BIM 技術在鋼骨混凝土混合框架結構施工中的應用研究*

富 順

（內蒙古建筑職業技術學院 建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特010070）

引言

BIM 是建筑信息模型Building Information Modeling的英文縮寫，是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具，通過對建筑的數據化、信息化模型整合，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑、運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。

BIM 思想最早于1975 年由美國佐治亞理工大學“BIM 之父”之稱的Chuck Eastman 教授提出，以便實現建筑工程的可視化和量化分析，提高效率。1986 年，美國學者Robert Aish 提出“Building Modeling”，這一概念與現在業內廣泛接受的BIM 概念已經非常接近[1]。2002 年由Autodesk 公司提出建筑信息模型（BIM），并推出了自己的軟件產品，隨即在全球多個項目上進行試用，取得不錯的效果。

BIM 具有可視化、協同性、模擬性、優化性和可出圖性等主要特點，在工程建設過程中應用BIM 技術，發揮其特點，使工程建設全過程信息化，提高協同工作效率，對減少工程變更，避免返工，保證工期，降低成本等方面具有重要意義。

1 BIM 應用現狀

從BIM 思想的提出到2002 年的實質性開端，又到目前的不同階段、不同程度的應用，BIM 技術正在逐漸成熟，逐漸被人們認可和應用。

1.1 國外BIM 應用情況

美國是BIM 應用的始源地，較早的啟動了相關研究和標準的制定工作，美國建筑科學研究院于2007 年發布了美國國家BIM 標準（NBIMS）[2]，研究解決IFC 的應用、提供信息交換標準和模板、項目承包模式、設施信息檢索技術、設施信息獲取利用的方法、建筑性能測試等功能應用、減少信息重復提高信息的再利用率、信息追溯、降低信息交換的時間以提高效率等一系列問題。目前，美國大多數的建筑項目已經采用了BIM，2007 年，BIM 在美國建筑行業的應用比例是28%，處于剛開始發展的地步，到了2009 年，應用比例上升至49%，而2012 年時，統計大約有71%的項目采用了BIM 技術，BIM 在美國越來越得到認可與青睞，并且美國建筑企業300 強中應用BIM 的企業達到了80%[2]。應用主要分布在設計方案論證、能量分析、場地使用規劃、建筑系統分析，維護設計等各個階段的不同環節中。

英國在BIM 應用方面的政策是政府強制要求使用BIM。2011 年5 月英國內閣辦公室發布了“政府建設戰略”文件，并明確了各個階段的BIM 實施步驟[3]。英國的設計公司在BIM 實施方面已經相當領先，眾多世界級設計公司坐落于倫敦，這些公司能夠有效執行政府強制使用BIM 的相關文件及標準，這大大提高了英國BIM 應用水平和發展速度。

新加坡政府從政策、資金、人才培養等多方面支持企業應用BIM 技術，政府規定設計報審必須提交BIM 設計成果。但由于BIM 設計帶來的額外工作量較大，BIM 軟件本身不夠成熟，設計人員對軟件的掌握不夠熟練等原因，設計公司在設計過程中一般采用“二維設計+BIM 設計”的方式，在二維設計的基礎上或二維設計進行的同時由BIM 設計團隊進行BIM 設計，BIM 設計成果主要用于報政府審批。施工、運營階段的BIM 應用同樣處于缺少配套軟件，BIM 模型數據無法與施工、物業管理等系統對接，數據共享仍存在不少的問題[4]。

1.2 國內BIM 應用現狀

國內BIM 概念在2002 年被定義，住建部從2014 年開始相繼發布了《關于建筑業發展和改革的若干意見》《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》等文件推動BIM 應用，2016 年12 月發布《建筑信息模型應用統一標準》GB/T 51212-2016，2017 年5 月發布《建筑信息模型施工應用標準》GB/T 51235-2017，2018 年12 月發布《建筑工程設計信息模型制圖標準》JGJ/T 48-2018 和《建筑信息模型設計交付標準》GB/T 51301-2018，解決BIM 應用缺乏標準的問題。應用方面，根據《中國建筑業企業BIM 應用分析報告（2019）》顯示，國內大型施工總承包企業中已應用BIM 技術3～5 年的比例最高，達到31.57%，應用1～2 年的企業占22%，應用不到1 年的企業占19.35%，已應用5 年以上的企業有18.55%[5]。從BIM 組織建設方面來看，多數企業從委托咨詢單位完成BIM 應用逐漸轉向公司成立專門BIM 機構，越來越重視企業自身的BIM 應用能力建設。從BIM 技術應用的項目來看，主要集中在甲方要求使用BIM 的項目、建筑物結構非常復雜的項目和有評獎或認證需要的項目上，其次是需要提升企業管理能力的項目和需要提升公司品牌影響力的項目上。另外，根據調查發現，無論企業資質如何，對于工期緊、預算少、建筑物結構不復雜的項目應用BIM 技術均是最少的，這一數據反映出，對于結構簡單的項目，現階段BIM 技術在解決項目成本、進度方面還很難給項目帶來更大的改變[5]。

2 BIM 技術在鋼骨混凝土結構中的應用

鋼骨混凝土結構是在鋼筋混凝土結構構件中加入型鋼的一種混合結構，常采用H 型鋼、方形截面或圓形截面型鋼作為鋼骨形成鋼骨混凝土結構。鋼骨混凝土混合框架結構是鋼筋混凝土結構、鋼骨混凝土結構、鋼結構混合的框架結構，與單一結構相比，其材料多樣，節點復雜，傳統施工圖施工難度較大等特點，引入BIM 技術可提高施工效率，降低施工難度，保證施工精準度。以下為BIM技術在鋼骨混凝土混合框架結構施工中的應用案例：

2.1 工程概況

內蒙古建筑職業技術學院新校區三期擴建西教學區位于呼和浩特市毫沁營鄉一間房村，總建筑面積51322.36m2，其中實訓基地2 號樓位于本工程東側，建筑面積為13778.17m2，主樓地上五層，主體采用鋼筋混凝土框架結構，局部鋼骨混凝土框架結構、鋼結構，東側入口上五層空中連廊采用鋼桁架結構，跨度為28.7m，鋼桁架上下弦桿與兩側鋼骨混凝土柱相連形成鋼骨混凝土混合框架結構。

圖1 整體結構BIM 模型

2.2 項目施工難點

本項目除大跨度鋼結構屋蓋外，主要施工難點在鋼骨混凝土混合框架結構部分，此部分施工圖需要結合圖集施工，詳圖深度有限，需要進行進一步深化設計滿足施工要求。在施工中，鋼筋混凝土、鋼骨混凝土、鋼結構混合施工，交叉作業，要求鋼結構施工與混凝土施工密切配合，各專業、各工種間需要密切協作。在節點施工中，梁柱節點復雜，對圖紙及圖集理解程度要求高，稍有理解不到位就無法進行下一道工序的施工，造成誤工返工。另外，鋼骨型鋼需要預留鋼筋穿孔及鋼筋連接牛腿、套筒、連接板、加勁肋等，需要與加工廠協同，提供詳細加工圖紙。

2.3 BIM 技術應用

（1）復雜節點BIM 深化設計應用

本項目施工圖中只有梁柱平法施工圖，并沒有詳細的節點詳圖，平法施工圖結合圖集施工，這對于鋼骨混凝土混合框架結構這種復雜節點來說，施工圖表達深度達不到施工要求，施工難度較大，也容易出錯，傳統二維深化設計圖紙又不能直觀地表達節點部位的鋼筋關系。針對這種情況，對節點部位進行BIM 深化設計，將二維圖紙和圖集詳圖向三維模型轉化，可視化展現鋼骨、鋼筋之間的關系，指導施工有序進行。

圖2 梁柱節點BIM 深化設計模型

（2）BIM 施工圖優化應用

由于本項目結構施工圖設計中并未充分考慮鋼筋根數與鋼骨穿孔率的問題，個別節點出現了梁鋼筋根數較多，導致柱鋼骨穿孔數量過多，對鋼骨型鋼截面削弱過大的情況。通過節點區BIM 模型鋼筋排布，理清鋼筋與鋼骨關系，將四、五層46 軸鋼骨梁頂部縱筋由6 根20 代換為4 根25，減少穿孔鋼筋根數，滿足型鋼截面削弱率在25%以內的要求。

（3）BIM 圖紙會審應用

圖紙會審是項目施工前的必要程序，傳統施工圖會審一般分專業進行，各專業各看各的問題，設計人員與施工技術人員間的溝通較多，監理、甲方參與度較低。本項目在鋼骨混凝土結構施工圖會審中采用了施工圖結合BIM 模型會審的方式，把傳統施工圖不好表達甚至不能表達的內容在BIM 模型上進行討論，在同一個模型平臺上各專業、各參建方共同參與，發現問題，提出問題，提高協同工作效率。

（4）BIM 工廠加工圖應用

傳統施工圖是從二維圖紙向三維實體想象，BIM 模型則為從三維模型向二維圖紙輸出，BIM 可從模型輸出任意剖視方向的剖面圖和立面圖。在項目節點BIM 深化設計過程中已經對鋼骨型鋼開孔做了準確的定位建模，利用BIM 的出圖功能將開孔加工圖輸出提供給鋼結構加工廠即可，這樣既省去二次深化設計，也保證了鋼筋與鋼骨穿孔的精準定位。

圖3 鋼骨柱型鋼開孔BIM 模型

圖4 鋼骨柱型鋼開孔加工圖BIM 出圖

圖5 柱縱筋與鋼骨型鋼連接鋼板連接BIM 模型

圖6 柱縱筋與鋼骨型鋼連接鋼板連接施工圖片

（5）BIM 節點施工應用

本項目的主要施工技術難點在于其節點施工問題上，施工工序的先后順序、鋼筋穿孔的精準定位、縱筋與鋼骨型鋼的連接、箍筋與鋼骨型鋼的關系等尤為重要，稍有差錯就可能出現后續工序的無法銜接，導致返工。在項目節點施工中主要在以下幾個方面利用BIM 模型進行了施工指導。

a. 柱縱筋與鋼梁翼緣碰撞問題

柱縱筋與鋼梁上下翼緣碰撞時，按《型鋼混凝土組合結構構造》04SG523 圖集的做法，可在鋼梁翼緣打孔，將柱縱筋穿孔通過鋼梁翼緣，在本工程中考慮盡量不削弱鋼梁翼緣面積，采用了鋼梁上下翼緣焊接鋼筋連接板的方式，將柱縱筋與連接板焊接，并在連接板對應的鋼梁翼緣內焊接加勁肋。這種焊接連接板的方式僅適用于鋼梁，不適用于鋼骨梁。

b. 梁縱筋與鋼骨柱型鋼翼緣碰撞問題

梁縱筋與鋼骨柱型鋼翼碰撞時，梁外側縱筋繞過柱型鋼，梁中部縱筋與焊接在柱型鋼翼緣上的鋼牛腿雙面焊接，焊接長度大于等于5d（d 為梁縱筋直徑）。

c. 梁縱筋與鋼骨柱型鋼腹板碰撞問題

梁縱筋與鋼骨柱型鋼腹板碰撞時，梁外側縱筋盡量繞過柱型鋼，梁中部縱筋則穿孔貫穿通過柱型鋼。本項目中，通過BIM 模型鋼筋排布，對原圖紙中的鋼筋根數進行優化代換，盡量減少穿孔鋼筋數量，保證型鋼腹板截面削弱最小。

圖7 梁縱筋與鋼骨型鋼牛腿連接BIM 模型

圖8 梁縱筋與鋼骨型鋼牛腿連接施工圖片

圖9 梁縱筋穿孔貫穿鋼骨型鋼腹板BIM 模型

圖10 梁縱筋穿孔貫穿鋼骨型鋼腹板施工圖片

3 BIM 技術應用成效

通過BIM 技術在實際工程中的應用，取得了以下幾個方面的成效：

3.1 提前發現問題，減少工程變更

在施工前的審圖階段，通過BIM 模型創建，能夠提前發現傳統施工圖中很難發現的“錯、漏、碰、缺”等問題，及時解決這些問題，避免施工過程中的工程變更。

3.2 使深化設計表達更加清晰

基于BIM 技術的復雜部位深化設計能夠更清晰可見地表達傳統二維深化設計圖紙很難表達的內容，使得工程技術人員對技術難點部位的理解更加直觀清晰。

3.3 可視化施工，提高工作效率

在復雜部位施工過程中，隨時可在BIM 模型上進行施工方案討論，也可通過電子設備或手機等通訊工具將施工難度較大部位BIM 模型截圖實時傳送給施工現場各工種作業人員，指導施工，提高工作效率。

3.4 提高協同參與度，改變管理模式

在審圖、方案論證、技術交底等各個環節中，項目參建各方圍繞同一個BIM 模型進行討論，問題的提出和解決方案的討論都是協同的，聯動的。這種協同工作模式也改變了單一分散的施工管理模式。

4 BIM 技術應用存在的問題

4.1 BIM 技術的應用應從源頭開始

BIM 技術應從規劃、設計階段就開始應用，也就是實現正向應用，而不是目前的翻模狀態，設計階段的BIM模型可共享于施工、運維階段，這樣將避免重復勞動，節省建模成本。

4.2 BIM 軟件缺乏，技術不夠成熟

BIM 主流平臺軟件以美國Autodesk 公司的Revit 軟件為主，國外軟件與國內規范的結合度、構造做法的匹配度等諸多方面還需要進一步融合。國內BIM 軟件在綜合應用、協同應用等很多方面技術不夠成熟，需要進一步的更新換代。

4.3 BIM 技術人才短缺

BIM 技術在國內應用時間較短，企業獲得BIM 技術人才主要通過招聘高校畢業生和通過自主培訓的方式，盡管國內建筑類高校或多或少開設了BIM 相關課程，但畢業生在實際工程中應用BIM，并有所成績，需要時間和實踐的考驗，真正能夠應用BIM 為企業創造價值，既懂技術又懂管理的復合型人才少之又少。這也是目前BIM應用與發展過程中制約企業應用BIM 技術的因素之一。

4.4 BIM 應用點不明確

目前的BIM 應用有一部分是甲方要求，還有一部分是為評獎或提高企業知名度，大部分企業還是未能準確定位項目BIM 應用點，實現BIM 應用價值。

5 結束語

BIM 技術是建筑業信息化發展戰略的重要組成部分，也是建筑業轉型升級的重要手段。在鋼骨混凝土混合框架結構施工中引入BIM 技術，以施工圖深化設計、審圖、復雜節點施工為主要BIM 應用點，發揮BIM 技術的可視化、協同性、優化性、可出圖性等特點，將傳統施工圖施工難點部分轉化為可視化、協同化、信息化的施工過程，提高施工效率，避免誤工返工現象，保證精準施工要求，取得了不錯的應用效果。但不可否認的是，在BIM 技術應用過程中也發現，目前國內BIM 技術還處于起步階段，在政策、法律、軟件、人才、應用等各個方面還需要進一步的完善和不斷的優化來支持更深層次和更全面的應用。