數據化工具，將二者完美結合，不僅能顯著提高工程質量，降低成本，加快工程進度，而且對于建筑施工行業的發展方向有著深遠影響。

柳州市蓮花城裝配式鋼框架結構保障性住房項目成功地將BIM技術應用于模擬施工中，不僅提升了裝配式鋼結構的施工質量及通過率，而且為BIM技術在建筑施工中的全面應用積累了寶貴經驗。