BIM技術在鋼筋分項工程的應用探索
——以福建省婦產醫院項目為例

倪 楊

(福建建工集團有限責任公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著中國經濟轉向高質量發展，當前工程建設行業競爭日益加劇，提高企業經濟效益、降低成本、減少生產浪費，是擺在施工企業面前的唯一出路。而BIM技術的深入應用，可有效解決上述問題，有助于企業的高質量轉型。

對于一般項目而言，鋼筋分項工程是土建工程中的重要分項，其造價所占比例較大。磚混結構中，鋼筋占土建造價比例約為18%；框架結構約為31%；剪力墻和框架-剪力墻相均為32%左右[1]。傳統的分散鋼筋加工是一項勞動密集型作業項目，其造成鋼筋浪費是普遍存在的問題。而基于BIM的鋼筋施工深化與下料優化，將為施工企業帶來較強的競爭力，尤其是在鋼筋節點復雜、施工場地有限的建設項目，鋼筋分項工程成本把控的優越性將更為顯著。

1 鋼筋管理流程及翻樣方法

鋼筋管理流程：鋼筋下料表→鋼筋算量→鋼筋原材計劃→鋼筋原材采購→進場原料驗收、出入庫→鋼筋加工→鋼筋綁扎[2]。

鋼筋翻樣方法：單筋法、放樣法、表示法、表格法、構件法、圖形法、轉化法、演示法。其中構件法是當今應用最廣泛的方法，但其原生多是為了預算、造價所開發，將其用于鋼筋翻樣時，常有與現場實際施工脫離的現象，難以用于指導施工。

2 技術路線

由中國建筑標準設計研究院有限公司牽頭承擔的中國工程建設協會標準《混凝土結構鋼筋詳圖統一標準(征求意見稿)》，現已完成意見征求階段。征求意見稿指出：鋼筋詳圖軟件宜采用BIM技術創建鋼筋BIM模型，并能使用模型進行鋼筋間距檢查和碰撞檢查，可視化調整鋼筋位置，模擬鋼筋綁扎過程，布置鋼筋間隔件，自動生成各個構件的鋼筋配料單、鋼筋排布圖、鋼筋間隔件表或鋼筋間隔件排布圖，同時還可輸出鋼筋加工設備加工鋼筋所需的數據文件[3]。

因此，福建省婦產醫院項目確立了采用BIM技術開展對鋼筋分項工程應用探索的技術路線，實現對項目鋼筋分項工程的深化建模、工程量計算以及數據分類匯總，最終實現鋼筋的優化配料和數控加工，將廢料率降到最低，提升鋼筋分項工程的數字化水平，從而提高項目的數字化管理能力。

2.1 鋼筋實體模型建立

國際知名的鋼筋建模軟件有Revit、Bentley、Tekla、allplan等，國內的鋼筋建模軟件有廣聯達、魯班、品茗、晨曦等。

該項目中，我司采用的是晨曦鋼筋建模及翻樣軟件。根據國家規范、建筑標準、設計標準、16G101系列圖集等，預先在軟件進行按照結構施工圖的構造要求，添加鋼筋相關的數值設置庫,如圖1所示。如鋼筋抗震錨固長度、鋼筋連接設置、鋼筋抗震搭接長度、節點圖設置等，再按照項目設置→鋼筋信息輸入→鋼筋布置功能→生成鋼筋實體等操作流程，完成初步鋼筋模型的快速建立。解決了醫院項目鋼筋建模難、復雜、體量大等問題，并且可根據需求選擇鋼筋實體方式建立模型或是鋼筋數據方式建立模型，解決了以往Revit環境中Extensions插件僅能通過鋼筋實體方式建立BIM模型，導致對硬件設備要求高、電腦卡頓的問題。

圖1 軟件中的鋼筋錨固長度設置表

2.2 鋼筋施工深化

鋼筋施工深化的欠缺，給鋼筋分項工程造成了諸多隱患，直接影響混凝土結構施工質量。我司采用文中2.1方法建立初步鋼筋模型后，實現了項目鋼筋類型、長度和截面尺寸的全面統計，同時結合施工技術在項目施工前發現并解決原結構設計中存在的問題：

例1：主筋、箍筋間距過小，不利于項目現場混凝土澆筑、振搗。它可能將導致混凝土中的粗骨料難以穿過，大量擁堵在鋼筋外側，使水泥漿難以進入內部；或振搗棒難以深入或無法插入，導致振搗不充分不到位。進而產生拆模后爛根、露筋、空穴現象，影響結構質量。

例2：搭接鋼筋直徑相差兩級以上。如項目中有下層柱角筋為22 mm上層為16 mm的情況，優化后上層柱角筋為18 mm。在對焊時，鋼筋直徑相差兩級以上，易在此部位形成應力集中，且鋼筋的偏心很難控制，影響結構質量。

例3：同一梁截面內鋼筋直徑相差4 mm以上。如項目中有梁上部通長鋼筋采用22 mm+14 mm的情況，優化后梁上部通長鋼筋為2根18 mm。同一截面內鋼筋直徑相差過大，可能會造成受力不均，影響結構質量。

針對如上述等問題，我司在BIM初步鋼筋模型中，根據“等強代換”“等面積代換”“并筋”等原則和方法，進行鋼筋施工深化，如圖2所示，并經設計院同意后輸出總體鋼筋施工深化模型，且根據針對復雜節點鋼筋綁扎進行施工指導。但在深化過程中，切忌追求以單方面減少含鋼量為目的的單項最優，對原設計的改進應是以追求整體最優為原則。

圖2 鋼筋復雜節點深化局部模型

2.3 鋼筋優化配料

在總體鋼筋施工深化模型中，可根據項目現場實際繪制施工流水段。通過輸入軸號、選擇軸號、手工繪制等方式實現分段劃分模型區域，而后按劃定的不同區域，自動讀取總體鋼筋深化模型中的相關信息，生成料單、排布圖、三維標模型，供鋼筋集中加工廠、材料領用人、交底人員、施工人員使用。

根據生成的料單優化料需，確定直條鋼筋如何裁切才下料最省。以項目現場A施工段14 mm鋼筋進料為例：由該區域料單可知所需14 mm鋼筋總長為203.54 m，其中有A種長度5.45 m共計22根、B種長度4.17 m共計12根、C種長度2.1 m共計16根，項目現場直條鋼筋原料長為9 m和12 m兩種類型，采用鋼筋閃光對焊工藝(或其他對接工藝)，使直條鋼筋在數控機床上為無限長模型，分析如何能在接頭避開1/3加密區的情況下裁切且使得廢料最少，進行數學模型計算。

首先分析出共計有ABC 3種長度排列組合9種可能性，分別為AAA、AAB、AAC、ABB、ABC、ACC、BBB、BBC、CCC；且A長度搭接點不得在1.82 m范圍內、B長度搭接點不得在1.39 m范圍內、C長度搭接點不得在0.7 m范圍內。再根據連立川等人指出如方程(1)和(2)[4]為邏輯原理，和Dynamo軟件編程進行最優算法優化求解，便可有效得出鋼筋最優配料方案。

(1)

約束方程：2x1+x2+x4≥20

2x2+x3+3x5+2x6+x7≥45

x1+x3+3x4+2x6+3x7+5x8≥50

(2)

其中，x是總使用鋼筋根數，xi包括x1～x8是幾種方法的使用次數。

最終可知，鋼筋最優配料為：9 m長鋼筋原料12根，裁切模型為AC1B1B2C2，連接點在B1鋼筋1.45 m處滿足需在1.39 m以外條件，廢料長度為6根0.01 m；12 m長鋼筋原料8根裁切模型為A1A2CA3A4，連接點在C鋼筋1.1 m處滿足需在0.7 m以外條件，廢料長度為4根0.1 m。經過優化配料后，鋼筋廢料總計長度為0.46 m，損耗率為0.22%，從源頭控制了鋼筋分項工程的成本。

2.4 鋼筋集中數控加工

由于項目現場傳統鋼筋加工廠占地面積大、噪聲污染大、庫存成本高、材料管理混亂等經濟、環境和安全問題大量存在，且僅采用管理手段進行鋼筋優化配料交底，依然很難避免人為裁切操作的隨意性，使得鋼筋優化配料成為一紙空談。

如今，當我們擁有了準確的鋼筋施工深化模型、鋼筋優化配料成果以及鋼筋數控連接、加工設備，機器就可根據BIM信息,如圖3所示,完成鋼筋的集中自動加工：①自動進料(讀取鋼筋直徑和等級)、②套絲、調直與彎折(讀取鋼筋幾何形狀)、③連接與裁切(讀取鋼筋優化配料表)、④自動成品分類(讀取鋼筋編號)。從此不再受到項目現場場地條件、氣候條件、人員素質、裝備水平等影響，為項目提供高標準、高效率、低成本的先進管理模式，充分發揮國有企業、大型企業的體量優勢和集成效應，減少項目現場作業有效控制污染和浪費，真正做到節地、節水、節材、節能和環境保護的綠色建造。

圖3 軟件中的鋼筋區域配料表

3 結語

該項目在鋼筋分項工程的應用，作為中華人民共和國住房和城鄉建設部軟科學研究項目智能建造新技術新產品創新服務案例——自主可控數字化設計軟件——《晨曦BIM(土建、鋼筋、安裝)算量軟件》中的工程應用案例入庫。同時，本項目的BIM技術整體應用也獲得中國施工企業管理協會“第二屆工程建設行業BIM大賽——建設工程類應用”二等獎。相信隨著建筑智能機器人、5G以及建筑行業的數字化轉型升級等，BIM技術的應用也必將得到大力、飛速的發展，具有完備的BIM+整體解決方案和應用能力，定能為傳統施工企業高質量轉型插上新的翅膀。