BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)及施工中的應(yīng)用

文｜甘肅省建設(shè)投資（控股）集團(tuán)有限公司 潘存瑞；甘肅省建設(shè)投資（控股）集團(tuán)有限公司/甘肅省建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司 吳星蓉 周磊 魏宏亮

0 引言

建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展對(duì)鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用和性能提出了更高要求，建筑設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式逐漸成為建筑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。在建筑工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域中，預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑因其多方面的優(yōu)勢(shì)而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的形式中，裝配式鋼結(jié)構(gòu)得到了很大的發(fā)展。但是，由于構(gòu)件較多、接縫差異較大等一系列突出特點(diǎn)，預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)和施工存在一定難度。隨著BIM 技術(shù)在建筑領(lǐng)域的深入應(yīng)用，將在預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑生命周期中的信息集成與擴(kuò)展、設(shè)計(jì)過程的可視化、信息模型的平臺(tái)化等方面發(fā)揮了巨大的作用和價(jià)值。

BIM 技術(shù)主要包含兩個(gè)維度的信息，即建筑信息模型和建筑信息建模[2]。目前，BIM 在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用還存在很多不足。具體表現(xiàn)為BIM技術(shù)在提高建筑設(shè)計(jì)效率、降低成本、減少工作量方面的優(yōu)勢(shì)沒有得到充分發(fā)揮。這些問題限制了BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中的進(jìn)一步應(yīng)用。BIM 數(shù)據(jù)信息化需要各相關(guān)方參與和實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的數(shù)據(jù)信息化。

此外，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑以其在重量、強(qiáng)度、工期、工業(yè)化等方面的優(yōu)勢(shì)獲得了快速發(fā)展。BIM 技術(shù)與裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的有機(jī)結(jié)合，能夠充分釋放建筑行業(yè)活力，順應(yīng)行業(yè)信息化、數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)型升級(jí)、節(jié)能降耗的發(fā)展趨勢(shì)。BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，有利于優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，提高連接點(diǎn)的適用性和穩(wěn)定性。并利用BIM 技術(shù)在集成化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)思維，對(duì)建筑信息進(jìn)行有效建模，從而實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)全過程可視化和數(shù)據(jù)化，有利于建筑空間優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能耗優(yōu)化等一系列調(diào)整的開展，并能提前發(fā)現(xiàn)和避免潛在的問題。因此，研究BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用模式具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1.裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用BIM 技術(shù)的必要性

1.1 BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用價(jià)值

首先，BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與建造中的使用可以提高不同部門之間的溝通效率，增強(qiáng)利益相關(guān)方之間的協(xié)調(diào)性，有助于縮短建設(shè)周期，顯著優(yōu)化施工環(huán)節(jié)，減少工作量，提高施工效率。

其次，可以提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的質(zhì)量。通過建筑建模，BIM 技術(shù)可以提前發(fā)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化，改進(jìn)施工工藝，提高建筑的整體施工質(zhì)量。并能充分發(fā)揮裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑自重輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，使建筑空間布局更加靈活。

此外，還可以減少施工環(huán)節(jié)的資源消耗。一方面，它可以通過建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)建筑材料的最大利用；另一方面，得益于標(biāo)準(zhǔn)化施工環(huán)節(jié)的實(shí)施，可以減少污染物的產(chǎn)生，從而減少對(duì)環(huán)境的影響，降低能源消耗，提高建筑的綜合效益。

最后，該技術(shù)作為裝配式鋼結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新平臺(tái)，能夠靈活應(yīng)用和驗(yàn)證建筑行業(yè)最新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)，大大提升施工過程的集約化程度，有利于推動(dòng)整個(gè)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.2 BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用需求

首先，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)階段，構(gòu)件數(shù)據(jù)信息仍然不足，導(dǎo)致裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)任務(wù)量較大。因此，有必要利用BIM 技術(shù)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑建模、可視化空間規(guī)劃、室內(nèi)空間布局仿真和建筑性能分析的快速建模，并基于BIM 技術(shù)建立零件信息模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和可視化碰撞檢測(cè)。其次，裝配式建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在生產(chǎn)階段，加工過程中仍有過多的人工參與，導(dǎo)致人為因素造成的差錯(cuò)事件頻發(fā)，造成材料浪費(fèi)。BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)材料工程量的統(tǒng)計(jì)，提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的精度，幫助查詢構(gòu)件的詳細(xì)信息[4]。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工階段，還存在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件偏差，影響安裝施工質(zhì)量，以致管理混亂，工程變更過多而延誤工期[5]。這些現(xiàn)象使得裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工過程成本控制和優(yōu)化管理面臨更大的壓力和挑戰(zhàn)。這就需要利用BIM 技術(shù)結(jié)合進(jìn)度計(jì)劃開展4D 應(yīng)用，通過項(xiàng)目多目標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度、支撐方案編制、談判、各方狀態(tài)反饋的全過程可視化，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目多目標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化。分析優(yōu)化專項(xiàng)方案，達(dá)到優(yōu)化工程質(zhì)量和降低成本的目的。此外，BIM 技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用還可以提高建筑材料的管理效率，優(yōu)化施工現(xiàn)場(chǎng)布局。基于BIM 的施工方案模擬如下圖1所示。

圖1 基于BIM 的施工方案仿真

2.基于BIM 的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)原則

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)需遵循通用性原則和可持續(xù)性原則，所有的預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)都需要對(duì)前期策劃工作予以高度的重視，加強(qiáng)預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件種類的控制，并且預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)需要加強(qiáng)防火設(shè)計(jì)和防水設(shè)計(jì)，保證建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)用性功能；預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)還需要遵循可持續(xù)性原則，即長(zhǎng)壽化設(shè)計(jì)，通過利用建筑空間和結(jié)構(gòu)潛力，使建筑空間和功能適應(yīng)使用者需求的變化，使建筑具有更長(zhǎng)的使用壽命。

此外，基于BIM 的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)，還應(yīng)根據(jù)空間功能模塊和立面模塊的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行，以保證建筑的功能和空間，如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)原則

2.2 基于BIM 的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑預(yù)制構(gòu)件庫(kù)

基于BIM 的裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法應(yīng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和常用構(gòu)件，形成預(yù)制構(gòu)件庫(kù)。在預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，預(yù)制構(gòu)件庫(kù)中有相應(yīng)的預(yù)制構(gòu)件可用[7]。預(yù)制構(gòu)件庫(kù)是基于BIM 的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)是在BIM 模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，預(yù)制構(gòu)件庫(kù)由預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)單位和設(shè)計(jì)單位共享，設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)制構(gòu)件的選擇可以限制在預(yù)制構(gòu)件廠提供的范圍[8]。

2.3 基于BIM 的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑模塊化設(shè)計(jì)

首先，在功能空間模塊構(gòu)成層面對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行功能分析，對(duì)建筑內(nèi)部各空間模塊進(jìn)行建模。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑模型建模具有模型信息集成度高、一次建模、重復(fù)利用和參數(shù)化建模的典型特點(diǎn)，需要?jiǎng)?chuàng)建不同深度層次的模型。通常，不同深度層次要求的模型，包括方案設(shè)計(jì)模型、初步設(shè)計(jì)模型、詳細(xì)設(shè)計(jì)模型和竣工及運(yùn)維模型。此外，應(yīng)按照裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑模型的建模過程進(jìn)行功能空間的模塊化設(shè)計(jì)。

2.4 基于BIM 的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)

通過建立裝配式預(yù)制構(gòu)件三維模型和尺寸之間的參數(shù)化約束關(guān)系，設(shè)計(jì)師根據(jù)結(jié)構(gòu)模型和工程實(shí)際的幾何關(guān)系，在參數(shù)化設(shè)計(jì)中通過定義約束來改變?nèi)S模型構(gòu)件尺寸。每當(dāng)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，不僅需要在約束關(guān)系中考慮尺寸和工程參數(shù)的初值，而且改變后需要滿足不改變參數(shù)間的基本關(guān)系和要求，參數(shù)化模型的建立過程如圖2所示。

圖2 建立參數(shù)化模型的步驟

首先，必須建立設(shè)計(jì)對(duì)象的幾何和拓?fù)淠Ｐ停鶕?jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況和幾何尺寸要求，定義模型像素間的幾何約束關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的參數(shù)化特征建模，分析工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和幾何約束關(guān)系，定義變量參數(shù)，并嚴(yán)格遵照工程項(xiàng)目幾何約束關(guān)系推導(dǎo)參數(shù)化表達(dá)式，編譯與CAD 軟件兼容的參數(shù)變量的約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

實(shí)體建模在CAD 建模的基礎(chǔ)上用實(shí)體的表現(xiàn)形式建立更為完整清晰的工程對(duì)象，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建模對(duì)象中預(yù)制構(gòu)件體積和質(zhì)量的精準(zhǔn)計(jì)算，在有限元分析、數(shù)控加工等領(lǐng)域可提供更準(zhǔn)確可靠的幾何模型。構(gòu)造立體幾何法是指通過定義簡(jiǎn)單體素構(gòu)造復(fù)雜實(shí)體的一種建模方法。基本體素描述是用少量的參數(shù)來描述最常見、最簡(jiǎn)單的三維幾何體。另一類體素是輪廓掃描體素，即沿一定空間路徑掃描截面輪廓而生成的體素。

2.5 邊界平整及模塊化廚衛(wèi)

基于BIM 的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注邊界平整、模塊化廚衛(wèi)等設(shè)計(jì)要素。其中，在邊界平整的層面上，是指在進(jìn)行裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的過程中，以構(gòu)件作為建筑的受力核心。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要保證邊界的平整度，從而實(shí)現(xiàn)施工環(huán)節(jié)效率和效果的顯著提高。其次，在模塊化廚衛(wèi)層面，要保證設(shè)計(jì)指標(biāo)與施工性能的匹配，促進(jìn)廚衛(wèi)最大限度發(fā)揮應(yīng)有的性能和功能[9]。

2.6 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的BIM展示

將BIM 引入裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑方案設(shè)計(jì)階段，結(jié)合結(jié)構(gòu)和三板體系進(jìn)行各空間的選型。其次，為實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)部系統(tǒng)和設(shè)備管線系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)提供信息支持。通過BIM 技術(shù)，整合裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系與建筑功能的關(guān)系，優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布局，選擇合適的內(nèi)外墻體系，細(xì)化建筑節(jié)點(diǎn)施工，實(shí)現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑高標(biāo)準(zhǔn)要求，一個(gè)典型的標(biāo)準(zhǔn)樓層布局BIM模型如圖3所示。

圖3 一個(gè)典型的標(biāo)準(zhǔn)樓層布局的BIM 模型

3.基于BIM 技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工應(yīng)用

3.1 基于BIM 的三維場(chǎng)布優(yōu)化

在工程項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的布置和優(yōu)化方面，可通過BIM 技術(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特點(diǎn)、項(xiàng)目規(guī)模和相關(guān)方的需求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)“四區(qū)”進(jìn)行規(guī)劃和布置，建立場(chǎng)地環(huán)境模型。主體施工階段施工場(chǎng)地整體規(guī)劃，將臨時(shí)設(shè)施等載入場(chǎng)地模型中進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，確保各施工道路、PC 堆場(chǎng)、鋼筋加工棚、木工加工棚等位置的合理性，保證現(xiàn)場(chǎng)施工平面布置的最優(yōu)化，如圖4。

圖4 BIM 施工現(xiàn)場(chǎng)布置

3.2 基于BIM 的施工組織優(yōu)化

對(duì)主樓垂直運(yùn)輸機(jī)械布置進(jìn)行模擬與優(yōu)化，綜合考慮塔吊、人貨電梯扶墻點(diǎn)位置選擇等，最終確定群塔及人貨電梯布置定位，生成平面布置圖，用于指導(dǎo)施工。群塔及人貨電梯布置定位最終確定后，生成平面布置圖，再由項(xiàng)目測(cè)量員計(jì)算坐標(biāo)信息，確保無誤后，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線，塔吊基礎(chǔ)施工，塔吊及人貨電梯安裝施工。為避免群塔作業(yè)發(fā)生塔吊碰撞現(xiàn)象，對(duì)所有樓棟塔吊安裝高度進(jìn)行模擬與優(yōu)化，相鄰塔吊安裝高度錯(cuò)開10 ～20 米，經(jīng)項(xiàng)目各參與方討論確定后，統(tǒng)計(jì)各臺(tái)塔吊安裝高度，用于現(xiàn)場(chǎng)塔吊安裝高度控制。

3.3 基于BIM 的施工方案優(yōu)化

根據(jù)工程項(xiàng)目現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)模板施工方案，創(chuàng)建現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)模板族及整體BIM 模型，并對(duì)裝配式樓層現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)模板施工方案進(jìn)行三維模擬及優(yōu)化，同時(shí)生成現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)模板布置圖和模板背楞加工圖，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

依據(jù)裝配式樓層內(nèi)支撐體系施工方案，創(chuàng)內(nèi)支撐體系族及整體BIM 模型，并對(duì)內(nèi)支撐體系施工方案進(jìn)行三維模擬及優(yōu)化。BIM 模型輸出內(nèi)支撐體系布置圖，用于指導(dǎo)施工。

3.4 PC 構(gòu)件安裝模擬

模擬PC 構(gòu)件運(yùn)輸車輛在城市道路上的運(yùn)輸狀況，規(guī)劃大型PC 構(gòu)件運(yùn)輸線路；在施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)，運(yùn)輸車輛沿規(guī)劃的環(huán)形運(yùn)輸?shù)缆罚瑢C 構(gòu)件運(yùn)輸?shù)街付ǖ腜C 構(gòu)件堆場(chǎng)。PC 構(gòu)件吊裝模擬——依據(jù)PC 構(gòu)件吊裝施工方案，對(duì)PC 構(gòu)件吊裝施工進(jìn)行三維動(dòng)畫模擬，用以指導(dǎo)吊裝施工，使PC 構(gòu)件吊裝施工安全有序進(jìn)行，保證施工質(zhì)量。PC構(gòu)件吊裝順序優(yōu)化——通過PC 構(gòu)件吊裝模擬，對(duì)吊裝順序進(jìn)行優(yōu)化。

3.5 基于BIM 的施工管理應(yīng)用

施工進(jìn)度管控——在智慧工地平臺(tái)中錄入計(jì)劃施工進(jìn)度，同時(shí)錄入實(shí)際施工進(jìn)度。通過二者對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)在施工過程中影響施工進(jìn)度的因素，及時(shí)作出調(diào)整，確保施工進(jìn)度。

質(zhì)量安全管控——利用移動(dòng)端BIM 軟件采集現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量、安全等隱患影像資料上傳至智慧工地平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)整改，保證施工質(zhì)量，杜絕安全隱患。施工人員實(shí)名制管控——智能門禁系統(tǒng)與智慧工地平臺(tái)關(guān)聯(lián)，勞務(wù)人員刷卡入場(chǎng)。實(shí)時(shí)監(jiān)控場(chǎng)內(nèi)勞務(wù)用工情況，以便靈活調(diào)整。BIM 模型結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，通過BIM數(shù)據(jù)系統(tǒng)精確制定相關(guān)材料計(jì)劃，并按照不同階段輸出相應(yīng)工程量，方便現(xiàn)場(chǎng)快速、精準(zhǔn)提取所需的數(shù)據(jù)。

4.結(jié)論

本文通過分析BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用的必要性，研究了BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用價(jià)值和需求。通過對(duì)基于BIM 的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的研究，分析了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)原理和過程。通過對(duì)BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)用的分析，研究了BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)中的具體應(yīng)用。