BIM 數字化技術在復雜建筑鋼構安裝過程的應用研究

何余華 李夫強 周金龍

(中國建筑第六工程有限公司)

在現代建筑項目中，鋼構安裝是一個關鍵且復雜的階段，對項目的成功實施至關重要。為了提高鋼構安裝的效率和質量，BIM 技術被引入并廣泛應用。BIM 技術通過數字化建模和協同設計的方式，為鋼構安裝過程提供了可視化和智能化的管理工具。這種技術能夠幫助項目團隊有效地處理施工沖突、優化施工策略和資源管理，從而提高施工效率、減少資源浪費和降低安全風險。通過BIM 技術，施工團隊能夠在鋼構安裝前模擬和預測問題，并采取相應的措施進行優化，從而在實際施工中避免錯誤和延誤。因此，研究將對BIM 技術在建筑鋼構安裝中的優勢和局限進行深入探討，并結合實例分析BIM 技術的應用過程。

1.復雜建筑鋼構安裝中的難點與問題

1.1 鋼材結構安裝的復雜度問題

復雜建筑鋼材安裝的一個主要難點是結構的復雜度，在一些大型的建筑項目中，鋼構設計可能十分的繁瑣，包含了復雜的幾何形狀和特殊的連接方式。復雜的幾何形狀的鋼材需要施工團隊具備精確的測量和布置能力，由于結構的形狀可能是曲線形狀或異型形狀，傳統的測量方法和工具可能無法滿足精確的需求。其次，特殊的連接方式和斜角連接也增加了安裝的復雜性，在復雜建筑鋼材結構中，連接件的設計和安裝可能不同于常規的連接方式。因此，需要施工團隊進行特殊的構件加工和安裝技術，包括特殊的焊接技術或螺栓連接技術來實現結構的強度和穩定性。此外，異型結構的安裝也是一項挑戰，安裝異型的鋼材結構可能需要特殊的搭設和支撐工具，以確保結構的準確安裝和穩定性。

1.2 鋼材結構安裝的精度問題

精度問題涉及到結構的尺寸精確性、位置精確性和安裝的質量，在復雜建筑鋼構的安裝過程中，是一個非常關鍵的考慮因素。鋼材的尺寸精確性是安裝的基本要求，每個構件的尺寸必須與設計圖紙或規格要求完全符合。任何尺寸偏差都可能導致連接不安全或結構不穩定，在鋼材的制造過程中，必須嚴格控制構件的尺寸精度，確保準確性。在安裝時，鋼材必須按照設計的要求放置在正確的位置上，保證水平位置和垂直位置的精確性。如果構件位置出現偏差，可能會導致整個結構的不穩定或影響其他構件的安裝。鋼構在安裝時，焊接的質量也會影響安裝的穩定性。焊接時應嚴格按照相關規范和標準進行操作，確保焊縫的質量，以確保鋼構的牢固性。

1.3 鋼構安裝中的施工調度問題

鋼構的安裝需要合理地分配人力、機械和材料等資源，需要考慮到鋼構的數量、大小和復雜度，并且施工團隊的能力和設備的可用性也是一項重要的考慮因素。在施工的工序上，鋼構的安裝涉及到多個工序，包括基礎施工、預制構件就位、吊裝安裝、焊接、調整和固定等。這些工序需要按照順序合理地安排，以保證施工的連貫性和高效性。同時，需要考慮工序之間的協調和交叉關系，避免工序之間的沖突和延誤。在施工的工期安排上，需要考慮到鋼構安裝的時序計劃，包括各個工序的工期、先決條件、資源的可用性和安全要求等因素，并合理的安排每個工序的時間和順序。在人員的監督管理上，鋼構安裝的施工調度需要進行有效的監督和管理，包括每日的工作記錄、工序的檢查和評估，以確保施工的進展按計劃進行。在協作溝通方面，鋼構安裝涉及到多個施工方和專業團隊的協助完成，因此需要加強協作和溝通，并及時解決施工中的問題和沖突。

綜上所述，復雜鋼材的安裝中存在諸多的難點和問題，通過預先規劃和準備、加強技術能力、嚴格控制質量和加強人員的協調與溝通，可以確保鋼構安裝的準確性和施工的正常進行。BIM 技術可以通過優化鋼構安裝方案，以可視化效果立體地展示鋼構的安裝過程，幫助施工人員直觀地了解到建筑的實時狀態，確保安裝作業的正常進行。

2.BIM 技術在復雜建筑鋼構安裝中的特點

BIM 技術是一種在建筑和工程領域應用的數字化建模技術。它涉及使用計算機軟件和工具，以三維模型的形式創建、管理和可視化建筑項目的各種信息。BIM 技術將不同學科和專業的數據集成到一個綜合的三維模型中，包括建筑、結構、機電設備、管道、景觀等各個方面的數據[1]。通過這種集成，BIM 技術能夠提供全面的建筑項目信息，包括幾何形狀、尺寸、材質、屬性、性能等。BIM 技術的主要特點是它不僅僅是一個三維建模工具，而是一個包含建筑項目全生命周期的多維數據管理系統。它可以在設計、施工、運營和維護等階段進行信息的共享、協作和分析，幫助各個項目參與者更好地理解和決策。在設計階段，BIM 技術可以用于創建鋼結構的三維模型，包括各個構件的幾何形狀、尺寸和位置等信息。這些模型可以更直觀地展示整個結構，幫助設計師和施工團隊更好地理解和溝通設計意圖。在鋼結構安裝中，不同構件之間必須保持良好的空間關系，避免碰撞和沖突。BIM 技術可以進行碰撞檢測，通過模型的幾何和空間信息，自動檢測潛在的沖突并進行警示[2]。這有助于預防施工中的問題，減少重復工作和延誤。BIM 技術可以為每個鋼結構構件添加數字化標識和配送信息，這包括構件的型號、序列號、規格、材料等。這些標識和信息可以與施工進度和供應鏈管理系統進行集成，實現自動化的材料配送和追蹤。在人員的實時協調和溝通上，BIM 技術可以支持不同團隊之間的實時協作和溝通。通過共享和訪問模型的云平臺，設計師、施工團隊和供應商可以更好地進行信息共享和協作[3]。這有助于減少誤解和延誤，提高整個施工過程的效率和質量。

3.BIM 技術在復雜建筑鋼構安裝中的應用分析

3.1 BIM 技術的應用流程

BIM 技術可以通過可視化模擬復雜建筑的安裝過程，幫助施工人員在工程施工過程中進行設計、施工、運營和維護等方面的決策和管理。BIM 技術的應用流程如圖1 所示。

圖1 BIM的流程圖

圖1 中，首先，需要收集和整理與鋼構安裝項目相關的數據和信息，包括設計文件、施工圖紙、構件尺寸和規格、材料屬性、施工計劃等。這些數據和信息將作為建立BIM鋼構模型的基礎。根據收集到的數據和信息，使用BIM 軟件開始創建鋼構模型的基礎。在模型中添加基礎的構件形狀和幾何屬性，確保它們符合設計和施工要求。可以使用BIM 軟件自帶的構件庫或導入定制的構件庫來快速創建構件。在模型基礎上，逐個添加和建模具體的構件，包括鋼柱、鋼梁、鋼板、連接件等。根據設計和施工圖紙，設置每個構件的尺寸、形狀和屬性。確保模型的準確性和尺度的一致性。在添加構件的過程中，進行空間協調和碰撞檢測。確認每個構件的位置和間距是否符合設計要求，避免可能的碰撞和沖突。BIM 軟件通常提供自動化的碰撞檢測工具，可以快速發現并標記潛在的碰撞問題，為每個構件添加更詳細的屬性和信息。通過在模型中設定施工步驟和順序，可以預測施工過程中可能出現的問題，并優化施工流程。將BIM 鋼構模型與相關的參與方共享和協作，使用BIM 軟件的云平臺或共享文件夾，實現實時共享和更新模型。參與方可以在模型中添加注釋、標記問題和共享進度，促進信息的交流和溝通。根據設計和施工進展，不斷更新模型中的信息和屬性，保持模型與實際施工的一致性。

3.2 鋼構安裝流程

3.2.1 預埋件的安裝

地腳螺栓是一種用于固定建筑物地基和鋼結構之間的連接裝置，在實施鋼構安裝之前，確保建筑物地基的穩定，采用BIM 軟件進行虛擬建模，安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 預埋件的BIM安裝示意圖

圖2 中，首先根據設計圖紙和要求，利用BIM 軟件建模，確定地腳螺栓的位置和布局，選擇在每個立柱或支撐梁的接觸點處安裝地腳螺栓。使用合適的鉆頭和鉆孔設備，在地基上鉆孔，孔徑和深度需要根據設計要求和地腳螺栓的規格來確定。確保鉆孔垂直且位于設計位置上，孔的尺寸與地腳螺栓規格相匹配。使用空氣壓縮機或吹風機等工具，清理孔洞中的灰塵、碎石和雜物，確保孔洞干凈，以便地腳螺栓緊固。將預先準備好的地腳螺栓插入孔洞中，確保地腳螺栓垂直并正確對準位置，使用錘子輕擊螺栓的頂部，使其均勻進入孔洞，直至底部。使用扳手或扭力扳手等工具，逐個擰緊地腳螺栓，按照設計要求和地腳螺栓的規格，逐步擰緊每個螺栓，使其緊固在地基上。最后，檢查螺栓的垂直度和水平度是否符合要求，可以使用水平儀或量規進行檢查和校準。確認無誤后，將錨栓和鋼筋進行焊接操作，灌注混凝土以達到固定和防腐的作用。

3.2.2 鋼柱的安裝

鋼立柱的安裝加固是鋼結構建筑中的重要工作，以確保立柱的穩定性和承載能力。在準備工作階段，采用BIM技術進行建模，了解立柱的具體尺寸、型號和安裝要求。

準備所需的工具和材料，包括吊車、起重設備、螺栓、焊接設備等。根據設計圖紙和標志，準確定位立柱的位置，使用水平儀和測量工具進行測量，確保立柱的垂直度和水平度符合要求。在立柱底部安裝臨時支撐或定位支撐，以確保立柱呈垂直狀態，并防止立柱在安裝過程中傾倒或移位。用吊車或起重設備提升立柱到指定位置，在提升過程中，確保立柱與周圍結構和人員的安全距離，同時注意操作平穩和垂直提升。在鋼柱距離底部20cm 時，緩慢下落保持穩定，將立柱底部與地基連接固定。根據標準和設計要求，使用適當的焊接或螺栓連接方法，確保連接可靠和堅固。根據立柱的高度、跨度和承載能力，采取加固措施，包括加裝支撐架、剪力墻、斜支撐等，以提高立柱的穩定性和整體結構的承載能力。

3.2.3 懸挑端梁的安裝

采用BIM 軟件對鋼結構安裝過程進行設計，模擬安裝的流程，確保支撐的準確位置和穩定性。

圖3 鋼立柱的BIM安裝示意圖

圖4 懸挑端梁的BIM安裝示意圖

懸挑端梁長度為5m，重量為50t。在吊裝的過程中，鋼構材料的兩端端口焊接用坡口焊，左右兩邊的鋼板用螺栓連接。根據設計要求，在BIM 中進行虛擬組裝和協調，將懸挑端梁的各個部分進行組裝和互聯。確定懸挑端梁的安裝位置和支撐方式，并設立臨時支撐或定位支撐，以確保懸挑端梁的準確安裝。通過BIM 軟件計算，需要焊接長度達到800mm 時再松鉤。根據設計要求，使用焊接方式，將懸挑端梁與建筑結構的其他部分進行固定和連接。確保連接的強度和穩定性，減少螺栓或焊縫的失效風險。最后，確認懸挑端梁的安裝質量和連接性能，進行必要的檢查和測試，確保懸挑端梁和周圍結構的質量和穩定性。并且更新BIM 中的建模信息和數據，確保矛盾或問題的發現和解決，便于施工和后續工程管理。

3.2.4 鋼材焊接與涂裝

首先清潔和處理鋼材表面，確保焊接區域清潔和無污染。根據鋼材的材料和結構形式，現場安裝焊接采用二氧化碳氣體保護焊，保護氣體為CO2，純度為99.98%，高空組裝采用手工電弧焊。根據焊接工藝規范和操作指南，進行焊縫的組織、對齊和夾持，控制焊接電流、電壓和焊接速度，保持穩定的焊接參數和形狀。在焊接完成后，進行焊縫的修整和整理，清理焊縫和周圍區域，去除焊渣和雜質。在對鋼材進行涂裝之前，需要對鋼材表面進行清潔和處理，去除油污、銹蝕和氧化物，常用的表面處理方法包括機械除銹、化學除銹和噴砂等。首先對底層部分進行涂裝，根據鋼材的要求和涂裝系統，先涂刷或噴涂底層涂料，底層涂料可以起到防銹和提高涂層附著力的作用。最后進行面層涂裝，根據設計和使用要求，選擇適當的面層涂料和顏色，面層涂料可以提供最終的外觀效果和保護功能。根據涂料生產商的持有的NACE2 級認證，保持涂層干燥和固化的時間和條件，確保涂層的質量和耐久性。

4.BIM 技術在鋼構安裝中的局限性和優勢

BIM 技術可以通過3D 模型來展示鋼構安裝的整體圖像和構件之間的關系，使得設計、施工和管理人員能夠更直觀地了解項目的情況。同時，BIM 技術還可以實現多方協同設計和溝通，提高信息共享和決策效率。BIM 技術可以通過模型碰撞檢測功能，及時發現設計和施工中的沖突和不協調，并優化方案，以減少施工中的問題和改動，提高鋼構安裝的質量和效率。然而BIM 技術也存在一些局限性，在鋼構安裝中需要使用一定的軟件和設備支持，對操作人員的技術水平要求較高。如果沒有提供適當的培訓和支持，可能會導致操作困難或錯誤。BIM 模型的準確性和數據一致性對于保證安裝的準確性和安全性至關重要，如果BIM 模型中的數據缺失、錯誤或不準確，可能會導致施工中的問題和延誤。鋼構安裝中，需要將BIM 模型與其他相關系統，例如施工計劃、物資管理等進行集成和協調，這需要確保各個系統之間的數據和信息的流通和一致性，如果沒有良好的溝通和協作，可能會導致不協調和沖突。

5.結論

BIM 技術是一種在建筑和工程領域廣泛應用的數字化建模技術，通過集成各種信息到一個三維模型中，實現項目參與者之間的協作和決策支持。并且能夠提供全面的建筑項目信息，幫助項目參與者在全生命周期中進行設計、施工、運營和維護等方面的決策和管理。因其可視化、協同設計、碰撞檢測和施工優化等優勢，能大大提升鋼構安裝的質量和施工效率，減少施工的風險和成本。同時，加強施工人員的技術水平的培訓，克服BIM 技術中的局限性，控制好預埋件、鋼柱、主桁架的安裝以及焊接與涂裝流程，提高工程的質量。因此，合理利用BIM 技術可以實現鋼構安裝過程中的有效管理和控制。