大型建筑鋼結構虛擬施工建模關鍵技術

摘 要：為了提高大型建筑鋼結構施工質量，本文針對BIM模型技術在大型建筑鋼結構虛擬施工中的應用展開分析，其能夠提高大型建筑鋼結構構件在安裝過程中的可視化程度，同時又能通過虛擬仿真模擬施工，減小傳統鋼結構施工現場各類安全事故的發生概率。

關鍵詞：大型建筑；鋼結構；建模施工文章編號：2095-4085（2024）02-0019-03

0 引言

大型建筑的鋼結構施工一般分為4個階段，前期測量階段、施工準備階段、吊裝階段，后期處理。在這4個階段中，虛擬施工建模技術都可以發揮巨大作用。比如，在測量過程中可以提前發現鋼結構與混凝土柱的沖突問題，在后期安裝中，利用BIM技術將平面圖轉化為三維模型，模擬出鋼結構安裝與混凝土柱的實際位置關系，并進行碰撞檢測，可有效避免因構件尺寸與位置不匹配造成的安裝錯誤。大型建筑鋼結構構件多，結構形式復雜，在施工過程中易出現鋼結構構件的吊裝就位及安裝過程中的受力工況復雜等問題。傳統施工方式為現場安裝工人通過手工放樣來進行建模，這樣會對施工進度、工程質量等方面造成較大影響。

1 BIM建模應用現狀

隨著BIM技術的發展，國內的大型建筑項目逐漸增多，也越來越重視對BIM技術的應用，國內大型建筑項目主要采用“專業模型+管理平臺”的方式來進行BIM模型的創建。BIM在實際應用中對項目的主要功能有三個方面，一是通過三維數字技術，實現建筑模型的可視化；二是通過模擬施工實現對項目的管理；三是通過碰撞檢查保證設計與施工間的協調。大型建筑鋼結構構件較多，結構形式復雜，采用BIM技術進行建模對施工管理及碰撞檢查具有重要意義。通過三維數字技術和BIM技術相結合來創建工程模型，對設計方案、施工方案進行分析優化，可減少或避免設計方面出現錯誤。同時利用BIM模型進行碰撞檢查能夠有效保證設計與實際情況的相符以及設計與施工間的協調。由于鋼結構構件較多且吊裝設備及吊具較多，將三維CAD軟件與BIM模型結合，能夠使現場安裝人員更直觀地了解構件之間的相對位置關系、構件間關系和吊裝過程中構件的受力工況［1］。

2 BIM模型構建

以建筑信息模型為核心，以“全生命周期”為理念，建立起一個完整的BIM技術體系，它主要包含三個主要部分：大型建筑鋼結構工程設計、土建模型的設計、安裝設計。通過BIM技術對施工管理的整個過程進行跟蹤，包括項目開工計劃、設備采購及安裝工程、大型建筑鋼結構施工前準備、交通影響評價、施工安全技術措施、試驗檢測、技術管理與咨詢服務、設計階段、勘察設計及審查、工程咨詢、建筑節能設計備案、施工許可、建筑節能審查、工程質量監督、竣工驗收、安全監督等工程階段全部數據，最終為實際工程項目建設提供可靠的支持依據［2］。

3 BIM技術在大型建筑鋼結構虛擬施工建模中的應用

施工建模是實現三維虛擬施工的基礎，包括鋼結構構件的精確放樣，鋼構件吊裝過程中的實時模擬，以及施工過程中各階段的信息采集，使用BIM技術建立施工模型可以較好地解決以上問題。基于BIM模型建立鋼結構吊裝模擬，在BIM技術建模軟件中利用Revit軟件對鋼結構構件進行模型創建，并將其導入Revit中進行細化，然后利用Revit中的STEP命令對鋼結構構件進行建模，根據工程需要還可以選擇Revit插件和其他建模軟件將其導出為excel格式文件。通過對模型進行細化后得到了鋼構件的精確放樣效果圖，該部分可以通過軟件導出為excel格式文件并導入到cad軟件中完成模型的創建。

3.1 前期測量

3.1.1 測量方案的編制

前期測量主要包括以下幾個方面：（1）復核基礎坐標：首先復核建筑物定位控制點，檢查其是否存在偏差，若發現偏差應及時進行糾正。復核完畢后，計算出建筑物的中心坐標。（2）確認軸線：根據復核結果，依據設計圖紙繪制出建筑物的軸線控制網，并在軸線控制網標高基點處放置標樁，做好標記。（3）確定平面位置：根據定位控制網的控制點及設計圖紙要求，計算出建筑物的平面位置。

3.1.2 場地處理及場地預處理

首先，利用場地平面圖對各控制點進行復核和設置，將不同方向的控制點放置在場地平面圖上；其次，對建筑物進行場地預處理，包括建筑物場地平整、開挖、回填、墊層等。

3.1.3 結構測量放線

在準確復核以上工作完成后，根據實際施工需求選擇合適的測量工具和方法對結構進行測量放線。放線方法主要有以下幾種：（1）利用全站儀直接放出構件軸線。（2）利用全站儀放出構件的邊長及中心坐標。（3）利用全站儀和鋼卷尺在構件上直接量出各個部位的尺寸。（4）采用激光鉛直儀測量出構件各點的位置偏差。

3.1.4 構件吊裝

在鋼結構安裝之前需要將各個部位的測量數據進行整理，然后根據整理后的數據繪制出各個部位的軸線控制網、標高控制網和基礎軸線控制網，作為后期鋼結構安裝的依據。

3.2 吊裝準備

鋼結構施工之前，需要確定安裝順序，這就需要先把整個建筑進行建模，然后再將各個構件進行碰撞檢測，可提前發現安裝錯誤。BIM建模技術就可以為這些工作提供很好的支持。在對建筑模型進行建模時，需要將各個構件與其相對位置關聯起來，利用BIM技術可以方便地在一個三維模型中表示出各個構件的位置和編號。BIM模型的建立比較復雜，首先要建立鋼結構建筑模型和各個構件模型，然后再建立各個構件之間的連接關系。建筑中的各根鋼梁之間需要通過螺栓連接，然后用螺栓連接其他的鋼梁，再用鋼柱與混凝土柱之間形成組合結構。因此在建立這些模型時需要注意以下幾點：（1）由于鋼結構構件與混凝土柱之間的連接關系復雜，在進行構建建模時需要確定各構件間的相對位置關系。（2）對于一些重要構件或者位置需要嚴格控制，這樣可以避免出現安裝錯誤。（3）要嚴格控制連接螺栓之間的間隙和方向，使螺栓達到合理分布和排列。如果有偏差或者連接錯誤會對整個結構產生很大影響。（4）在建立模型時可以使用三維掃描儀等測量儀器進行準確測量，以保證模型的精度［3］。

3.3 施工過程模擬

在施工過程中，對鋼結構施工的過程模擬是一個必不可少的步驟。因為通過BIM技術，可以將每個工序都以3D動畫的形式展現出來，從而可直觀地了解到鋼結構施工過程中各個節點、構件的安裝位置、施工順序等。這樣可以有效避免因錯誤操作而造成的工期拖延、經濟損失。首先，在模型建立后，根據項目特點可進行虛擬施工模擬，如通過虛擬施工模擬技術可模擬出鋼結構吊裝過程中各個節點的實際狀態及受力情況，同時能進行碰撞檢測。對于鋼梁和鋼柱的連接節點，可以通過對其受力分析了解節點是否受力均勻、鋼梁是否發生變形等問題，對于節點板的焊接方式，可以根據構件在制作過程中的受力情況進行分析，從而確定焊縫是否可接受。通過虛擬施工模擬技術可以直觀地了解鋼結構吊裝過程中各個節點及構件的受力情況，可為后期施工提供參考依據。其次，在進行虛擬施工模擬時也可用于后期施工模擬分析。利用BIM技術可將實際三維模型進行數據轉換為CAD模型，并對模型進行二次開發，提供與CAD相同或相近的三維表達方式及構件信息，另外通過與BIM技術相結合可實現從構件到節點、從節點到基礎等的關聯應用。這樣一來，就可根據需要對項目進行進度、質量、安全、成本等方面的管理與控制。總之，BIM技術在虛擬施工建模中應用越來越廣泛。

3.3.1 鋼結構構件的吊裝模擬

通過BIM技術對鋼結構構件進行吊裝模擬，可以很好地解決在吊裝過程中出現的各種問題。首先，當鋼結構構件吊裝開始時，其吊點位置的設計和相應的吊裝過程是不同的，特別是在起吊過程中，其吊點位置設計是根據塔吊和被吊鋼構件之間的距離和相對位置決定的。當吊點位置設計正確時，鋼結構構件處于理想狀態，吊裝過程順利，不會發生較大的偏差，對施工進度的影響較小。其次，在鋼結構構件吊裝時所需施加的推力也是不同的。吊裝過程中受力不平衡而產生偏載是正常現象。在吊裝過程中需要設置一些外力來平衡偏載力，否則會對構件產生較大影響，甚至發生破壞。最后，鋼結構構件在吊裝過程中會發生一些位移偏差。由于不同類型和尺寸的鋼結構構件具有不同的變形特點和變形范圍，因此要根據具體情況確定對應類型和尺寸大小的約束條件來進行鋼結構構件的吊裝模擬［4］。

3.3.2 鋼結構三維信息的采集

BIM技術中的三維信息采集主要是對鋼結構模型的測量，其測量原理是通過對三維實體模型中的空間坐標和三維數據的轉換，進而對模型進行測量，將施工過程中產生的各種坐標數據和相關數據信息轉換成二維圖紙信息。在本工程中，基于BIM技術建立鋼結構模型時，可以利用AutoCAD進行精確建模和三維坐標數據轉換，在BIM軟件中輸入鋼結構構件的精確放樣效果圖，并將其導入到AutoCAD中，利用AutoCAD自身的轉換功能可以將模型的空間坐標和三維數據轉換成二維圖紙信息［5］。

3.4 工程量統計

在大型建筑中，工程的工程量統計是一項繁瑣的工作，包括建筑、結構、設備安裝等多方面的工作。在工程量統計時，工程量計算方法多種多樣，計算結果差異也較大，所以采用傳統的工程量統計方法，會出現大量的錯誤，工程也難以達到預期效果。而利用BIM技術可以大大減少計算錯誤。BIM技術是一種可以創建和管理建筑信息模型的技術。利用BIM技術進行建模，可將BIM模型轉換成3D模型并保存為數字文件。在使用時，將三維模型導入到計算機中，并使用Revit軟件進行二次開發，通過Revit軟件可以提取和整合鋼結構工程中各個構件及節點等相關信息［6-7］。在BIM技術的輔助下，根據實際施工的需要從BIM模型中提取出各構件及節點等信息數據進行工程量統計。BIM技術在大型建筑鋼結構施工中的應用具有重要意義，通過有效利用BIM技術可實現工程造價管理精細化、質量管理標準化和施工過程可視化，從而達到提高效率、節約資源、降低成本的目的。

在工程量清單確立的過程中，為了完美融合工程量清單、建筑、BIM技術等三項內容，需要將三者的特點進行對比分析，再進行整合分析，然后根據不同的模塊化理論進行工程量清單的分解。

3.5 信息管理

信息管理是BIM技術在工程項目應用中的關鍵，利用BIM技術建立的數據模型可以實現施工過程中的實時信息共享和管理。通過BIM技術對工程項目進行虛擬施工，可實現施工方案設計、施工現場指導等全過程的可視化管理，這為項目的順利實施提供了保障。另外，由于BIM模型自身包含大量的相關數據，對這些數據進行存儲和管理，不僅可以提高工程項目的實施效率，還能實現信息資源共享。比如，BIM模型可以將現場收集到的施工日志、材料庫存等信息導入到數據庫中，這些信息都可以保存在模型中，通過對這些信息進行分類管理，不僅可以及時發現施工過程中出現的問題，還能有效避免遺漏重要信息。總之，BIM技術在大型建筑鋼結構虛擬施工建模中的應用具有很好的前景，將成為未來虛擬施工技術發展方向之一。

4 結語

目前BIM技術已經在大型建筑鋼結構施工中得到了廣泛的應用。本文著重討論了BIM在鋼結構安裝過程中的應用，其能夠很好的解決大型建筑鋼結構吊裝時易出現的碰撞問題，保證吊裝過程中構件位置及吊裝方向準確，同時減少了大量傳統施工中手工放樣所導致的施工誤差。隨著BIM技術與三維CAD技術的不斷發展，其對大型建筑鋼結構構件設計、加工、安裝等整個施工過程起到了極大地輔助作用，同時也極大地降低了對現場施工人員造成傷害的機率，避免了大量因人為原因而導致的事故發生。隨著BIM技術與三維CAD技術不斷完善與發展，BIM在大型建筑鋼結構虛擬施工建模中的應用將會越來越廣泛，同時也會成為大型建筑鋼結構設計、加工、安裝等整個施工過程中重要的信息支持及數據保障。BIM技術在大型建筑鋼結構虛擬施工建模中的應用將為以后大型建筑鋼結構安裝提供更多有效的參考價值。

參考文獻：

［1］丁于強，王浩.BIM技術在大型鋼管桁架結構施工中的應用研究［J］.廣東土木與建筑，2023，30（1）：4-7.

［2］閆帥，裴杰，胡晨濤，等.基于BIM技術的異形鋼結構參數化設計與施工管理［J］.建筑技術，2022，53（12）：1616-1619.

［3］羊勇，于壯，闞佳奇，等.基于BIM的高架車站大跨度鋼結構施工風險預警研究［J］.科技通報，2022，38（10）：91-95.

［4］李冠東.高層建筑鋼結構施工技術及鋼結構體系梁柱的連接節點設計［J］.中國建筑金屬結構，2022（11）：139-141.

［5］陳智.鋼結構梁柱節點域設計分析［J］.石化技術，2022，29（9）：1-4.

［6］董廣田.鋼結構梁柱節點連接設計的優化分析［J］.智能城市，2020，6（12）：205-206.

［7］宋春花.高層建筑鋼結構施工技術及體系梁柱節點設計［J］.黑龍江科學，2019，10（12）：67-69.