基于BIM的大型鋼結(jié)構(gòu)廠房施工可視化應(yīng)用

李 匯，萬鵬程

（1.中國十五冶金建設(shè)集團(tuán)有限公司 黃石 435000；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070）

過去的20多年，CAD（Computer Aided Design）技術(shù)的普及可以說是工程領(lǐng)域中的第一次革命。盡管在很大程度上提高了設(shè)計效率，但是CAD歸根還是一種繪圖工具。這種工具一方面提高了繪圖效率，另一方面表現(xiàn)在建筑施工過程中頻繁出現(xiàn)的圖紙錯誤、遺漏等問題往往讓項目超預(yù)算、超工期。這會導(dǎo)致在設(shè)計－施工－運營的整個過程中，產(chǎn)生大量的重復(fù)工作和信息流失，這是施工企業(yè)面臨的共同問題。BIM正是在這一背景下產(chǎn)生的，BIM技術(shù)的使用有利于減少工程消耗，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，可以說是建筑業(yè)信息化的第二次革命［1］。BIM模型包含了準(zhǔn)確的幾何和相關(guān)的數(shù)據(jù)信息來支持完成該建筑所需要的設(shè)計、采購、建造、施工等過程，建造活動完成后，這個模型就被用來操作和管理相應(yīng)的目標(biāo)，這就形成了一種BIM的全生命周期管理［2］。

1 BIM相關(guān)理論

1.1 BIM 理論

BIM的定義或解釋有多種版本，McGraw·Hill（麥克格勞·希爾）在2009年名為BIM的商業(yè)價值（The Business Value of BIM）的市場調(diào)研報告中對BIM的定義比較簡練［3］，認(rèn)為“BIM is the process of creating and using digital model for design，construction，and／or operation of projects.”即BIM 是創(chuàng)造和利用數(shù)字模型來對項目進(jìn)行設(shè)計、施工和運營的過程，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性等特征。

可視化（Visualization）是任何可以通過創(chuàng)造圖像、圖表或動畫來進(jìn)行表達(dá)的技術(shù)，在BIM領(lǐng)域應(yīng)用可視化大體分為數(shù)據(jù)可視化和幾何可視化。Revit生成的相關(guān)統(tǒng)計表是數(shù)據(jù)可視化，而4D施工模擬和照片級的渲染是幾何可視化。正是BIM模型具有可視化的特征，才得以讓BIM在設(shè)計、施工、運維階段運用。

1.2 BIM信息互用標(biāo)準(zhǔn)

BIM的核心是Information，一個建筑的信息模型通常大而復(fù)雜，信息之間高度依賴。對于大部分BIM用戶來講，不需要從用戶的角度了解信息互用的方式，只需要了解自己使用的兩個BIM軟件之間采用哪種方式實現(xiàn)信息互換即可。如果從軟件本身（或軟件開發(fā)者）的角度來看，兩個建筑行業(yè)軟件之間的數(shù)據(jù)交換可以選擇下列4種方式［4］：1）直接互換方式（Direct Links）。一個軟件本身包含著另一個軟件的信息互換模塊，可直接輸入或輸出另一個軟件專用的文件格式。2）專用中間文件格式（Proprietary File Exchange Formats）。專用中間文件格式及某軟件廠商開發(fā)的用于與其他軟件廠商交換文件格式。3）公共產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型格式（Public Product Data Model Exchange Formats）。為了避免專有中間文件格式的壟斷，方便建筑業(yè)互操作性的公共產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型格式得以產(chǎn)生。主要包含兩個類別：鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品模型和電子數(shù)據(jù)交換格式集成文件CIS／2（CIM Steel Integration Standards Release 2）；building SMART聯(lián)盟開發(fā)和管理的中立格式IFC（Industry Foundation Classes）。IFC是一個中立的、開放的文件格式規(guī)范，目前最新版本是IFC4［5，6］。4）基于XML的交換格式（XML－extensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記性語言）。工程領(lǐng)域包含aecXML、gbXML和IFCXML等。

1.3 相關(guān)BIM軟件

常用的BIM軟件主要有以下4個類別：

表1 BIM核心建模軟件

對于一個項目或企業(yè)BIM建模軟件技術(shù)路線的確定可以考慮以下基本原則：

1）民用建筑適合用Autodesk Revit、Archi CAD建模。

2）工廠設(shè)計和基礎(chǔ)設(shè)施用Bentley。

3）不規(guī)則體型項目可以選擇Digital Project或CATIA。

當(dāng)然，除了以項目本身、軟件本身的特點來考慮選用的BIM軟件外，業(yè)主方的要求和項目成員的技術(shù)領(lǐng)域也是選用BIM軟件的重要因素［7］。該文所用的參數(shù)化建模軟件Revit，其原意是Revise immediately，即所見即所得。建模完成后即導(dǎo)入到Navisworks做4D施工模擬、項目漫游。

2 項目案例

2.1 項目概況

蕪湖三山新型鑄管煉鋼項目主廠房位于安徽省蕪湖市三山區(qū)三山工業(yè)園新興鑄管有限公司廠區(qū)內(nèi)。該項目是新興鑄管集團(tuán)結(jié)合“十二五”規(guī)劃在蕪湖市建設(shè)的大型鑄鍛件基地，以服務(wù)于安徽乃至全國的裝備制造業(yè)。同時該工業(yè)園區(qū)也是圍繞節(jié)能減排，推行集約化生產(chǎn)，貫徹環(huán)保和循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃和設(shè)計的項目。蕪湖三山新興鑄管煉鋼項目設(shè)計單位是中冶京城工程技術(shù)有限公司，施工方是中國十五冶金建設(shè)集團(tuán)有限公司。施工范圍包括工程全場樁基、廠房基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)制作、機(jī)電設(shè)備和工藝管道安裝等內(nèi)容。

該廠房主要包括出坯跨、過度跨、澆注跨、鋼水接受跨、轉(zhuǎn)爐跨、加料跨、脫硫跨、爐渣跨。廠房全部為單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，墻、屋面采用彩鋼板圍護(hù)，屋面設(shè)有成品天窗。廠房建筑面積約為92780m2。廠房跨度范圍見表2。

表2 廠房主要跨示意表

工程難點有以下幾方面：1）工期緊，作業(yè)面展開多，立體交叉作業(yè)多，機(jī)具和人員投入大，約30000t鋼結(jié)構(gòu)要在7個月時間內(nèi)完成主體結(jié)構(gòu)的制作安裝。2）超長的柱子比較多，需要在現(xiàn)場高空對接，質(zhì)量和安全控制難度大。3）結(jié)構(gòu)件超大、超長、數(shù)量多，部分構(gòu)件單件重、體積大以致運輸難度大，且現(xiàn)場無法提前放置即將安裝的構(gòu)件，如果現(xiàn)場協(xié)調(diào)不合理，影響各專業(yè)的銜接。4）交叉作業(yè)多，土建和結(jié)構(gòu)穿插作業(yè)時間長，相互制約影響，牽涉各專業(yè)之間、工序交叉作業(yè)及施工場地、道路的影響，且廠房跨度大，構(gòu)件較重，給安裝帶來較大難度。5）車間工藝對鋼結(jié)構(gòu)及設(shè)備安裝精度要求高。

2.2 主廠房的BIM模型

施工階段BIM應(yīng)用的信息來源方式有兩種：一是來自于設(shè)計階段的傳遞，二是利用設(shè)計圖紙進(jìn)行建模。該項目采用第二種方法，建模之前需要進(jìn)行族文件的建立，主要有格構(gòu)柱、格構(gòu)梁和柱間支撐。其族文件和實體如圖1所示。

利用相應(yīng)的二維設(shè)計圖紙建模后得到的項目主廠房的Revit 3D模型如圖2所示。

2.3 BIM可視化在本項目中的應(yīng)用

根據(jù)流水施工過程對主廠房模型進(jìn)行施工模擬，在Navisworks中定義的施工流程主要包括基礎(chǔ)施工、格構(gòu)柱吊裝、吊車梁、高跨區(qū)吊裝、屋面安裝、其他設(shè)備安裝幾部分。Timeliner中4D施工模擬的流程如圖3所示。

3 重大技術(shù)模擬仿真

對于大型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，鋼構(gòu)建、管道安裝過程中極易發(fā)生吊裝碰撞，可能是構(gòu)件之間的碰撞，也可能是吊裝機(jī)械與鋼結(jié)構(gòu)的碰撞。這種碰撞對于結(jié)構(gòu)安全有較大隱患，且可能使已安裝的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏差從而間接影響結(jié)構(gòu)安全。一旦發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中的碰撞或吊裝機(jī)械操作空間受限時，要么修改吊裝方案，要么將已安裝的成品拆除后再次安裝。這勢必會造成很大的重復(fù)勞動和無效勞動。如何盡量減少這種“吊裝碰撞”的發(fā)生是鋼結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)域的重要課題，使用BIM技術(shù)能夠為這一問題帶來解決方案，通過對BIM模型模擬吊裝、修改參數(shù)等方式優(yōu)化吊裝方案，對于減少這種施工階段的吊裝碰撞是可能的。

該項目的吊裝模擬如圖4、圖5所示。

4 設(shè)備、工程用料、施工用料統(tǒng)計及施工圖預(yù)算模擬仿真

通過BIM創(chuàng)建的仿真模型，可以精確統(tǒng)計設(shè)備材料、工程用料、施工用料進(jìn)而為施工預(yù)算提供決策依據(jù)。其原理是，按照設(shè)計圖紙創(chuàng)建精細(xì)化BIM模型后，項目中的各種構(gòu)件數(shù)量、長寬、面積、體積，都已經(jīng)被真實反映了出來，從而可以將這些數(shù)據(jù)提取成為表格以供使用。在給BIM模型的各種構(gòu)件賦予了材質(zhì)、材料屬性后，統(tǒng)計量不僅可以按構(gòu)件類型進(jìn)行統(tǒng)計，也可按材料進(jìn)行統(tǒng)計。通過三維BIM模型得到的材料用量，要遠(yuǎn)比憑經(jīng)驗判斷準(zhǔn)確得多。所有模型建模時就意味著在虛擬的環(huán)境下，將建筑搭建了一遍，因此所有的數(shù)量和體積都是在相對精確的前提下產(chǎn)生的。以BIM模型生成的量作為參考，能夠盡可能的減少因為預(yù)估不準(zhǔn)而在材料采購上造成的浪費和成本的提升。

5 結(jié) 語

以BIM理論以及BIM軟件Revit、Navisworks為基礎(chǔ)，主要論述BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用，即可視化模擬和4D虛擬施工。通過研究對蕪湖三山新型鑄管煉鋼項目主廠房進(jìn)行Revit建模，建模后導(dǎo)入Navisworks進(jìn)行4D虛擬施工，證明了鋼結(jié)構(gòu)建筑不僅可以用專門的鋼結(jié)構(gòu)建模軟件Tekla Structure建模，Autodesk系列的Revit也能夠勝任。該研究是BIM向大型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房應(yīng)用領(lǐng)域的一個探索，所生成的4D虛擬施工對實際施工過程具有很強(qiáng)的參考作用，能夠提前預(yù)警、優(yōu)化方案、降低成本、縮短工期等。

［1］何關(guān)培，王軼群，應(yīng)宇墾.BIM總論［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］Salman Azhar，Phd，A.M.ASCE.Building Information Modeling（BIM）：Trends，Benefits，Risks，and Challenges for the AEC Industry［J］.leadership and Management in Engineering，2011，11：241－252.

［3］McGraw·Hill.The Business Value of BIM：Getting Building Information Modeling to the Bottom Line［R］.Smart Market Report，2009.

［4］Eastman C，Teicholz P，Sacks R，et al.BIM Handbook［M］New Jersey：John Wiley ＆Sons Inc，2008.

［5］IFC Model.Industrial Foundation Classes［S］.International Alliance for Interoperability，2008.

［6］維基百科.Industry Foundation Classes［EB／OL］.http：／／en.wikipedia.org／wiki／Industry＿Foundation＿Classes，2013／12.

［7］柳娟花.基于BIM的虛擬施工技術(shù)應(yīng)用研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.