基于BIM技術的金屬結構施工

摘 要：近年來，建設工程施工技術在不斷發展，其中BIM技術在各類項目中得到了廣泛應用。根據BIM技術在項目各階段的應用情況，結合某電廠的鍋爐鋼架預制和安裝實例，闡述利用BIM技術對金屬結構進行預制加工，對其內的管線路由和支架進行設計，再利用裝配式施工工藝對鋼架和支架進行組裝，確保整個施工過程中鋼架的安裝質量和施工效率，并有效降低成本。

關鍵詞：BIM技術;金屬結構;鍋爐鋼架;工程施工

中圖分類號：TU17;TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）07-0038-03

0 引言

BIM技術即建筑信息模型，它依托數字三維技術輔助建設工程的設計與施工，項目各專業人員通過模型信息溝通和處理問題，簡化溝通協調過程。通過集成信息，在設計模型中進行結構碰撞檢查，將產品可視化并模擬安裝過程，優化安裝順序和預制工藝流程，提高施工效率，確保設計和施工方案科學合理。

建設工程項目工程量大、流程多、界面復雜、協調難等，利用科學合理的技術指導施工和管理顯得尤為重要， BIM技術是當前建設工程領域應用比較廣泛的技術，可覆蓋建設工程全壽命周期，在每個階段起重要作用，能直接或間接影響建設工程項目的質量、進度、成本、安全等方面。

1BIM技術的應用

1.1 投標階段的應用

在建設工程項目招投標階段，收集產品要求、施工與設計要求、工程量清單等相關信息，利用有效信息及BIM技術，統計出建筑的實物工程量，根據清單計價規則及清單信息，形成招標文件的工程量清單。基于BIM平臺信息，投標方將施工方案以動畫模型的形式呈現，優化施工方案并分區域統計工程材料用量，若將造價軟件與BIM系統中的數據進行共享連接，則能簡化用量及套價等工作，確保計價依據的準確性，有利于造價管理，對項目進行更有依據的合理報價，提升商務標和技術標的競爭力，并為項目后期的設計、施工、竣工、使用提供有效依據，解決后期遇到的問題。

1.2 設計階段的應用

在建設工程設計階段，相關信息管理技術將會發揮很大的作用，利用建筑信息模型BIM技術可實現建筑信息的集成，各種信息整合于三維模型信息數據庫中，該信息庫不僅包含描述建筑物構件的幾何信息、專業屬性及狀態信息，還包含了非構件對象的狀態信息，借助這個包含建筑工程信息的三維模型，大大提高了建筑工程信息集成化程度，為建筑工程項目的相關利益方提供了一個工程信息交換和共享平臺。

BIM技術屬于數字化設計，其數據庫是動態變化的，因此需要信息數據庫的動態管理。需要注意的是，BIM技術不僅在設計階段應用，還應用于建設工程項目的全壽命周期中。通過BIM技術設計建立三維模型，可對建筑物做碰撞檢查，綜合管線優化排布，減少返工、縮短工期，還可在軟件中虛擬施工，通過模型提前預知施工難點，將施工方案模型化，設計出切實可行的施工方案。

BIM技術可實現綜合交通系統規劃、公路交通的設計、地質信息模型數據庫的設計等。基于BIM技術構建綜合交通數據庫的信息模型，該數據庫包含有三維空間數據庫和屬性數據庫，可以滿足綜合交通規范化管理要求，為區域建筑分布和交通區劃研究提供直接數據支持。收集地形圖、地質圖、鉆孔資料后，建立三維綜交通模型，根據相關資料、可對模型實施動態監測，研究其發展規律和存在風險，并設計出交通系統及公路交通相關防范措施等。利用BIM技術構建考慮公路網、區域樞紐、交通樞紐可達性的交通區位和可達性評價模型，分析區域交通優勢，設計綜合交通系統等特大型工程。

1.3 施工階段的應用

在施工階段，施工過程產生大量數據和信息，并不斷變化，加強信息動態管理，制定信息管理制度，各方信息分類和編碼的統一，來實現信息管理的標準化、代碼化和規范化，使信息管理更高效，且不易出錯。施工所用的材料、設備、圖紙等信息都可以通過BIM技術來完成，對這些大量的施工數據信息進行有效管理和動態化控制。

1.3.1 施工準備階段

在施工準備階段，利用BIM技術對施工場地的設備和建筑信息進行整合，對施工場地的資源進度、場地進度、計劃進度和施工進度進行總體協調，論證施工進度的合理性，通過直觀的模型模擬，從施工邏輯、施工工序的合理性進行驗證，對施工過程進行控制，避免施工場地的界面混亂以及資源浪費。具體到合理布置施工場地減少二次搬運，隨著施工的不斷進行，場地情況持續動態變化，依靠BIM技術對變化的信息進行繼續加工。對于建筑構件、設備、管線、電路的布置和更改，則需要依靠BIM技術檢查碰撞，實現合理規劃。

1.3.2 施工方案的評估

根據施工組織設計編制相關施工工藝方案時，可以結合BIM技術，對擬實施的施工工藝進行三維可視化模擬，主要目的是對施工工藝的構成要素進行展示，同時將施工工藝的實施順序和工作流程模擬，項目組人員根據模擬情況，分析工藝方案的優缺點，綜合評判該工藝方案的可行性，有利于推動工藝方案的標準化，針對不同工序匹配最優的施工工藝方案[1]。

1.3.3 施工安全設計

對于施工安全問題，也可結合BIM技術進行控制。首先對現場質量缺陷、風險要素、安全隱患等資料信息進行整合分析，對比BIM模型或圖紙文件，將問題可視化，分析風險嚴重程度，排除隱患的難易，來尋求合適的解決方案，消除風險和安全隱患。當在BIM設計模型中設計施工場地的防火逃生通道，并模擬出危險發生時，沿防火逃生通道疏散的人員在逃生過程中，是否有新的危險源和障礙，來考慮改變通道路線或對路徑中的設計作業改變以及裝設安全裝置等。

當在BIM設計模型中設計消防車通道時，應對通道寬度、高度范圍內障礙物、路面地基作出分析，規劃最優路徑。在項目使用、運營或生產階段時會產生相關信息，如使用情況調查、維修狀況、生產數據等一系列信息，需要對它們進行收集匯總管理并分析，對未來新項目的提出和設計具有重要的指導價值，通過BIM與施工過程記錄信息的關聯，可以實現包括隱蔽工程資料在內的竣工信息總集成，利于項目在使用、運營或生產階段的設施管理，并為項目未來的維護、改造、擴建提供歷史信息。對于項目的安全和消防管理，使用BIM技術對監控設施、消防設施進行合理布置，科學指導人員快速疏散和營救等。

1.3.4 預制鋼結構階段

BIM技術應用在預制鋼結構階段時，可以對預制流程中存在的影響因素進行分析，得出關鍵影響因素，有助于管理人員提前做好預案。在預制初期階段，收集整合并共享預制構件的有關屬性信息，保證設計模型數據信息的真實性和完整性，及時存儲，便于預制全過程中隨時查看和分析屬性信息來支持構件的生產，根據數據信息對預制質量進行控制。同時，可以對所用到的材料在BIM中進行測量計算，并分類統計，將全部材料的用量歸納完整，利于采辦和后期對材料消耗量的監測[1]。如果將造價軟件與BIM系統中的數據進行共享連接，則能簡化用量及套價等工作，確保計價依據的準確性，有利于預制階段的施工和造價管理。

2BIM應用于鍋爐鋼架工程實例

2.1 結構設計與設施布置

以某電廠的鍋爐鋼架為例，如圖1所示，在設計階段，設計人員根據相關信息和需求在BIM平臺對數據模型進行設計，在設計過程中，根據鍋爐鋼架主要尺寸、施工現場情況和現有資源來確定鋼架的各裝配結構段以及各結構段的連接形式。裝配結構段可按一層或多層垂直劃分，如為大型鋼架，平面尺寸比較大，每層還需進行平面或局部區域劃分，各裝配結構段連接形式可為螺栓連接或焊接等。

對鋼架各層平臺進行合理布置，對于鋼架內的附屬結構，如管線路由、管道支架、設備基座、欄桿、扶梯、格柵板等構件結合鋼架整體進行優化設計，還需考慮施工可行性和鍋爐的運行維護，鋼架的每個構件需要輸入準確的屬性信息，如構件編號、材質、規格、型號等。設計模型初步完成后，對各構件進行碰撞檢查，距離和尺寸核算，結構計算分析，節點連接是否可靠，完善相關細節，必要時可以模擬整個施工過程，提前預知施工難點，將施工方案可視化，規避潛在的施工風險，設計出合理的結構模塊。

2.2 裝配材料的準備

2.2.1 數據導出及分類

在BIM中通過完成的數據模型輸出鋼材的屬性參數表格和圖紙，鏈接到企業物料數據庫，調用物料庫存信息，對鋼材進行排版套料。套料好的構件有符合安裝尺寸的立柱、橫梁、托架構件、支架構件、平臺構件、設備基礎件、欄桿構件和扶梯等各類單元件，工作人員將各構件單元進行分類，將每個裝配結構段所需的材料歸集好后，便可組織材料預制和組裝。

2.2.2 分段拼裝及檢驗

施工前根據擬定好的施工計劃，在工廠內按順序對各單元構件進行拼裝，以使對接施工現場的安裝要求和安裝進度。在鋼架安裝過程中，需要對鋼架構件校正、變形、焊接、焊縫尺寸、墊鐵、柱基預留鋼筋等充分考慮。

首先根據裝配結構段圖紙，將各構件按順序組合，立柱、橫梁通過焊接或螺栓連接等形式組成整個裝配結構段，對于結構段內的主要管道支架根據圖紙位置定位，并準確安裝，其他在結構段內的附屬結構也需要一并安裝完成，預先不能安裝的附屬結構可以進行臨時固定，位置應準確，確保在后期各裝配分段安裝完成后，各分段內附屬結構能連貫地連接。

其次，在鋼架梁、柱指定位置焊接吊耳，并對該結構段的連接質量、所用材料、主要尺寸、附屬結構位置等進行復核和檢驗，對焊接部位還需進行無損探傷檢測，檢查合格后，經過除銹噴漆防腐等工序后便可將完成好的裝配結構段運輸到施工現場等待安裝。

2.3 金屬結構、設備的安裝

2.3.1 基礎安裝

鍋爐鋼架安裝前，首先需要對地基基礎復查和劃線，基準軸線應與廠房建筑標準點校核無誤，基礎標高通過基準標高線測量，復查合格后進行基礎劃線，依次劃出各縱橫軸線，劃線完成后準備安裝柱底板。柱底板安裝前在每個地腳螺栓上安裝標高調整螺母便于柱底板的標高調整，隨后開始安裝柱底板。如果鋼架的定位和固定與BIM設計模型位置存在差異時，分析問題產生原因，如確需調整定位的，在BIM設計模型中更新鋼架位置，檢查是否與原設計存在影響，并消除影響。

2.3.2 主體結構、設備安裝

將預制好的第一段鋼架裝配段立柱上劃出1m標高線，對柱子互成90°的兩個側面劃出中心線，便于安裝鋼架時作為垂直度測量的基準[2]。鋼架吊裝前，確保整體加固性能良好，復核裝配段的重量重心，檢查裝配結構段編號及方向，附屬于螺栓、螺母、墊圈接觸的所有接觸面應除去氧化物、毛刺、油脂等影響緊密連接的雜物。吊裝作業采取從前到后、從左到右的吊裝順序，柱子下端墊好道木，防止鋼架立柱與地面接觸，待立柱板與柱底板螺栓穿好后，檢查立柱標高和垂直度，當標高和垂直度調整合格后，將螺栓緊固并對螺栓孔進行一次灌漿。該層鋼架找正、螺栓終緊后，經驗收合格方可進行柱底板與基礎的二次灌漿，待灌漿料強度合格后方可進行下一層裝配結構段的吊裝。吊裝過程可以通過BIM來模擬，檢查起重機吊臂是否和裝配結構存在干涉情況，吊裝過程中裝配結構是否與其他結構有碰撞發生，若存在問題，改變方案消除隱患，確保實際吊裝過程安全穩定。

將預制好的第二段鋼架裝配段吊裝，首先確定好重心，將索具安裝到裝配段吊耳上，在結構上綁好牽引繩，在安裝過程中確保裝配段的垂直度，必要時可設置導向限位結構，當裝配段吊至目標位置后，將立柱底部與第一段頂部點焊臨時固定，檢查裝配段垂直度及各裝配段內附屬構件的過渡連接情況，確認位置無誤后，根據圖紙將第二段與第一段進行可靠連接或焊接，并將第二段和第一段內的附屬結構件和中間過渡件可靠連接或焊接。第三、四段等上部鋼架裝配結構段同理進行安裝，以此類推。各裝配段的扶梯和格柵均在工廠預制階段安裝完畢，便于后期人員通行，檢查各裝配段之間連接質量。

高強度螺栓緊固完畢后，經檢驗合格后方能繼續吊裝另一段裝配結構段，以免造成無法糾正的偏差，各段安裝完畢后，最后對鍋爐鋼架整體驗收[3]。

3結語

BIM技術作為現代工程建設領域中的重要技術，高度契合建設工程的精細化管理，可應用于項目可行性研究、工程招投標、造價管理、工程設計、深化設計、施工建造、工程驗收等建設工程各個環節，產生大量的數據信息，對項目的溯源、質量控制、運營期維護提供了充實的依據。

將BIM技術的應用細化到鋼結構加工制造安裝方面同樣具有較強的優勢，在設計階段優化設計方案，在施工階段輔助生產預制和安裝，整合材料設備等數據信息，與數字化加工技術相結合，為鋼結構安裝施工提供重要的技術支撐，可在建設工程項目中與裝配式施工工藝相結合，能夠實現作業效率的提升，工期的提前，成本的壓縮，工程質量的提高。促進建筑企業的發展，為社會經濟的發展加速充能。因此，合理運用BIM技術對建設工程的設計和施工具有重要意義。

參考文獻

[1] 冷新中.BIM數字化加工技術在鋼結構加工中的應用研究[J].中國建筑金屬結構，2021（1）：90-91.

[2] 張晶瑩，郗晶.淺論電廠鍋爐鋼架的安裝[C]//.2017年8月建筑科技與管理學術交流會論文集，2017：176-177.

[3] 王龍利.鍋爐鋼架安裝的方法及內容[J].科技創新與應用，2015 （3）：76.

收稿日期：2022-02-17

作者簡介：劉毅（1987—），男，湖北咸寧人，本科，工程師，研究方向：機電工程。