基于BIM技術的鋼結構工程深化設計

王 鋒

鋼結構工程與傳統混凝土結構相比，具有造型多變、工期短、建材可循環利用以及濕作業量較少等特點，且在結構設計、建設工期和功能使用等方面具有明顯的優勢，因此在各種結構類型的工程中得到廣泛應用。基于此，本文重點分析了基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術的鋼結構工程深化設計。

1 鋼結構工程的特點

在眾多建筑形式中，鋼結構的利用率最高，因此針對鋼結構工程的研究日漸增多。鋼結構工程的特點如下。

（1）地基要求較低。傳統鋼筋混凝土結構工程的原材料主要是鋼筋和混凝土，土質條件不好的天然地基無法承受建筑整體荷載，需采取壓實法、換填法等處理地基。而鋼結構工程由于自重輕，對地基要求不高，投入成本比較低[1]。

（2）抗震性能好。鋼材具有強度較大、抗拉伸等特點，屬于延性材料，相同荷載作用下鋼結構遭受的破壞比混凝土結構小，具有較強的抗震性能。另外，鋼材阻尼比較小，在地震力作用下會發生較大的變形，但由于鋼結構的韌性較強，變形時可以消耗地震能量并很快恢復原狀。

（3）綠色環保。在建筑工程中，鋼結構使用壽命較長、硬度較高且可以循環利用，能夠降低材料成本，減少建筑垃圾，符合綠色環保理念。而且使用模塊化組裝鋼構件，工序比較簡單，施工速度快。

（4）構件碰撞、交叉影響較大。在深化設計中，由于構件間存在較大的碰撞和交叉，節點優化設計難度較大，因此需要提前考慮。

2 鋼結構深化設計存在的問題

2.1 設計內容復雜

隨著經濟的快速發展，建筑工程規模日益擴大，并且功能越來越豐富、空間越來越大、居住舒適度越來越高，對建筑配套多元化設備的要求也越來越高。由于鋼結構設計內容復雜，某部分的變動有可能會影響整個工程的最終質量，因此要及時進行調整。例如，技術人員在分析鋼結構深化設計方案時如果發現材料用量超出預期，應為設計人員提出具體的修改意見，設計人員完成方案修改后反饋給附屬設備設計人員，由其進行細化調整，最后再返給技術人員進行材料用量評價。

2.2 構件存在空間碰撞問題

鋼結構設計不但內容復雜而且不同部位的設計相對獨立，利用不同媒介同時開展設計工作可能會使構件出現空間位置碰撞。建筑設計主要是為了規范調整每一層的布局規劃，同時根據甲方具體要求進行建筑造型設計并構建三維模型，所用設計軟件一般包括計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）和3D Max 等。同時，鋼結構設計還需要運用PKPM 等軟件進行結構計算，研究結構內部不同位置的應力水平，計算穩定性、強度等各項指標能否達到相應標準。另外，鋼結構工程通常使用廣聯達、能源與環境設計先鋒（Leadership in Energy and Environmental Design，LEED） 等預算軟件確定經濟效益和工程量等參數，但是由于軟件種類與所屬公司等因素限制，難以實現信息共享，導致構件可能存在空間碰撞問題，帶來安全隱患。

2.3 未考慮實際施工中的偏差問題

一般情況下，鋼結構工程施工可分為工廠預制和現場拼接2 部分，其中拼接階段的人工作業決定著鋼結構建筑的質量。為方便鋼構件的運輸與安裝，鋼結構工程所使用的預制構件大多體積較小，在構件焊接等環節容易受到外界影響，導致材料變形、位置偏移。即使單個構件誤差較小，但由于數量多，一定時間后也可能出現較大偏差，嚴重影響整體結構安全。此外，焊接工序過于集中是鋼結構出現偏差的另一個原因[2]。工程施工現場效果如圖1 所示。

圖1 現場效果圖

2.4 未建立完善的成本控制機制

與傳統建筑相比，鋼結構建筑的建設成本更加難以管控。例如，國家大劇院采用的是鋼結構殼體結構，根據設計方案建設預算大概是25 億元，然而實際建設成本高達30.67 億元。建設成本的提高一方面難以確保鋼結構工程順利完工，另一方面會影響開發商的資金流動，甚至導致爛尾。總之，以上問題出現的原因為鋼結構設計中未綜合考慮實際建設條件及工程運營情況，未建立完善的成本控制機制[3]。

3 BIM 技術在鋼結構深化設計中的應用

對于現階段鋼結構設計環節出現的問題，相關設計人員需要針對性地進行深化設計。具體來講，深化設計就是利用設計軟件實現設計的可視化，并在此基礎上輔助設計者準確分析設計方案，明確其中存在的問題。隨著科學技術的不斷進步，BIM 技術取得了長足進步并得到大力推廣，已廣泛應用在鋼結構工程建設中[4]。

3.1 工程概況

以某新建城市中央商務區（Central Business District，CBD）項目中的A 座建筑為例，建筑面積為32 645.72 m2，其層數包括地下3 層和地上32 層。該建筑分為地上商業建筑和地下車庫，結構形式為框支剪力墻結構。其中，-3 ～4 層每層有38 根型鋼柱，中間的剪力墻結構采用鋼板剪力墻形式。型鋼柱、型鋼梁翼緣及鋼板剪力墻雙側均焊接栓釘，所有型鋼及剪力墻材質均為Q345B。

3.2 鋼結構設計內容整合

為有效解決二維平面難以準確判斷空間位置的問題，將建筑平面設計各項基本參數輸入Tekla Structures 軟件中，建立形象的三維模型，并根據受力情況初步判斷設計方案是否合理。另外，在逐步完善各種附屬設備設計的基礎上，該軟件還能夠更加準確地計算經濟效益，并給出修改意見。與傳統設計相比，BIM技術能夠將各項設計內容整合在同一平臺內，從而簡化了鋼結構設計流程，縮短了設計周期，還可以輔助判斷設計方案是否合理，從整體上提高了鋼結構建筑設計的水平。如圖1 所示，Tekla Structure模型 的TS 節點庫包含各個國家規范所規定的型材截面，可以自定義特殊的截面形式或沿長度變化的變截面構件，且為不同規格的構件定義不同的顏色。

圖4 基于BIM 的信息共享平臺

3.3 鋼結構構件碰撞處理

鋼結構建筑中普遍使用的管線、梁柱等可借助Navisworks 軟件實現空間位置層面的碰撞檢測工作，從而為設計人員提供幫助，減少設計初期的碰撞問題，避免由于空間布置不合理導致設計方案變更。另外，通過BIM 技術可以直觀形象地模擬鋼結構工程的施工過程，選擇合適位置設置孔洞，為后續作業提供便利[5]。如圖2 所示，利用Tekla sStructure 模型的碰撞檢查功能進行各構件與各專業信息模型間的碰撞檢查。

圖2 Tekla Structure 模型

3.4 鋼結構施工偏差處理

BIM 技術不僅能應用于前期輔助設計，還能在后續施工環節提供持續指導。

第一，在進行施工時可在BIM 平臺中加入具體施工參數，并利用相應軟件做好施工質量評價。基于BIM 的信息共享平臺如圖3 所示。第二，在鋼構件制作及轉運過程中同樣可以利用BIM 技術追溯源頭，然后構建可視化模型來動態模擬具體施工過程。第三，如果鋼結構工程施工環節出現誤差，那么就需要處理后再提供給設計人員，便于其合理調整設計方案。由此可見，技術人員能夠利用BIM 技術管控各個核心部件，從可視化層面比較設計方案和構建模型，為施工提供實時指導，并反饋修改意見。

圖3 Tekla BIMsight 碰撞檢查

3.5 鋼結構施工成本控制

當利用傳統模式和手段開展鋼結構設計工作時，往往利用廣聯達物資稱重計量管控系統管控建設成本與工程量，但是該軟件只能靜態分析鋼結構工程的一系列參數，無法精準判斷市場動態等因素，而運用BIM 技術綜合分析工程進度、設計方案等各項動態因素可以更加準確地確定成本[6]。

另外，通過BIM 技術可以從成本層面比較不同的方案，進而選出最合理的方案。例如，本工程使用的鋼構件包括箱型彎扭構件、變截面圓錐管以及大直徑彎弧管，利用BIM 技術進行模擬驗算后可得到各構件不同位置的應力水平，從而優化結構布置，增強其科學性與合理性，并降低潛在施工風險發生的概率，防止出現返工情況。因此，如果想將鋼結構施工成本控制在合理范圍內，不僅要有效使用BIM 技術，還需要設計人員精準把控市場發展趨勢，第一時間調整設計方案，有效管控鋼結構的建設成本。

4 結語

BIM 技術在鋼結構工程施工過程中的應用范圍較廣，其發展與近年來的信息化進步息息相關。為提升鋼結構深化設計水平，本文基于BIM 技術的鋼結構工程深化設計，研究了多樣化的施工手段。實踐表明，利用BIM 技術對細部節點深化及擬定施工方案具有重要的意義，能夠最大程度提高建筑工程鋼結構深化設計水平。