基于BIM技術的鋼結構工程深化設計應用探究

彭軼群

摘要：本文以某車站站房的鋼結構工程為實例，應用 BIM（建筑信息模型）技術對結構復雜的鋼結構項目進行可視化模擬，提高了鋼結構項目信息傳遞準確性，解決鋼結構工程在深化設計中遇到的問題。在 BIM 信息模型中完成復雜節點及構件模擬，碰撞校核，掃除項目施工障礙，可顯著提高工作效率，節約工程施工成本。體現出 BIM 技術在復雜鋼結構項目中應用的強大優勢。

Abstract： This paper takes the steel structure engineering of a station building as an example， applies BIM （Building Information Model） technology to visually simulate the complex steel structure project， which improves the information transmission accuracy of steel structure project， and solves the problems encountered in the deepening design of steel structure engineering. To complete complex node and component simulation， collision check， and removal of project construction obstacles in the BIM information model can significantly improve work efficiency and save construction cost， which demonstrates the powerful advantages of BIM technology in complex steel construction projects.

關鍵詞：鋼結構;建筑信息模型;深化設計;應用

Key word： steel structure;building information model;deepening design;application

中圖分類號：TU17;TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）26-0192-04

0? 引言

鋼結構項目通常具有形式多樣、結構復雜、工程規模大、設計難度大的特點，因此其所包含的信息量是巨大的。同時，參與管理的單位較多且工作搭接密切、頻繁，對傳遞信息的準確性提出了更高的要求，因此企業對于鋼結構的深化設計、構件的加工制作以及成品的現場安裝等管理難度也相應增大。BIM（Building Information Modeling）的全稱是建筑信息模型。這種全新的生產方式，已經通過大量成功的案例證明其具有巨大的價值優勢。[1]發達國家的建筑業因為這種全新的生產方式的引入產生了重大的革新。BIM最大程度整合建筑項目信息的數據庫，為工程管理、設計、施工各方打破了信息交圈的壁壘，提高了項目信息傳遞的準確性和時效性，提高了工程管理的精確性，極大的避免由信息交圈壁壘產生的無效成本。BIM的優勢在于構建復雜的三維模型，并以此指導構件的加工生產及安裝。這種優勢可以為建筑行業帶來極大的可能性。[1]目前鋼結構項目中最常見的三類問題——復雜的深化設計、信息溝通交圈不充分和混亂的現場管理，已經能通過不停迭代優化的BIM技術有效的解決。因此，全面推廣BIM技術的應用將是推動建筑產業現代化的重要組成，而BIM技術也必將是推動建筑行業進一步發展的助推器。

1? 行業現狀

深化設計是鋼結構公司生產施工的重要步驟之一，作為生產的前期準備工作，深化設計一定要為接下來的實際生產施工打下堅實的基礎。深化設計必須在滿足國家規范的基礎上對鋼結構節點進行二次設計。前期對構件的分段是否合理不僅關系到原料的采購成本，而且影響運輸成本，甚至現場安裝的成本。因此深化設計是影響工程完成質量的第一關鍵點。

目前，許多構件加工企業仍然使用低效、原始的AutoCAD放樣方法，深化設計成果的精確性難以保證;而復雜的連接節點和施工工藝，也給施工單位的現場施工帶來很多問題。對于比較復雜的空間曲線和曲面，使用 AutoCAD難以完成任務。由于鋼結構復雜的連接節點以及種類繁多的零件，深化設計的精確性完全依賴于設計師的個人能力，其準確性難以保證。并且在深化設計中遇到輸入條件的變化，設計人員需要耗費大量的精力去確認修改部位，這種工作方式效率較低。因此，為了提高鋼結構深化設計的工作效率，亟需應用先進的BIM技術。

2? BIM技術在鋼結構深化設計中的應用

本文以某火車站站房改擴建工程為例，說明BIM技術在鋼結構深化設計中的應用。該項目使用的深化設計軟件為BIM系統中專門針對鋼結構深化的Tekla Structures軟件。根據設計院的設計藍圖結合國家規范對鋼結構節點進行二次深化設計，并完成從設計藍圖轉換為零件圖、構件圖和布置圖的轉變，滿足指導工廠流水作業和現場安裝的要求。

2.1 前期準備工作

①項目負責人需仔細審圖，檢查藍圖中提供的節點是否齊全、合理，對于沒有給出的節點或者認為不合理節點會提出合理方案與設計溝通確定。②確定工作模式。由于該工程工程量較大，結構較為復雜，所以確定使用多用戶方式建模，即將整個工程分區、分層交由不同的技術人員分別建模。③將工程中所有構件的規格和材質整理，并由專人輸入相關信息并保存到Tekla Structures模型中。經專人檢查確認信息準確無誤后，保存模型。建模人員在建模過程中只需調用讀取相關信息，無須手動輸入，這樣從根本上避免出現與構件相關的信息錯誤。

④確定編號規則，如表1所示。

⑤軸線、視圖命名規則。在多用戶模式下需要統一軸線、視圖命名規則，方便繪圖人員準確、快速調用。

2.2 模型建立

采用多用戶模式工作的優點是將整個工程化零為整，每個人負責自己相對獨立的區域互不干擾，最后完成整個模型。工作模式類似流水施工，其中一塊區域完成后，繪圖人員可以快速加入到另一塊區域的繪圖工作中。此模式可節約大量的建模、審核時間。

2.3 碰撞檢查

碰撞檢查即檢查零件、構件之間是否存在物理或者邏輯上的碰撞。物理碰撞即物體實際發生碰撞。邏輯碰撞即零件或者構件之間的空間關系是否滿足要求，例如檢查螺栓排布問題，邏輯碰撞就是檢查第一排螺栓與板邊之間的距離以及螺栓之間的距離是否滿足規范要求。利用BIM技術在鋼結構深化設計過程中可以快速的進行碰撞校核，檢查模型是否發生碰撞，以便快速溝通修改，如圖2所示。

專業內部發生的碰撞比較容易發現，整改也相對及時，但是專業之間的碰撞發現較難，發現時往往已經很難整改，尤其是鋼結構和土建結構之間的碰撞，任何一方整改都會造成較大損失，所以檢查專業之間的碰撞是重要的步驟之一。雖然在設計階段會進行專業間的碰撞校核，但是在項目實施過程中出現的洽商變更同樣會導致出現碰撞。此時需要將最新的模型進行整合，重新做碰撞校核。對出現碰撞的部位及時上報并根據要求進行修改，避免出現因為碰撞導致的修改、返工。

在本項目實際操作過程中遇到了以下碰撞問題，總結如下：

①夾層鋼梁與牛腿節點相碰。

在圖號ST-104處存在夾層梁梁節點碰撞，經實際放樣：1/5-5軸線與C-D軸線之間，在5軸往1/5軸1500mm處的鋼梁GCL5，靠近D軸處，GCL與D軸上的GZ1牛腿節點相碰，如圖3所示。建議修改方案是將牛腿減短50mm或鋼梁GCL5往5軸移動50mm。

②混凝土梁高與同層埋件板沖突。

在圖號ST-109處存在與夾層梁連接的埋件超過混凝土梁高度的情況，GCL與混凝土連接時，所連接的混凝土梁高為1000mm，埋板高度為1050mm，需要根據混凝土梁保護層厚度調整此處節點。此處的處理方法是改變埋板的高度或調整埋板節點。

③電梯井與夾層鋼梁碰撞。

在標高12.880米處電梯與樓層梁GCL5碰撞，如圖4所示。處理結果：取消此處碰撞的樓層梁。

④夾層鋼梁與混凝土梁碰撞。

在標高12.5m處夾層結構布置圖（一）中，9軸上的夾層鋼梁和吊點與此處混凝土梁碰撞，如圖5所示。處理方法是取消此處碰撞的梁和吊點，增加埋件及收邊角鋼，滿足樓層鋪板。

技術人員利用BIM技術發現碰撞問題，并及時與總包和設計單位進行溝通并一一修改，將問題解決在萌芽之中，避免因修改構件而造成損失。

2.4 模型審核

三維模型可以讓人更清晰、更直觀的認識整個模型，可以隨意縮放以及采用任意視角來檢查任意節點的處理方式是否正確。由于模型本身以及每天的修改量都非常大，容易出現模型損壞或者丟失的情況，所以項目負責人必須從模型建立之初，就開始模型審核，定時定期校核數據庫。具體做法為：每天下班后，負責人將模型從服務器上拷貝一份，將模型進行一次校核，再把校核后的模型拷貝回服務器，這樣便修正了模型中的邏輯錯誤。第二天繼續檢查模型中是否有建模錯誤。不僅如此，負責人每隔一天將校核過的模型拷貝并保存，防止硬件錯誤造成的數據丟失。如此一來，當模型全部建立完成時，第2-3天全部模型便可以全部審核完畢，達到出圖要求，極大程度上縮短了建模、審核時間。

2.5 出圖

模型建立、審核完成后，進入到出圖程序，一般需要生成安裝布置圖、零件和構件加工圖，最重要的是可以生成各種報表供不同部門調用相關信息。

2.5.1 對模型進行編號。模型完成后，需要對模型中零件構件運行編號。編號不只用來將零件構件命名，還可以用來檢查模型中是否存在漏焊，幫助檢查模型。構件編號應按以下幾個步驟執行：①清除構件編號;②矯正模型;③矯正數據庫;④校核并修正編號。

2.5.2 圖紙制動更新。在項目運行過程中，隨著設計圖紙的逐漸完善、電氣設備廠家的逐步確定，經常會出現設計變更，設計變更就意味著深化模型以及圖紙同時需要修改。Tekla Structures軟件作為老牌的鋼結構BIM軟件，其搭載的基于面向對象技術可以便利的修改模型及圖紙。模型中將所有元素都定義為智能目標（包括梁、板、柱、螺栓等）。假如梁的屬性進行修改，則其相鄰的節點也會相應自動調整，此外，相對應的總體布置圖和零件安裝圖都能自動調整。這樣一方面可以減少由于人工修改漏項而造成錯誤等通病，提高圖紙質量;另一方面自動出圖可以極大的提高出圖的效率，從而為工程的順利施工提供強有力的支持。

2.5.3 生成零件清單、構件清單、螺栓表：完整的模型可以提供準確的材料清單，方便物資部門的詢價、招標、采購。完整的模型同樣可以提供準確的構件清單，方便工廠合理分配加工任務;提供準確的螺栓清單，方便項目部的采購及安裝;提供準確的構件表面積報表，根據報表可以估算出油漆、防火涂料使用量，供物資部或成本部進行采購材料或簽訂分包合同;提供準確的構件凈重表，方便后期決算人員的結算。軟件生成的各類報表服務于整個工程，是工程預決算的重要依據，減少了工程管理的難度。

2.5.4 生成零件圖。零件圖的基本要求是：圖紙表達清晰明了，尺寸標注準確細致;避免出現表達冗余、羅嗦的情況。

2.5.5 生成構件圖。對于復雜結構構件，應在圖紙中補充3D視圖，以清晰反映各零件的空間關系，使人能夠一目了然，避免裝配人員因讀圖錯誤導致的安裝錯誤。在出圖時要做到圖面布局合適、尺寸標注合理。出圖后對工廠和項目人員進行交底，明確圖紙表達含義，對他們認為不清楚的地方進行解釋或者修改。

2.5.6 生成安裝布置圖。安裝布置圖應包含構件信息以及構件之間的空間定位關系信息，以供現場安裝人員準確定位安裝。此外對于復雜工程，尚應輸出各層平面及立面的布置圖。

2.5.7 審核圖紙。在Tekla Structures軟件中，模型和圖紙是一一對應的，前期模型審核完畢便保證了圖紙中零件的正確，后期只需審核圖紙中標注是否詳細、圖面布局是否合理。

3? 結語

利用Tekla Structures軟件對鋼結構工程進行建模，通過三維模型可以便利的輸出工程所需的各類數據及報表，有利于簡化空間結構的復雜性，減少深化設計中的難點并且為后期的工程施工提供了巨大的幫助。項目管理人員在基于BIM技術的深化設計的過程中，可以提前預測施工過程中可能發生的問題，加強對項目的管理，保證工程建設的質量，節約工程的成本。信息化的模型極大的減少了過程中資料的缺失和遺漏，有利于項目資料一體化管理。

綜上所述，通過采用BIM技術，可以有效的降低鋼結構深化設計誤差概率，而自動化出圖可以極大的提高出圖效率，為工程的順利施工提供有力支撐。BIM技術在鋼結構工程中的深化設計應用具有推廣價值。

參考文獻：

[1]黃子浩.BIM技術在鋼結構工程中的應用研究[D].華南理工大學，2013.

[2]劉亞楠，楊柯紅，宋婷.基于BIM技術的鋼結構深化設計研究[J].價值工程，2017，36（27）：129-130.

[3]高屾.淺談鋼結構深化設計的技術應用[J].價值工程，2014，33（17）：126-129.