BIM技術在裝配式鋼結構建筑中的應用

劉 棟

中國水利水電第十一工程局有限公司（472000）

0 前言

隨著建筑市場的不斷發展與進步，傳統粗放式的發展模式在資源利用、機械化程度、安全性能、環境保護等方面的弊端日益凸顯。為改變這些弊端，國家開始大力推廣裝配式建筑。鋼結構具有輕質高強、加工容易、施工方便等特點，符合裝配式建筑高效、快速、簡單、安全、綠色、環保的要求。BIM技術是一種新興起的建筑設計技術，以三維數字技術為基礎，具有較強的模擬性，可以利用其直觀性、可視性、協調性、模擬性等特點，通過構筑建筑實體模型，協調多部門進行建筑的施工、管理、優化、運營維護等工作。將BIM技術應用到裝配式鋼結構建筑中，可以通過BIM模型對裝配式鋼結構建筑在設計、施工、管理過程中所存在的問題進行深化處理，從而避免在工程中造成的時間、人力、資源的浪費。

1 BIM技術概述

BIM技術可以將施工中各種信息搜集起來，并根據這些信息創建出一個三維模型。在裝配式建筑施工建設中，可以將BIM技術應用在整個施工過程中，能保證施工企業對工程的每個階段進行控制。目前，BIM技術在西方發達國家應用非常廣泛，我國由于起步較晚，應用還不夠成熟，相關的法律法規也不完善，因此在實際應用中，相關單位必須不斷借鑒國外的先進經驗，結合工程實際情況合理利用BIM技術，從而提高工程質量。BIM模型的建立需要分兩步實施。首先是建立靜態模型，根據CAD圖紙完善建筑的主體結構、現場及臨時設施等，包括現場的塔吊、模板等材料。BIM技術具有以下幾個方面的特點：

1.1 可視化

BIM技術的應用，可以結合現有數據信息對其進行三維建模，有效提升數據信息的直觀性。根據三維模型，技術人員還可及時發現施工問題，及時制訂管理措施，從而減少后續施工問題的發生概率。

1.2 協調性

BIM技術可以避免土木工程建設過程中出現的各種由于溝通不及時而導致的問題，提高各個施工單位在合作過程中的施工質量，為整個木土工程的建設提供一定的保證。

1.3 模擬性

BIM技術能對每個施工環節進行實時模擬，管理人員根據模擬情況反饋出的數據類型，制訂相關應急措施，有效降低施工問題發生概率，提高施工技術的應用效果。

1.4 可出圖

BIM技術可以對作業區域的基本信息進行采集，對所采集的相關性信息進行針對性整理，輔助設計人員更快地獲取土木工程的設計方案和施工圖紙。

2 BIM技術在鋼結構裝配式建筑中的應用優勢

2.1 提升項目整體的管理水平

在建筑體系不斷成熟的背景下，建筑工程的規模也在不斷擴大。鋼結構裝配式建筑與傳統建筑最大的不同在于，裝配式建筑在施工之前會將整體結構拆分成多個獨立單位，在施工到該環節的時候，技術人員可以將相應的結構直接進行拼接，節省了較多的施工時間。但是建筑工程涉及的施工零件結構非常多，為了確保各結構零件生產過程的適用性，技術人員需要提前采集非常完整的資料信息。BIM技術是依托于互聯網技術對信息進行快速采集的技術，因此，在實際應用過程中，可以采集到非常完整的數據信息，從而有效提升項目整體的管理水平。

2.2 提高鋼結構方案設計質量

與大多數建筑工程一致，鋼結構裝配式建筑在建設過程中，需要進行項目相關內容的設計工作。該環節屬于建筑工程開始前的初始環節，但是該環節的施工質量將直接影響到整個工程的施工效果。通常情況下，在工程正式施工之前，技術人員需要對作業區的基礎環境進行詳細調研，根據調研結果來確定具體的設計方案。BIM技術可以對現場作業區的基礎信息和市場信息進行準確采集，借助系統內部的篩選系統，還可以對數據信息進行精準篩選，也可以對數據信息的潛在價值進行深入分析，從而有效提升設計方案的設計質量，為后續工程施工奠定良好的基礎。

2.3 合理調控工程的施工成本

傳統建筑工程的競選模式，一般只是在小范圍內選擇建筑企業進行施工，建筑企業可獲取的經濟利潤非常大。隨著市場結構的調整，招投標模式成為新的選擇方式，競爭企業也從區域競爭演變成了全國競爭，極大程度地壓縮了企業的經濟利潤。中標企業在獲取到項目的執行權之后，為了獲得到預期的經濟利潤，需要在確保工程施工質量的基礎上，找尋到可以降低成本的方法。BIM技術的應用，可以幫助企業采集到比較全面的施工數據信息，借助4D系統構建基礎模型，從基礎模型中找出可以優化的施工環節，從而有效提升建筑工程的施工效率，降低建筑工程的施工成本[1]。

3 裝配式鋼結構建筑存在的問題

3.1 設計階段存在的問題

傳統的建筑設計主要是基于二維的CAD圖紙，裝配式鋼結構建筑目前主要也是以此進行結構設計，二維的圖紙所能傳達信息是以點、線、面為主，很難準確、完整、真實地表達結構與構件的信息，導致后期在結構的設計、加工、生產等方面的任務比較繁重。二維的平面信息無法從建筑全局把控整個設計細節，建筑的各部分獨立設計，彼此之間缺少溝通，導致后期整體組裝時出現構件碰撞、尺寸誤差等問題。

3.2 生產階段存在的問題

裝配式結構的構件需要根據設計要求按照圖紙信息進行預制加工，但是二維圖紙對構件的信息有時表達不清楚，造成生產出來的構件尺寸、形狀等信息與實際情況存在較大誤差，導致構件需要返工處理或者重新制作，出現材料浪費、工期延誤的問題。裝配式鋼結構所需的構件數量、種類較多，在進行人工統計時工作量較大，效率較低，容易出現統計遺漏，造成構件缺失等問題。

3.3 施工階段存在的問題

裝配式鋼結構是由不同規格尺寸的建筑構件拼裝而成的。在施工過程中，根據二維圖紙信息對建筑構件進行歸類統計，人工效率低易出錯，建筑構件的運送現場后，不能按照進度進行合理規劃放置，容易造成堆放混亂，易引起施工進度偏差，甚至會影響到施工質量。裝配結構在施工過程中，牽涉到建筑構件、設備、人員的調配，傳統的施工方法在這些方面投入精力過多，成本控制比較困難。

4 BIM技術在裝配式鋼結構工程中的應用

文章以某裝配式鋼結構保障性住房工程為實例，建筑總面積為11 985.66 m2，標準設計為27層結構，每層層高均為3 m，建筑總高度為81 m，室內外高差450 mm，建筑縱向長度為31.2 m，橫向長度為16.2 m，本工程中裝配式鋼結構住宅采用外側鋼框架與內部核心筒所組成的混合結構體系。在對該工程進行設計時，選擇BIM技術、Revit軟件對工程的模型進行創建，并通過對模型的分析進行結構優化設計。

4.1 構件拆分

首先將該工程的各個結構數據導入到Revit軟件中，形成一個三維立體模型。該結構模型中主要涵蓋了界面輪廓、鋼筋信息及施工材料等內容。然后對該模型進行局部修正，繼而對其進行構件拆分。在拆分過程中，要在Revit中使用Dynamo對構件進行可視化的編程，在整個結構模型中將現澆構件拆分成多個部件，再將這些部件進行組件，最終完成構件的拆分工作。

4.2 鋼筋創建

要特別注意工程構件中的鋼筋構造要求和拆分要求，不斷完善鋼筋的布置流程，還要調用二次開發程序，對建筑工程的鋼筋參數信息不斷完善，將鋼筋材料合理地布置在預制構件中。

在進行預制梁設計過程中，布置鋼筋時要嚴格遵循以下幾點要求：從梁跨中后澆段中斷開縱筋的過程中，后澆段甩開的長度能夠滿足套筒安裝的尺寸；在梁端方面，要選擇最大值，同時要考慮到預制梁鋼筋的加密范圍[2]。

4.3 埋件布置

在布置工程埋件時，要嚴格遵守相關的布置規則。在此工程中，需要構建出包含埋件的內嵌族，還要對梁柱模板中的鋼筋吊環的形狀進行優化設計，選擇合理的布置位置。在布置預制柱上埋件時，需要建立專門的預制柱族，在預制柱的柱和墻的連接處，將鋼板的高度設為實際高度，并將所有有關聯的參數輸入到Revit軟件中，形成全局參數。

4.4 施工模擬

建筑施工是整個項目過程中最為復雜的階段，由于各種施工要素本身的不確定性，實際施工很難與施工計劃相一致。Navis-works中的Timeliner可以將三維模型數據與項目進度表相關聯，實現四維可視化效果，施工模擬則可以清晰地表現設計意圖、施工計劃與項目當前的進展狀況。BIM的施工計劃主要包括：工程項目的總體立面布置圖、時間欄信息、任務欄信息、形象圖形信息、標注名稱及工作周期。BIM模型的施工模擬以表現工程施工的整個流程為主，因此具有很強的針對性和說明性。在施工階段，該裝配式鋼結構高層住宅的BIM技術應用主要包括場地布置、施工模擬。

1）場地布置。裝配式鋼結構住宅的施工特點是將構件運輸至現場進行組裝，如何合理放置建筑構件是施工過程的重點。使用Revit可對模擬施工現場進行場地布置，完成對施工區、備料區、辦公區、宿舍區的布置。塔吊是裝配式建筑施工的關鍵，在對施工區進行布置時，可對塔吊位置進行布置，對比多個方案進行優化。

2）施工模擬。施工組裝在裝配式建筑建造過程中擔任十分重要的角色。對于裝配式鋼結構住宅而言，僅應用傳統施工方法進行施工組裝存在弊端，可能遇到一些問題。比如消防管道反映在平面圖上時，往往存在很多交叉的地方，不能很好地反映其中的問題。可以利用BIM技術對現場進行模擬，根據實際情況，將二維圖紙轉化為三維的動畫，從而發現其中存在的問題，提前優化施工方案和結構布局，避免在施工過程中再對方案進行修改，出現返工現象。利應用BIM技術可在Navis-works中進行三維施工模擬，如圖1所示。

圖1 Navisworks漫游模擬

5 結語

在城市經濟快速發展的背景下，市政工程和建筑工程數量也在不斷增多，高層建筑已經成為城市的主體建筑類型。這也對建筑結構的綜合質量提出了更多的要求。鋼結構裝配式建筑結構的應用，可以有效提高建筑工程的施工效率，并且在建設過程中，有BIM技術的加入，可以有效提升鋼結構裝配式建筑施工信息的采集效率，對加快建筑工程施工速度，促進行業經濟穩定發展有著積極的意義。