BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅中的應(yīng)用

謝強(qiáng)

（山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262500）

1 BIM 技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

1.1 精準(zhǔn)的下料預(yù)加工

BIM 技術(shù)能夠準(zhǔn)確清晰地提出工程項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)施工物料清單，支持各種類型鋼構(gòu)件生產(chǎn)下料等工作，詳細(xì)準(zhǔn)確地確定下料清單，全面提高下料和預(yù)加工的準(zhǔn)確度，縮短復(fù)雜材料和規(guī)格板面加工的時(shí)間，提高生產(chǎn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，有效協(xié)同配置人力、物料、時(shí)間等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差大的廢料、圖紙修改等建設(shè)成本的嚴(yán)格控制[1]。

1.2 可視化精準(zhǔn)設(shè)計(jì)

利用BIM 技術(shù)開展裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將構(gòu)件的形狀、尺寸、材質(zhì)、熱傳系數(shù)、防水性能、抗風(fēng)壓強(qiáng)度等多種信息詳細(xì)、完整地羅列出來，這為工程生產(chǎn)中下料預(yù)加工板塊、構(gòu)件提供了有力支持，節(jié)省了紙質(zhì)辦公這一環(huán)節(jié)的成本，可以保證數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，同時(shí)有助于節(jié)能環(huán)保。利用BIM 技術(shù)還可以全方位地呈現(xiàn)復(fù)雜施工階段、連接方案等施工技術(shù)工藝，就其中是否存在設(shè)計(jì)問題進(jìn)行明確，及時(shí)糾正設(shè)計(jì)方案中的不足，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的目的[2]。

1.3 參數(shù)化虛擬建造

利用BIM 技術(shù)可以真實(shí)地確定物料相關(guān)幾何屬性參數(shù)，比如物料造價(jià)、編號(hào)、熱共性等，就鋼結(jié)構(gòu)住宅造型、節(jié)能、安全等重要指標(biāo)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，有效協(xié)調(diào)施工進(jìn)度、系統(tǒng)等方面，采取合適的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化關(guān)聯(lián)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和施工協(xié)同工作，有效提升施工效率和質(zhì)量。利用BIM 技術(shù)虛擬建造功能還可以盡量避免技術(shù)干擾問題，提前確認(rèn)好各個(gè)位置的關(guān)系，為后期安裝鋼構(gòu)件施工操作提供有力的支持[3]。

1.4 相關(guān)專業(yè)一體化

設(shè)計(jì)師可以在信息化平臺(tái)中共享設(shè)計(jì)信息，保證各個(gè)專業(yè)和各方單位可以及時(shí)地了解建筑鋼結(jié)構(gòu)造型、外部空間、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物料材質(zhì)等內(nèi)容，利用BIM技術(shù)糾正多專業(yè)設(shè)計(jì)中存在的沖突，優(yōu)化設(shè)計(jì)版塊，精準(zhǔn)計(jì)算型材，合理調(diào)整參數(shù)，確保設(shè)計(jì)方案和施工技術(shù)方案能夠和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求相吻合。

1.5 全方位出圖自動(dòng)化更新

在BIM 系統(tǒng)中，建筑鋼結(jié)構(gòu)平面圖、剖面圖、俯視圖等都可以自動(dòng)生成并且自由轉(zhuǎn)換。如果設(shè)計(jì)師需要修改鋼結(jié)構(gòu)架構(gòu)參數(shù)，只需要調(diào)整其中某項(xiàng)參數(shù)就能夠自動(dòng)可視化修整成果圖。這種方式可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工作效率的有效提升，有效避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中漏改、改錯(cuò)等設(shè)計(jì)問題。此外，在具體落實(shí)鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)方案過程中，可以利用數(shù)字化、可視化設(shè)計(jì)方案有效指導(dǎo)施工人員操作，保證施工人員對(duì)各個(gè)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行明確掌握，利用坐標(biāo)數(shù)據(jù)嚴(yán)格控制安裝精度和允許偏差，實(shí)現(xiàn)作業(yè)效率的提升，實(shí)現(xiàn)施工技術(shù)方案的高效落實(shí)。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅常見問題

2.1 PC 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PC 結(jié)構(gòu)是預(yù)制鋼筋混凝土裝配式結(jié)構(gòu)的英文縮寫，PC 結(jié)構(gòu)和鋼框架結(jié)構(gòu)是當(dāng)前中國(guó)建筑行業(yè)工業(yè)化的2 種主要形式。雖然中國(guó)建筑工業(yè)化已經(jīng)取得了一定的發(fā)展，但是工業(yè)化程度效率仍然不高，即便是經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的城市也沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展相對(duì)落后，很多零部件仍然無法通用，沒有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。不過在國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策的引導(dǎo)下，傳統(tǒng)粗放型建筑施工已經(jīng)逐漸被淘汰，新型建筑結(jié)構(gòu)體系逐漸登上舞臺(tái)，雖然當(dāng)前還處于探索階段，但是有著十分廣闊的發(fā)展前景，很多地區(qū)開始出現(xiàn)PC建筑工業(yè)化體系，示范性項(xiàng)目也逐漸增多。中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅工業(yè)化建筑設(shè)計(jì)相比于發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚，PC 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定的不足，很多戶型設(shè)計(jì)中沒有采取規(guī)范化的組合方式，無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)建造。有的住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)的PC 結(jié)構(gòu)，組合形式不多，這不利于裝配式建筑工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn)[4]。

2.2 構(gòu)件規(guī)格不統(tǒng)一

如果沒有標(biāo)準(zhǔn)化地完成各個(gè)構(gòu)件設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致增加工程加工制作成本和難度，有的構(gòu)件甚至還需要運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行切割，耗費(fèi)了大量的材料和資金，降低了施工效率。也正是由于缺乏模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致有的住宅建筑安裝中沒有統(tǒng)一墻板水平、豎直排列方向，構(gòu)件較多，需要投入的成本較高，沒有充分發(fā)揮出其經(jīng)濟(jì)性價(jià)值。部件缺乏足夠的互換性，匹配度不夠，無法大規(guī)模生產(chǎn)，不利于鋼結(jié)構(gòu)住宅工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展[5]。

2.3 缺少全裝修和設(shè)備一體化的集成化設(shè)計(jì)

當(dāng)前中國(guó)裝配式住宅建筑處于前期發(fā)展階段，難以高效地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、零部件、機(jī)電器具、裝配施工、裝飾裝修等一體化集成設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員沒有深刻地認(rèn)識(shí)到裝配式住宅建筑的技術(shù)、質(zhì)量、效益等方面的協(xié)調(diào)問題，缺乏足夠的設(shè)計(jì)能力，很少設(shè)計(jì)出模塊化的產(chǎn)品。在裝配式住宅設(shè)計(jì)領(lǐng)域，建筑信息模型技術(shù)正在逐漸推廣應(yīng)用，但是仍然沒有實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工一體化[6]。

3 基于BIM 技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)方法

3.1 戶型庫(kù)的建立

臥室、客廳、廚衛(wèi)等模塊共同組成了戶型庫(kù)，設(shè)計(jì)師根據(jù)精細(xì)化設(shè)計(jì)可以確定模塊大致尺寸，對(duì)模數(shù)協(xié)調(diào)性進(jìn)行充分考慮后，建設(shè)通用的模塊。同時(shí)，要保證各個(gè)功能模塊可以相互組合，最終構(gòu)成多種類型的戶型圖[7]。

3.2 戶型的平面組合

在連接戶型過程中，需要對(duì)墻柱重合問題加強(qiáng)分析。連接組合和重合組合是戶型之間組合的2 種方式，重合組合主要指的是建筑、結(jié)構(gòu)方面的組合，連接組合主要是建筑和其他設(shè)備的組合。內(nèi)墻、內(nèi)外隔墻、柱子、剪力墻都是戶型重合組合的部分。為了提高戶型重合的效率，可以將其他重合部位構(gòu)件盡量刪除，保留相對(duì)長(zhǎng)的構(gòu)件。戶型的組合如圖1 所示[8]。

圖1 戶型的組合

3.3 標(biāo)準(zhǔn)層的創(chuàng)建

戶型之間的組合、交通模塊和戶型的組合為主要樓層標(biāo)準(zhǔn)層，戶型、樓梯、電梯、前室、走廊、電梯井等是住宅標(biāo)準(zhǔn)層的組成內(nèi)容，有的住宅還存在一些不符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)中，需要配備一些標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊，還要處理一些不標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，只有充分組合這些結(jié)構(gòu)才能組建完整的住宅建筑。在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)層時(shí)通常采用對(duì)稱布置方式。戶型對(duì)稱能夠規(guī)整結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)，能夠提高住宅結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)中，先要做好標(biāo)準(zhǔn)層的合理設(shè)置，要盡量簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)層。

3.4 整體建筑的協(xié)同設(shè)計(jì)

整體協(xié)同設(shè)計(jì)需要組合首層、標(biāo)準(zhǔn)層和其他部分，形成完整的住宅結(jié)構(gòu)。在各個(gè)部分樓層連接過程中需要協(xié)調(diào)處理建筑、結(jié)構(gòu)等各個(gè)專業(yè)整體。協(xié)同設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括專業(yè)內(nèi)協(xié)同性和專業(yè)間協(xié)同性。所謂專業(yè)內(nèi)協(xié)同就是要保證設(shè)計(jì)符合該專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。專業(yè)間協(xié)同是保證各個(gè)專業(yè)能夠協(xié)調(diào)不沖突。

通過協(xié)同設(shè)計(jì)能夠保證各個(gè)專業(yè)技術(shù)更好地合作，避免設(shè)計(jì)和施工中出現(xiàn)沖突，加強(qiáng)信息交流，避免信息孤島，有助于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、物流、裝配一系列工序的順利銜接，有助于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化發(fā)展[9]。

3.5 自動(dòng)生成工程圖并匯總工程量

相比于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅能夠批量生產(chǎn)運(yùn)輸，可以簡(jiǎn)化施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，節(jié)省施工時(shí)間，如果實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)還能夠大大節(jié)約成本。利用BIM 技術(shù)可以高效地分類匯總整個(gè)裝配式鋼結(jié)構(gòu)組件數(shù)量和類型，能夠保證工作人員快速獲取詳細(xì)的工程數(shù)量列表。此外，BIM 技術(shù)的繪圖和自動(dòng)更新數(shù)據(jù)功能十分強(qiáng)大，在自定義圖紙模板后能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)方案圖的優(yōu)化，便于簡(jiǎn)化管理施工中的連接節(jié)點(diǎn)。利用BIM 技術(shù)還能夠可視化觀察施工過程，明確是否存在施工沖突，保證設(shè)計(jì)方案可行。

4 BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅中的應(yīng)用

某保障性住房項(xiàng)目建筑單元共計(jì)10 棟，總建筑面積為144 785.72 m2，住宅上部分主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，其中1#—9#綜合使用支撐結(jié)構(gòu)體系和扁柱-H 形鋼結(jié)構(gòu)，10#樓采用的是扁柱-H 形鋼結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目使用大約10 000 t 鋼結(jié)構(gòu)。

4.1 建立鋼結(jié)構(gòu)模型

該項(xiàng)目使用Tekla Structures軟件建立鋼結(jié)構(gòu)模型，該軟件允許多人同時(shí)操作同一模型，能夠保證鋼結(jié)構(gòu)住宅三維模型快速構(gòu)建。工作人員在BIM 模型中輸入鋼構(gòu)件螺栓孔孔徑、構(gòu)件材質(zhì)、零構(gòu)件的BIM 編號(hào)等所需要的信息。

4.2 整體受力分析

在軟件構(gòu)建模型并且檢查無誤后導(dǎo)出dxf 的受力構(gòu)件文件，然后再將該文件導(dǎo)入到MIDAS Gen 軟件中，分析結(jié)構(gòu)永久荷載、地震等作用下整體結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等受力情況。

4.3 連接節(jié)點(diǎn)細(xì)部受力分析

在ANSYS WorkBench 軟件中導(dǎo)入鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)，分析連接節(jié)點(diǎn)局部受力情況。系統(tǒng)可以快速發(fā)現(xiàn)局部應(yīng)力超出規(guī)范要求的情況，工作人員根據(jù)分析結(jié)構(gòu)畸形調(diào)整，再次分析建模，直到所有位置都和規(guī)范要求符合。

4.4 碰撞（干涉）檢查

與傳統(tǒng)二維圖紙相比，三維立體模型的碰撞檢查功能可以將發(fā)生沖突的位置快速準(zhǔn)確地定位，減少尺寸不匹配、構(gòu)件施工沖突等問題，進(jìn)而保證如期完成工程建設(shè)，減少工期延誤引發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益降低問題。

4.5 二維加工圖輸出

Tekla Structures 和SolidWorks 還可以實(shí)現(xiàn)三維模型到二維圖紙的高效轉(zhuǎn)換，有著強(qiáng)大的轉(zhuǎn)化功能，還可以輸出二維加工圖，為工作人員交流提供便捷。通過這些軟件系統(tǒng)檢查和審核后輸出的加工圖較為準(zhǔn)確，如果發(fā)生設(shè)計(jì)變更，系統(tǒng)還能夠自動(dòng)進(jìn)行二維圖紙的改動(dòng)，保證和三維模型一致，確保圖紙的準(zhǔn)確度。

5 BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅施工中的應(yīng)用

5.1 鋼構(gòu)件的安裝要點(diǎn)

鋼構(gòu)件的安裝要點(diǎn)如下：①清理干凈基礎(chǔ)部分，吊裝首層鋼柱，做好基礎(chǔ)標(biāo)高螺栓螺母的調(diào)整，然后開始安裝鋼柱；②從底板向上500～1 000 mm 處劃一道水平線，起吊柱子，在安裝后固定前核對(duì)平面標(biāo)高基準(zhǔn)；③邊安裝邊校核鋼柱的垂直度，避免累積誤差過大，應(yīng)當(dāng)在溫度恒定的時(shí)間段進(jìn)行校核工作；④安裝鋼梁，做好鋼梁保護(hù)，平衡好各個(gè)吊繩，避免起吊后變形。吊索角度應(yīng)當(dāng)控制在60°以上，牢固地綁扎并通過計(jì)算準(zhǔn)確地確定所用吊索；⑤按照從中部向四周擴(kuò)散的方式對(duì)稱焊接接頭，遵循先頂層梁后底層梁的順序焊接，然后完成次頂層梁、次層梁焊接。柱對(duì)接焊縫可先可后。

5.2 預(yù)制構(gòu)件吊運(yùn)過程

在吊運(yùn)預(yù)制構(gòu)件過程中，首先要確定好起重機(jī)的選型。裝配式住宅所用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件往往有著較大的體積和質(zhì)量，所以需要借助起重機(jī)這一大型吊裝設(shè)備完成吊運(yùn)作業(yè)。工作人員需要按照工程實(shí)際情況需要，明確構(gòu)件體積、質(zhì)量后合理選擇起重設(shè)備規(guī)模，確保能夠和工程相適應(yīng)。如果選用的型號(hào)過小，那么在吊運(yùn)過程中可能會(huì)發(fā)生滑落等安全問題；如果選用過大的設(shè)備，會(huì)白白浪費(fèi)設(shè)備和資金。同時(shí)，工作人員要注意查驗(yàn)起重機(jī)的進(jìn)場(chǎng)手續(xù)，按照說明合理操作起重機(jī)。其次，在使用起重機(jī)前，需要對(duì)操作人員展開針對(duì)性的培訓(xùn)，避免操作人員技術(shù)水平不高或者沒有按照規(guī)范操作引發(fā)安全事故。最后，充分做好安全防護(hù)措施。在起吊和安裝鋼構(gòu)件過程中，要設(shè)置警戒線，避免無關(guān)人員進(jìn)入到施工現(xiàn)場(chǎng)，避免人員停留于起重機(jī)下方。

5.3 三維場(chǎng)地布置，空間資源精細(xì)管理

施工現(xiàn)場(chǎng)大多都有著較大的空間，但是開發(fā)利用率卻不高。在建造裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅過程中，人們更多的關(guān)注點(diǎn)在項(xiàng)目本身上，比如對(duì)施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度等高度重視，但卻不重視施工現(xiàn)場(chǎng)管理。比如有的單位沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)資源的高效利用。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅施工中，可以充分利用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，提高現(xiàn)場(chǎng)空間資源利用率。場(chǎng)地三維化構(gòu)建并不困難，難點(diǎn)在于管理者如何將其落實(shí)。管理者可以利用BIM 技術(shù)的可視化功能快速地決定應(yīng)當(dāng)如何開展現(xiàn)場(chǎng)空間資源的利用，控制項(xiàng)目成本的同時(shí)增加項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。三維場(chǎng)布可以直觀地協(xié)調(diào)和呈現(xiàn)各個(gè)部門在施工現(xiàn)場(chǎng)的工作內(nèi)容，管理者的任務(wù)就是制定決策，分配任務(wù)。

5.4 物料精確統(tǒng)計(jì)，動(dòng)態(tài)管控

利用BIM 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)物料信息要素的梳理，能夠在二維碼中集成構(gòu)件的生產(chǎn)日期、生產(chǎn)廠家、構(gòu)件尺寸等信息內(nèi)容，綁定物料和二維碼，利用BIM 模型進(jìn)入到二維碼信息管理系統(tǒng)，清晰地了解建筑物構(gòu)件的相關(guān)信息。此外，BIM 模型記錄構(gòu)件狀態(tài)信息的能力并不是很強(qiáng)大。為了改善這方面的不足，工作人員可以開發(fā)管理系統(tǒng)，專門用于記錄和管理裝配式建筑工程施工中的各種信息數(shù)據(jù)，同時(shí)統(tǒng)一二維碼信息和BIM 模型信息，提高物料跟蹤管理能力。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中應(yīng)用BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、安裝過程整體優(yōu)化，設(shè)計(jì)師可以利用可視化模型清晰地查看設(shè)計(jì)方案是否合理，能夠協(xié)同各個(gè)專業(yè)，保證施工順利高效地開展。雖然當(dāng)前BIM 技術(shù)在裝配式住宅中的應(yīng)用仍然存在一定不足，但是憑借著諸多優(yōu)勢(shì)，無論是BIM 技術(shù)還是裝配式住宅，都有著十分廣闊的發(fā)展前景，未來可期。