基于BIM技術的型鋼構件施工深化設計與施工協同應用研究

田耀嘉

(昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500)

0 引言

2015年，住房和城鄉建設部印發《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，明確指出建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是繼CAD之后的多維模型信息集成技術，是對構筑物物理特征和功能特性等信息的數字化承載和可視化表達[1]。BIM技術不僅能應用于工程項目的設計、施工等不同階段，還能推動建筑領域實現建筑業信息化和現代化[2]。隨后，國家部委及地方部門不斷推出BIM技術相關的應用標準、指南等，由此BIM技術在不同的工程項目類型，如城市綜合體[3]、機場[4]、超高層建筑[5]等項目的設計、施工與維護等不同階段得到了成功應用。

在超高層建筑、大型城市綜合體、體育場、客運站等工程項目中，重要結構部位設計會考慮采用全鋼或者型鋼-混凝土結構。這是源于鋼結構具有能夠實現大跨度、大體量的優勢，但同時也帶來施工深化設計難度高、施工工藝復雜等問題[5]。BIM技術能夠輔助工程項目的設計和施工，如通過三維建模進行型鋼構件深化設計，通過碰撞檢測發現不同專業間的碰撞問題[6]；運用BIM型進行鋼結構施工仿真、鋼結構工程量統計等[7]。因此，BIM技術在鋼結構深化設計與施工中得到一定研究與應用，如基于BIM技術解決工業鋼結構建筑改造設計中的數據交換、結構優化等問題[2]。

雖然已有學者利用BIM、Tekla Structures以及Advance Steel等技術在不同工程項目鋼結構的施工深化設計與施工應用方面進行了探索，但鋼結構施工設計深度不足，導致與施工現場實際情況出入較大[8]；在施工方面對專業協同需求高，可能成為影響工程目標實現的重要節點工程[5]。同時，現階段很多BIM技術的應用更側重模型演示，導致BIM技術在鋼結構中的應用程度無法滿足設計和國家規范的要求，且BIM技術成果的成熟度無法滿足現場實際施工的需求，設計與施工的協同銜接方面缺乏較為成熟的應用流程和實施路線。因此，本文選取城市綜合體項目，結合城市綜合體鋼結構設計與施工特點和重難點，利用BIM技術構建實施路徑，開展碰撞檢測、施工深化設計、施工輔助、協同管理等方面的探索，對發揮BIM專業團隊能動性、整合參建方、促進設計與施工協同、提高管理效率具有重要的現實意義。

1 工程概況

昆明呈貢萬達廣場位于云南省昆明市呈貢區，地處彩云路與駝峰街交界處，項目連通地鐵線二號線駝峰街站，緊靠昆明市行政中心和大學城。本項目一共包括2層地下室、1棟萬達商業樓、6棟塔樓及商業裙樓，總用地面積72 251m2，總建筑面積43.69萬m2。

其中，萬達商業樓建筑面積10.05萬m2，共6層，規劃停車位2030個。商業樓采用型鋼混凝土框架結構，為保證商場內部可用空間，結構設計多采用大跨度和高凈空的空間布局，詳見圖1。其中，地下負1層至地上4層部分結構柱為型鋼混凝土柱，地上1～4層部分梁為型鋼混凝土梁，如圖2所示，型鋼總工程量約為452t。

圖1 萬達商業樓整體結構模型

圖2 萬達商業樓局部鋼結構模型

2 萬達商業樓鋼結構技術難點分析

2.1 型鋼構件施工深化設計難度大

2.1.1 初步設計圖樣不滿足施工所需深度

萬達商業樓的結構設計模式與常規商業項目類似，初步結構設計成果只需滿足受力計算和鋼含量等規范指標即可。設計單位提供的初設圖樣僅表達鋼結構的截面尺寸、材質等基本信息，施工單位無法直接將初設計圖用于現場施工作業，初設圖樣經專業廠家進行二次施工深化設計之后方可使用。同時，受對現場進度的了解和廠家專業能力等因素的影響，由專業廠家進行的施工深化設計成果可能會出現與施工進度不匹配、不同專業交叉施工發生沖突等問題。

2.1.2 施工深化設計要求高

萬達集團下屬項目要求型鋼構件在進行施工深化設計時要同時滿足：國家規范、設計指標的需求；萬達集團企業內部標準的需求；現場施工進度的需求；商業后期運營的其他需求。可見，需求多容易造成實施標準不統一、實施目標難以實現等問題，進行施工深化設計時還須同多方協調以順利完成建設目標。

2.2 型鋼構件現場施工難度大

2.2.1 施工現場環境限制多

萬達廣場緊鄰昆明市級行政中心，周圍環繞均為城市主干道。型鋼構件需在工廠預制，運抵施工現場后安裝。為避免運輸過程干涉市政交通，所有型鋼構件的場外調運都必須限時和定點。為保證施工現場正常運轉，不受型鋼構件場內運輸的立體干涉，構件的場外調運和場內運輸需同時進行。

2.2.2 型鋼構件現場施工要求特殊

要保證型鋼構件施工過程中的絕對安全，施工之前必須對構件施工范圍內已施工的部分進行誤差復核和數據采集，將施工誤差數據進行匯總，分析計算現場施工誤差是否會對型鋼安裝產生影響。施工過程中嚴格按照設計、規范要求進行吊裝、焊接等施工工序。要嚴格控制安裝質量和焊接質量，及時進行探傷檢測等工作。施工時要注意與鋼筋制作、模板搭設以及混凝土澆筑等不同工序之間的搭接。

2.3 參建單位間協作難度大

本項目施工總承包單位為云南地區企業，聯合體設計單位為上海地區企業，鋼結構專業廠家為北京地區企業。三家單位首次進行合作，彼此間的協作默契程度不夠，在施工信息傳遞和專業技術的配合方面尚需磨合。總承包單位對設計意圖的理解不夠充分，設計單位無法把控現場施工質量，專業廠家對各方信息的接收存在缺失，均給項目施工作業的開展增加了難度。

3 型鋼構件BIM技術實施路徑選擇

3.1 針對原專業廠家深化設計不合理問題的解決方案

總承包單位采用BIM技術對初步深化方案進行建模—檢測—模擬，基于碰撞檢測的結果定位和分類存在的問題，BIM實施團隊通過召開定期會議的方式對發現的碰撞問題和深化不合理的部分進行會審。參照各方意見和規范對模型進行修改，并同步更新模型，重復該步驟直至修正碰撞問題，達到利用BIM技術對原專業廠商方案開展進一步施工深化的目的。

3.2 針對現場施工難度大的解決方案

利用BIM技術三維可視化的優勢對BIM模型和方案中的重難點進行交底，輸出二維深化圖、視頻等BIM成果，方便現場工人和管理人員使用。在場布模型中提前規劃構件位置和運輸路徑，提前規避由于場地限制可能會給型鋼施工帶來的問題，進行型鋼安裝模擬，提高現場施工效率。過程中要及時進行檢查和問題反饋，確保遇到突發問題能夠及時處理。

3.3 針對不同單位間協同工作困難的解決方案

由總承包BIM團隊牽頭，組織現場鋼結構施工班組以及其他各班組施工人員對BIM深化方案進行再次優化。結合現場條件、施工班組的技術水平以及施工人員有關施工操作的建議，對型鋼構件施工深化方案進行調整。同時，將各方意見轉換為參數，以模型為載體實現信息在單位間的快速傳遞，最大限度地減少信息缺失。深化成果修改定案后，經設計單位復核確認便可進行現場實施。由此借助BIM技術實施流程，增強各單位間的協作水平，改善不同單位間的協作默契程度，提升項目信息化管理的效率。

4 基于BIM技術的型鋼構件碰撞檢測與施工深化設計

針對鋼結構在施工深化設計和現場施工中存在的難點問題，總承包單位BIM團隊于現場型鋼施工之前搭建高精度BIM模型。利用BIM技術碰撞檢查功能檢測專業廠家施工深化中存在的各類問題。基于搭建完成的BIM模型進行二次深化工作，在發揮BIM成果指導現場施工作用的同時，以BIM模型為載體進行工程信息的傳遞，達到項目信息化協同管理的目的。

4.1 型鋼構件施工深化BIM模型的搭建與碰撞檢測

4.1.1 型鋼構件施工深化BIM模型的搭建

BIM團隊利用Revit軟件開展深化工作，根據專業廠家深化圖樣進行型鋼柱、梁等構件的BIM模型搭建，在總承包單位建模標準的基礎上，將設計要求、施工數據等信息添加至三維模型中，同時把鋼筋、混凝土等其他構件模型與型鋼模型進行整合。型鋼核心節點模型如圖3所示。

圖3 型鋼核心節點模型

4.1.2 型鋼構件核心節點處鋼筋碰撞檢測

型鋼柱與鋼筋混凝土梁等構件交匯位置受力形式復雜，核心節點鋼筋分布密集，在設計規范和施工規范中對受力部位鋼結構開孔位置和數量有嚴格的限制，因此對于核心節點處的鋼筋碰撞問題要進行著重檢測。將型鋼Revit模型傳遞至Fuzor或Navisworks中，利用軟件對鋼筋進行碰撞檢查。檢測出X方向與Y方向梁構件與型鋼柱交匯位置處，由于專業廠家進行施工深化時未按照圖集要求進行布孔，導致型鋼開孔位于同一水平面，梁上部縱筋在交匯時發生碰撞，梁上部鋼筋無法穿過核心節點，如圖4所示。專業廠家深化設計時未充分考慮梁構件上部鋼筋和柱構件豎向鋼筋在核心節點處交匯，同時牛腿板開孔位置不合理，導致柱縱筋與梁上部鋼筋在牛腿板處發生碰撞，如圖5所示。

圖4 梁上部鋼筋碰撞

圖5 柱鋼筋與梁鋼筋碰撞

4.1.3 型鋼構件核心節點處型鋼碰撞檢測

在有限的核心空間進行高密度鋼筋排布的同時，還要將各類通長鋼筋穿過型鋼構件。因此，完成對鋼筋之間的碰撞檢查之后，為保證通長鋼筋能順利穿過型鋼節點，還需著重對型鋼與鋼筋之間的碰撞問題進行檢測。檢測處由于型鋼牛腿板開孔位置不合理，柱縱筋與牛腿板位置重合，柱配筋發生設計變更，原施工深化設計未及時進行更新，導致柱縱筋無法穿過牛腿板，如圖6所示。

4.1.4 型鋼構件專業廠家深化設計合理性檢測

結合設計意圖和及現行規范文件，對型鋼構件中保護層厚度、鋼結構開孔率以及鋼構件空間布置是否有滿足要求等問題在BIM模型中進行查驗。將鋼結構進行碰撞檢查后的問題進行匯總，篩除模型中的無效碰撞，并將部分共性問題進行梳理整合，最終形成BIM模型碰撞檢測報告。

4.2 基于BIM技術的型鋼施工深化

4.2.1 針對鋼筋與鋼筋碰撞的施工深化

根據對所發現的碰撞問題展開下一步深化工作，規范要求核心節點梁中縱向鋼筋應盡可能多地貫通節點，其余縱向鋼筋可在柱內型鋼腹板上預留貫穿孔。專業廠家原施工深化雖預留了腹板開孔，但未考慮其他構件鋼筋分布情況，導致開孔處的鋼筋穿孔時發生碰撞。針對類似問題，BIM團隊提出將型鋼腹板開孔位置進行上下錯位布置或采用U形開孔兩種優化方案，均能使梁上縱筋順利穿過節點，如圖7所示。

圖7 模型調整開孔位置后鋼筋穿過

4.2.2 針對鋼筋與型鋼碰撞的施工深化

對于核心節點處鋼筋與型鋼碰撞的情況，在滿足配筋率要求時調整鋼筋空間排布，避免型鋼構件二次開孔。在原有開孔位置基礎上調整開孔和分布形式，避讓鋼筋與型鋼構件碰撞，如圖8所示。

圖8 模型深化后更改開孔分布

4.3 基于BIM技術型鋼構件施工深化設計效率提升

施工深化設計要求繁雜，過程中很難實現面面俱到。搭建BIM模型進行模擬可以有效驗證方案中存在深化不合理的問題。靈活使用碰撞檢測可以快速識別不同類型的碰撞問題，最大限度探測構件碰撞，避免造成成本和工期浪費。另外，利用BIM技術進行施工深化方案的修改，以模型為載體進行信息的傳遞，極大程度縮短了傳統模式下由于方案審批、意見交換修改所需要的時間，大幅度提高施工深化設計的工作效率。

5 基于BIM技術的鋼結構施工輔助

5.1 利用BIM技術進行施工模擬

確定BIM型鋼深化模型和施工方案后，使用施工模擬等功能對型鋼構件的現場安裝進行模擬，解決管理人員和作業人員對方案理解困難的問題。由總承包BIM團隊為專業廠家現場作業人員以及總承包現場管理人員進行技術交底，對模型修改后的重點部位、關鍵節點進行詳盡的展示和講解。具體而言，借助BIM技術的三維可視化優勢，利用Lumion、Fuzor等軟件進行施工工藝和工序模擬，讓被交底人員直觀地看到施工中的工序搭接和施工控制重點。

5.2 基于BIM深化成果跟蹤檢查施工情況

施工過程中要嚴格把控施工質量，BIM團隊及時復核現場進度是否與計劃一致，檢查鋼筋施工時的搭接、穿孔以及排布與BIM模型的匹配度。與現場施工人員溝通，了解BIM成果使用情況及施工人員對BIM成果的理解程度，并在施工完畢后依托BIM模型、深化圖等資料文件輔助內部預驗收工作，確保現場施工質量以及BIM應用的落地性，現場施工跟進與核查效果，如圖9所示。

圖9 對現場施工節點進行跟進與核查結果

5.3 利用BIM技術提高鋼結構現場施工效率

BIM深化成果的落地實施，是提高現場施工效率和質量的前提。通過技術交底等方式，將BIM成果更直觀地向作業人員展示，BIM技術交底能大幅縮短交底時間。同時，BIM技術的介入能最大限度地減少由于設計、技術方案等原因造成的源頭錯誤，輔以過程跟蹤等手段可以提高型鋼構件的施工質量。另外，借助BIM場布模型提前規劃運輸路徑，可以有效提升大型構件在施工場地內部運轉的效率，并充分考慮周圍交通以及空間高度影響。

6 基于BIM技術的鋼結構施工協同管理

采用BIM技術不僅是為了發現各類技術問題，更重要的是在項目管理過程中將參建各方進行整合，及時、完整地傳遞信息，提高項目協作的信息化程度。例如，可以通過搭建BIM模型對方案進行驗證。運用線上、線下會議以及模型傳遞等方式積極調動參建各方，降低由于信息傳遞不暢造成的協作難度。另外，輸出的BIM成果還要重視實用性，符合施工習慣且易于被現場施工人員接受，由此形成現場和BIM團隊之間良性循環反饋、參建各方與BIM團隊間高效協作的項目管理模式，從而提升項目整體管理水平。

7 結語

鋼結構由于自重輕、強度高等優點在許多工程項目中得到應用，同時對設計與施工提出了要求和挑戰。本文通過對萬達廣場這一城市綜合體項目的鋼結構應用剖析，運用BIM技術提出解決思路，并對實施效果進行展示與對比，得出如下結論：

(1)提出運用碰撞模擬發現專業廠家施工深化設計中的重點問題，總結基于BIM技術針對深化設計不合理、現場施工難度高、不同專業間協調難度大三類問題的實施方案。

(2)明確采用BIM技術進行技術交底可以極大提高作業人員對于方案的理解程度，提高現場工作效率。利用BIM技術在前期將原始設計和方案中存在的問題進行優化后，還可進一步提高現場施工質量。

(3)運用BIM技術可以再次深化專業廠家的鋼結構施工設計，尤其是鋼筋之間、鋼筋與其他構件(如型鋼)之間的碰撞深化檢查；運用BIM技術可以展開鋼結構的施工工序模擬，并實施跟蹤檢查；運用BIM技術可以提供信息化手段整合參與各方，提升項目管理效率和水平。

因此，本文為類似鋼結構工程項目運用BIM技術進行設計深化、施工輔助、協同管理提供了參考和借鑒，局限性在于僅選取城市綜合體項目進行BIM技術應用探討，未來可考慮對比BIM技術在不同鋼結構工程項目中的應用，深入挖掘不同鋼結構項目特點與BIM技術的契合。另外，本文主要側重施工深化設計與現場施工階段，對于后期運營維護階段的應用有待進一步探討。