建筑信息模型技術在裝配式鋼結構中的應用研究

摘 要：為了解決裝配式鋼框架建筑的信息化和數字化建造運維問題，以甘肅省某體育館工程為研究對象，運用BIM技術建立三維建筑信息模型，提出了基于BIM技術的裝配式鋼結構建筑的設計-生產-施工-運維一體化集成技術，并在施工階段提出了全專業協同一體化應用技術，有效解決了裝配式鋼結構施工中存在的多專業交叉、工序復雜、施工管理困難等問題。結果表明，所提出的集成技術和應用技術有效地保障了項目的順利驗收，大幅降低了工程造價和縮短了工程建設周期，提高了工程質量，積累了工程數字資產。

關鍵詞：建筑工程；BIM技術；裝配式建筑；鋼結構；一體化集成技術；全專業協同

1 前言

目前，傳統的建筑業正從粗放型、勞動密集型和低端制造型向高端信息化、機械化和智能化的新型建筑模式轉型升級[1]。在我國推進建筑工業4.0的背景下，鋼結構建筑具有天然的預制和裝配特點，具備工業化建造和智能化建造的優勢[2]。在裝配式建筑中，BIM技術提供了一個三維可視的數字建造模式，參與主體之間可以在信息交互平臺中進行協同工作，充分發揮各個專業的協同效應，對鋼結構建筑全生命周期的信息流進行管控，以BIM模型為載體，從策劃管理、深化設計、施工階段模擬、場地布置、精準算量和5D進度管理等都能夠提供海量的過程信息，避免了二維圖紙在各個環節傳遞路徑中出現效率不高和信息理解偏差的問題[3-5]。

本文以甘肅省某體育館工程為研究對象，在分析工程施工的重難點的基礎上，提出以BIM技術的信息化手段處理工程施工問題，達到智慧化建造的目的，研究成果可以運用于復雜大跨度的裝配式鋼結構建筑的設計、施工和管理，可為智能建造、智慧施工提供一定的參考。

2工程概況

甘肅省某體育館工程總建筑面積為24000 m2，分為東、西2個場館，主要設計為游泳館和籃球館，東側為游泳館，西側為籃球館，如圖1所示。建筑平面大致為長方形，平面長度為160 m，平面寬度為90 m，可以提供5800個觀眾席位，2個50 m×20 m的標準游泳池。建筑場館采用鋼框架結構修建，鋼結構總量5800 t，鋼梁共有780根，鋼箱梁立柱105根，鋼斜柱50根。鋼箱梁立柱采用Q355B鋼材，規格為400 mm×400 mm×2 mm；鋼斜柱采用Q355C鋼材，四面向外傾斜81°，規格為1400 mm×1000 mm×35 mm，屋面為焊接性球形網架。

綜合分析工程特點和難點，鋼結構的設計深度對結構的安裝制作和施工質量產生較大的影響，且由于建筑物存在斜向鋼柱，結構的受力狀況和安裝方案需要借助軟件進行進一步的深化和計算。結構的安裝構件數量多，傾斜構件的安裝精度要求較高，因此，需要借助信息化的管理手段和技術手段，對構件安裝過程的精度進行測量、校正和拼裝。

體育場館的跨度較大，結構體系受力復雜，控制結構的定位吊裝、合理安排施工進度等都是傳統施工建造中所面臨的困難，如果借助BIM技術的可視化、優化性和模擬性，則可以大幅度提高施工的效率，降低施工過程的難度，并對鋼結構進行優化和施工方案模擬[6]。為了適應建筑工程的信息化、數字化施工建造，項目基于BIM技術對裝配式鋼結構的全過程、全要素進行集成一體化應用，打通虛擬建造和實體建造過程的通道，實現裝配鋼結構體系建筑一體化建造[7]。

3裝配式鋼結構建筑的設計-生產-施工-運維一體化集成技術與傳統的鋼筋混凝土結構相比，裝配式鋼結構具有重量輕和強度高的優點，充分利用鋼結構的受力性能，可以大幅度提高建筑的開間和跨度，并且鋼結構材料施工裝配速率高、現場施工作業少，更容易實現工廠生產模數化、標準化。基于信息網絡技術、數字仿真技術和機械化裝配技術，可對裝配式建筑在設計制造、運輸安裝、施工運維、拆除回收等所有環節實現參數化建模、智能化建造、自動化運維和人工智能優化。以BIM技術為核心，以鋼結構建筑產業化和工業化為基礎，改變傳統鋼結構建筑施工的粗放化現狀，打破虛擬建造和實體建造之間的壁壘。為此，項目提出基于BIM技術的裝配式鋼結構建筑的設計-生產-施工-運維一體化集成技術。

在鋼結構設計階段，梳理裝配式鋼結構的基本構成元素，建設和開發相關的部品庫和族庫，基于建立的體育場館BIM平臺，在技術策劃階段、方案設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段、詳圖深化設計階段和施工階段，全方位滲透設計要素，BIM模型中的設計部品部件與實體構件相互結合，可以實現參數化、可擴延和可兼容，在不同的設計階段與設計單位、建設單位、審圖單位等進行協同化工作，在結構專業中可以提供計算分析、正向設計，施工現場指揮建造。裝配式鋼結構不同設計階段的工作流程如圖2所示。

在裝配式鋼結構生產階段，基于BIM模型可以精確地提取項目所需鋼材料的構件類型、構件數量和構件規格等信息，以制定更為精細的生產任務，提高生產效率和減少材料浪費。在生產工藝流程上，可以基于鋼結構企業資源計劃系統、詳圖深化設計系統和產品數據管理系統，與數控機床等設備進行聯合集成，直接從模型中提取數據，進行鋼構件的切割、彎折和鉆孔，并對生產流程進行優化，加快生產速度和提高構件加工的精度[8]。項目也針對鋼龍骨、鋼立柱和鋼斜柱開發了一套基于Unity 3D的建模系統，可以適用于鋼結構模型的參數修改、數據庫存儲等。具體的裝配式鋼結構加工一體化流程如圖3所示。

在裝配式建筑施工階段，主要在傳統的施工工藝基礎上進行，對裝配式鋼結構各個構件進行部品集成化，運用物聯網技術和互聯網技術追蹤各個構件的施工過程。在施工時圍繞BIM模型開展各個專業的工作，協同建筑、結構、電氣設備各專業的施工進度，預留工作結構，并以顏色方案解決膨脹問題，即用不同的顏色來標注不同的構件或施工進度，以便于識別和管理。在施工工序、施工工藝、施工周期、施工關鍵節點等問題上進行技術交底，并按照全天候攝像頭或航拍影像獲得的現場實景進行施工安裝進度管理，記錄、存儲施工數據，比較實際進度與計劃進度，實現可視化的項目進度、質量和成本協同管理[9-11]。

在裝配式建筑運維階段，圍繞設計、生產和施工形成的數字資產，將運維管理與BIM模型進行協同和一體化集成，構建運維管理平臺，實現鋼結構部品部件的實時監測、查詢、保修。BIM技術提供的強大可視化功能可以及時定位設備的故障位置，提供歷史運維信息，將數字資產與真實場景之間進行連接，提供維修信息的查詢和應急仿真模擬功能，提升裝配式鋼結構建筑的整體品質和水平。

4裝配式鋼結構建筑的全專業協同一體化應用技術

裝配式鋼結構的施工涵蓋了多個專業領域和繁雜的工序。具體到結構專業，其施工設計不僅涉及多種工藝，這些工藝的選用還直接影響到整個項目的順利進行。以裝配式鋼結構的安裝為例，它可采用的方法包括高空原位安裝法、整體頂升安裝法以及整體吊裝法等。因此，為了確保施工的順利進行和高效完成，各個專業子系統之間的全方位合作和協同配合顯得尤為關鍵[12]。

在信息化處理手段中，各個子系統為獨立存在的子系統，通過BIM平臺的信息集成，形成更大的數據庫系統。綜合項目的建筑、結構、機電設備、室內裝修等專業類別，提出全專業協同一體化應用技術，該技術中包含了若干子系統，主要為結構系統、外圍護系統、設備與管線系統以及內裝系統，在技術策劃階段、方案設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段、深化設計階段，實現各個專業的模數與模數協調、模塊與模塊組合，逐步遞進與交叉，提高設計施工工作效率，縮短建設周期和減少資源浪費。基于BIM技術的裝配式鋼結構建筑全專業系統一體化應用技術如圖4所示。

5結論

通過對甘肅省某體育館工程的研究，運用BIM技術建立三維建筑信息模型，并在分析工程施工的重難點的基礎上，提出基于BIM技術的裝配式鋼結構建筑8c580b4403b276ef9d02db98c7432232設計-生產-施工-運維一體化集成技術，得到以下幾個重要結論：

（1）通過BIM技術的應用，實現了裝配式鋼結構建筑全生命周期中信息壁壘的有效解決。這包括在設計制造、運輸安裝、施工運維、拆除回收等所有環節實現參數化建模、智能化建造、自動化運維和人工智能優化，從而顯著提高了整個項目的管理效率和質量。

（2）提出的全專業系統一體化應用技術，確保了裝配式鋼結構施工過程中各個專業子系統之間的全方位合作和協同配合，實現了信息的互聯互通。這不僅有效保障了項目的順利驗收，而且大大降低了工程造價，縮短了工程建設周期，提高了工程質量，并積累了寶貴的工程數字資產。

（3）本研究的成果不僅適用于復雜大跨度的裝配式鋼結構建筑的設計、施工和管理，也為智能建造和智慧施工提供了重要的參考價值。這表明，BIM技術在裝配式鋼結構中的應用具有廣泛的前景和深遠的影響。

綜上所述，本研究不僅驗證了BIM技術在裝配式鋼結構建筑中的實用性和有效性，還為未來類似項目的實施提供了寶貴的經驗和指導。

參考文獻

[1]陶紅星，王少非，史亞彬，等.基于BIM技術的裝配式鋼結構建筑工程管理[J].建筑技術，2022，53（3）：347-349.

[2]竇維亞.BIM技術在鋼結構裝配式建筑中的應用[J].建筑技術，2018，49（z1）：143-145.

[3]高占陽，袁霓緋，李洪光，等.首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅技術體系研究[J].鋼結構（中英文），2019，34（6）：49-53+68.

[4]王麗紅.裝配式鋼結構迷彩彩鋼屋面應用BIM施工技術研究[J].建材與裝飾，2020（32）：8-9.

[5]張義，王遠航，韓陽，等.呼吸類臨時傳染病醫院鋼結構裝配式建筑體系及關鍵技術[J].施工技術，2020，49（12）：111-113.

[6]高翔，姜友榮，李國明，等.基于BIM技術的復雜鋼結構施工應用研究[J].施工技術，2019，48（24）：12-15.

[7]李廣輝，鄧思華，李晨光，等.裝配式建筑結構BIM碰撞檢查與優化[J].建筑技術，2016，47（7）：645-647.

[8]王巧雯.基于BIM技術的裝配式建筑協同化設計研究[J].建筑學報，2017（S1）：18-21.

[9]謝天圣，陳麗，柳娜，等.基于BIM技術的裝配式建筑預制構件跟蹤管理[J].建筑技術，2020，51（5）：534-537.

[10]闕榮.BIM技術在裝配式鋼結構建筑施工過程中的應用研究[J].智能建筑與智慧城市，2022（10）：63-65.

[11]李科.BIM可視化技術在裝配式鋼結構建筑中的應用研究[J].延安職業技術學院學報，2021，35（5）：106-108.

[12]王占飛，馮瑾，梁偉，等.BIM虛擬施工技術在裝配式鋼結構橋梁中的應用研究[J].北方交通，2020（7）：9-13.

作者簡介：何成生（1987.09-），男，漢族，甘肅武威人，本科，工程師，研究方向：工程項目管理。