BIM在某鐵路專線鋼結構工程中的應用研究

黃 鸝，李 嫻，張學輝

(河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018)

BIM在某鐵路專線鋼結構工程中的應用研究

黃 鸝，李 嫻，張學輝

(河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018)

鋼結構體系本身的復雜性致使鋼結構的設計、施工存在一些難點，如CAD設計圖紙較難被施工人員讀懂、一些設計缺陷在施工過程中才能被發(fā)現(xiàn)等，嚴重制約了鋼結構的發(fā)展。為解決這些問題，從研究BIM軟件的建模方法著手，結合某鐵路專線鋼結構工程，將BIM模型與傳統(tǒng)設計圖進行比較，研究了BIM建模在鋼結構節(jié)點設計優(yōu)化中的作用。結果表明，BIM軟件給工程設計和施工帶來極大的便利，將逐步取代傳統(tǒng)的工程設計方法。

土木工程設計；BIM；鋼結構；Tekla；節(jié)點優(yōu)化設計

鋼結構建筑是由大量鋼構件采用焊接或螺栓連接建造而成的一種重要的建筑結構類型。與傳統(tǒng)建筑相比，鋼結構建筑具有眾多優(yōu)勢，包括強度高、塑性和韌性好、強重比高、施工速度快、環(huán)保效果好、符合住宅產(chǎn)業(yè)化以及可持續(xù)發(fā)展的要求[1-2]，因此是未來建筑的發(fā)展方向之一。中共中央國務院《關于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》提出，力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%。《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》要求，到2020年，裝配式建筑占新建建筑的比例達到20%以上，到2025年，裝配式建筑占新建建筑的比例達到50%以上。目前中國已有30多個省市陸續(xù)出臺了裝配式建筑專門的指導意見和相關配套措施，而鋼結構是裝配式建筑最合理的結構形式，必將迎來更迅猛的發(fā)展。

然而，由于鋼結構體系復雜、節(jié)點較多、桿件連接方法復雜等特性，使鋼結構設計施工存在若干難點，表現(xiàn)在：1)鋼結構圖紙較難看懂，一個節(jié)點往往要結合平面、剖面等很多圖紙才能看懂；施工現(xiàn)場鋼結構專業(yè)技術人員缺乏[3]，施工人員對整個鋼結構工程沒有一個整體的概念，所以在施工中很容易出現(xiàn)錯誤，導致施工事故時有發(fā)生；2)從目前常規(guī)的CAD圖紙中不難發(fā)現(xiàn)，大部分節(jié)點的板件或桿件的尺寸需要進一步在施工前放樣確定，這將給施工帶來一定的難度，并加大了工作量；3)由于鋼結構工程是由大量桿件采用螺栓或焊接連接建造而成，因此在設計圖中就很容易出現(xiàn)局部節(jié)點設計不合理或者凈空高度不滿足要求而導致碰撞的情況，有些問題在設計過程中不易被發(fā)現(xiàn)，只能在施工過程中發(fā)現(xiàn)[4]，從而引發(fā)設計變更，對工程工期和成本造成不利影響[5]。因此，傳統(tǒng)建造方式無法完全滿足其施工要求，需要尋找一種新的方式滿足鋼結構工程設計施工要求。建筑信息模型(building information modeling，簡稱BIM)是近年在計算機輔助建筑設計領域出現(xiàn)的新技術,以建筑工程項目的各項信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎建立高度集成、完整的建筑工程項目信息化模型[6]。由于BIM具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性和優(yōu)化性等特性，能夠彌補傳統(tǒng)建造方式的不足，滿足鋼結構工程設計施工的要求，因此， BIM在鋼結構工程中的應用、普及迫在眉睫，尤其是對于目前發(fā)展迅猛的大跨空間鋼結構，BIM施工模擬是保證工程施工過程安全、可靠的前提[7]。綜上所述，對BIM在鋼結構工程中的應用進行研究非常有實用價值。

BIM的信息載體是多維參數(shù)模型，實現(xiàn)手段是BIM軟件[8]。要想充分發(fā)揮BIM的價值，為項目創(chuàng)造效益，將涉及到十幾乃至幾十種BIM軟件[9]，而具體到鋼結構領域，較為常用的BIM軟件為Tekla，其是芬蘭Tekla公司研究開發(fā)并推出的鋼結構詳圖設計軟件，是通過先創(chuàng)建三維模型的方法，而后自動生成鋼結構詳圖和各種報表，在模型中可以顯示結構零部件的各類加工信息，例如截面尺寸、材質(zhì)、規(guī)格、節(jié)點類型等[10]。因此,本文以該軟件為研究工具，以某鐵路客運專線鋼結構站臺為研究案例，以鋼結構BIM建模及節(jié)點優(yōu)化設計為研究重點，探索BIM在鋼結構工程中的應用。

1 BIM在實際工程中的應用

以某鐵路客運專線鋼結構站臺為例，該站臺為鋼管桁架結構，其平面尺寸為449.2 m×40 m，覆蓋面積約為17 968 m2，共有①—○22軸22榀桁架，桁架跨度均為40 m，其中①—⑧軸、○15 —○22軸桁架懸挑1.65 m，⑨—○14軸桁架懸挑6.65 m。結構采用鋼管桁架體系，由鋼管柱、桁架梁、H型實腹檁條、系桿和水平支撐組成[11]。桁架梁采用空間三角形鋼管桁架，桁架縱向間距為21 m。鋼桁架及鋼柱采用Q345C級鋼，檁條采用焊接H型鋼Q345B。本項目的主要難點在于：桁架梁為弧形，所以繪制其上檁條、系桿和水平支撐等構件時不能在一個平面中完成，需不停地轉換視圖平面進行操作。這些難點恰為此類工程的共性問題，因此本文嘗試采用BIM技術，對上述問題進行解決。

1.1 BIM在鋼結構建模中的應用

由于BIM模型是BIM應用的基礎，因此本文首先研究該車站鋼桁架的BIM建模方法。

本工程的鋼桁架梁是弧形的，利用Tekla軟件自帶的節(jié)點庫難以完成整個模型的創(chuàng)建，所以需要手動完成節(jié)點的繪制。建模時要有步驟、自下而上地進行，下一構件要在上一構件創(chuàng)建完成的基礎上進行創(chuàng)建。鋼桁架的建模過程主要分為以下幾個步驟。

1)創(chuàng)建單榀鋼桁架。單榀鋼桁架包括鋼管柱、弧形上弦和下弦、腹桿、桁架下弦與柱的連接節(jié)點、柱頂蓋板和上弦端部蓋板等，然后在3D的平面圖中將單榀鋼桁架進行復制，完成22榀桁架模型的建立。

2)創(chuàng)建檁條。由于桁架上弦為弧形，導致每根檁條的角度都稍有不同，需調(diào)整角度后逐一建立H型實腹檁條。

3)創(chuàng)建螺栓。檁條建完之后，要繪制檁條與上弦的支座節(jié)點，包括檁托、加勁肋等。檁條和上弦連接節(jié)點設置有螺栓，但是由軟件軸線自動生成的平面圖并沒有包括螺栓所在的平面，因此需要自己創(chuàng)建平面才能正確放置螺栓。圖1為檁條與上弦連接節(jié)點模型圖，圖2為創(chuàng)建螺栓的視圖平面，它是用圖3中虛線上的兩點創(chuàng)建的平面。

4)創(chuàng)建系桿。在創(chuàng)建系桿之前，先要畫系桿和檁條的連接板和螺栓，系桿的創(chuàng)建在已有的①至○22軸視圖平面內(nèi)完成并平移至其實際所在的位置即可。如打開①軸視圖平面，并繪制如圖4所示的上下兩根系桿，再回到3D視圖的平面圖中將其移動到如圖5所示的位置。

5)創(chuàng)建水平支撐。在創(chuàng)建水平支撐前，先要完成檁條加勁肋與水平支撐之間的連接板件的繪制，其中圓弧形的板件要將切角屬性對話框中的“類型”改為圓弧形，圖6為圓弧形板件的模型。

6)檢查。很多桿件連接的地方都要進行切割，如圖7是切割前后的對比，完成切割之后的最后一步就是檢查模型中有沒有錯誤和疏漏。

圖1 檁條與上弦連接節(jié)點模型Fig. 1 Connection joint model of purlin and principal rafter

圖2 創(chuàng)建螺栓的視圖平面Fig.2 View plane of creating the bolt

圖3 創(chuàng)建螺栓的過程Fig.3 Process of creating the bolt

圖4 系桿視圖平面Fig. 4 View plane of the tie rod

圖5 3D視圖的平面圖Fig. 5 3D view of the plane

圖6 圓弧形板件的模型Fig.6 Model of circular arc plate

圖7 零件切割前后對比Fig.7 Comparison of parts before and after cutting

1.2 BIM在鋼結構節(jié)點優(yōu)化中的應用

在傳統(tǒng)的CAD繪圖過程中，鋼結構部分構件之間會發(fā)生不易被設計人員察覺的碰撞，這些碰撞只有在放樣或施工過程中才會被發(fā)現(xiàn)，導致設計變更、延誤工期等后果。如果采用BIM建模，在建模過程中就可以用肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)相關問題并及時手動調(diào)整，避免前述問題。下文以檁條與上弦連接節(jié)點為例，研究BIM在節(jié)點設計優(yōu)化中的用途。圖8為原設計檁條與上弦連接節(jié)點圖，圖9為經(jīng)手動調(diào)整優(yōu)化后檁條與上弦連接節(jié)點圖。根據(jù)原節(jié)點設計，在BIM建模過程中發(fā)現(xiàn)加勁肋與水平支撐的連接板發(fā)生碰撞，這種桿件空間碰撞在傳統(tǒng)的CAD設計過程中很顯然未被設計人員察覺，必須經(jīng)過優(yōu)化修改，于是在Tekla中手動調(diào)整兩側加勁肋的位置，中間加勁肋位置不變，將加勁肋的間距調(diào)整為250 mm時剛好能避免碰撞。所以，把加勁肋的間距修改為250 mm，修改之后的節(jié)點不僅符合相關規(guī)范要求，也成功避免了構件之間的碰撞。

圖8 原設計檁條與上弦連接節(jié)點圖Fig.8 Connected node diagram of purlin and principal rafter of original design

圖9 經(jīng)手動調(diào)整優(yōu)化后檁條與上弦連接節(jié)點圖Fig.9 Connected node diagram of purlin and principal rafter after manual adjustment and optimization

2 研究結果

圖10 a)—圖10 c)分別是懸挑6.65 m的桁架的CAD圖、使用Tekla建立的BIM模型圖以及實際工程完工之后的圖片，圖11和圖12分別為站臺BIM整體效果圖和現(xiàn)場實景圖。從圖片對比來看，BIM模型能從三維空間角度展示各構件的空間位置關系，并且BIM模型與建成后的實體工程非常接近，而這是傳統(tǒng)的CAD圖難以具備的優(yōu)勢。

此外，在節(jié)點優(yōu)化過程中，通過采用BIM技術，發(fā)現(xiàn)本項目鋼桁架檁條與上弦連接節(jié)點處、檁托與上弦連接節(jié)點處原設計均存在兩處碰撞問題，并及時對發(fā)生碰撞的2個節(jié)點進行了優(yōu)化設計，從而避免了此類問題對后期項目施工造成的不利影響。

圖10 鋼桁架圖Fig.10 Steel truss diagram

圖11 站臺BIM整體效果圖

Fig.11 BIM overall effect diagram of the platform

圖12 現(xiàn)場實景圖

Fig.12 Real map of the scene

3 結 語

目前，國務院《關于進一步加強城市規(guī)劃管理工作的若干意見》中明確指出，要發(fā)展新型建造方式，大力推廣裝配式建筑，發(fā)展鋼結構這種結構形式是大勢所趨。應用BIM軟件對鋼結構工程進行設計，很大程度上解決了鋼結構二維圖紙復雜且不夠直觀的問題，并且利用BIM建?？梢詸z查節(jié)點設計并加以優(yōu)化完善，甚至代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼構件放樣過程，為設計和施工帶來很大的便利。不久的將來BIM將逐漸取代傳統(tǒng)的二維設計[12]，為建筑業(yè)帶來又一次新的革命。

然而，目前BIM在中國工程界的應用尚未普及，本文也只涉及到建模部分及簡單的節(jié)點設計優(yōu)化，后續(xù)需要研究通過不同的第三方插件，將結構模型發(fā)送到不同的結構分析軟件中[13]，對優(yōu)化后的節(jié)點進行承載力驗算；并用Navisworks施工模擬軟件對信息模型進行可視化協(xié)助施工和碰撞檢測2個角度的研究[14]，實現(xiàn)BIM對工程項目的管理，達到加快建設進度和節(jié)約成本的目標[15]。

[1] 劉西拉.我國結構工程學科應優(yōu)先發(fā)展的領域[J].土木工程學報，1993,26(4):21-28. LIU Xila. Priority research topics of structural engineering in China[J].China Civil Engineering Journal,1993,26 (4): 21-28.

[2] 付裕. 鋼結構桁架式通廊設計優(yōu)化與工程應用[D].濟南：山東大學,2012. FU Yu. Designing Optimization and Engineering Application of Steel Truss Corridor [D].Jinan: Shandong University, 2012.

[3] 何麗. 基于Tekla Structures的北京英特宜家購物中心工程的應用研究[D].青島：青島理工大學,2014. HE Li. Tekla Structures of Beijing-based Inter IKEA Shopping Applied Research Center Project [D]. Qingdao:Qingdao Technological University, 2014.

[4] 吳子昊. BIM技術在建筑施工進程中的碰撞研究[D].武漢：武漢科技大學,2013. WU Zihao. The Collision Research on BIM Technology in the Process of Construction[D]. Wuhan:Wuhan University of Science and Technology, 2013.

[5] 馮巖. 大跨鋼桁架施工方法優(yōu)選與技術研究[D].西安:西安建筑科技大學,2012. FENG Yan. Large Span Steel Truss Construction Method Optimization and Technology Research[D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology, 2012.

[6] 劉占省,趙明,徐瑞龍. BIM技術在我國的研發(fā)及工程應用[J]. 建筑技術,2013,44(10):893-897. LIU Zhansheng,ZHAO Ming, XU Ruilong. Research and application status of BIM in China[J]. Architecture Technology, 2013,44(10):893-897.

[7] 王珺. BIM理念及BIM軟件在建設項目中的應用研究[D].成都：西南交通大學,2011. WANG Jun. Study on the Application of BIM Principle and BIM Software in Construction Projects[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2011.

[8] 何關培. BIM和BIM相關軟件[J]. 土木建筑工程信息技術,2010,2(4):110-117. HE Guanpei. BIM and BIM software[J]. Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture, 2010,2(4):110-117.

[9] 何永利. Tekla Structures在濟南西客站項目構件制作與安裝中的應用研究[D].青島:青島理工大學,2014. HE Yongli. Study of the Jinan West Railway Station Project Using Tekla Structures for Manufaction & Installation[D].Qingdao:Qingdao Technological University, 2014.

[10] 陳勝利. 大跨空間鋼結構施工控制技術研究[D].南京：東南大學,2006. CHEN Shengli. Study on Construction Control Techniques of Large-span Steel Space Structures[D]. Nanjing: Southeast University, 2006.

[11] 肖瀟. 鋼結構桁架建筑的分析研究[D].成都：西南交通大學,2007. XIAO Xiao.Research on the Truss of Steel Structure[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2007.

[12] 秦雯,陳威,計曉萍. 基于BIM的結構出圖[J]. 土木建筑工程信息技術,2013,5(2):92-95. QIN Wen, CHEN Wei,JI Xiaoping. Plot structural drawing based on BIM[J]. Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture, 2013,5(2):92-95.

[13] 王加峰. 建筑工程BIM結構分析與設計方法研究[D].武漢：武漢理工大學,2013. WANG Jiafeng. Research on Structural Analysis and Design Method of Constructional Engineering BIM [D].Wuhan：Wuhan University of Technology, 2013.

[14] 舒暢,陳甫亮. 基于BIM技術的施工方案優(yōu)化研究[J].湖南城市學院學報(自然科學版),2016,25(1):5-7. SHU Chang,CHEN Fuliang. Construction program optimization research based on BIM virtual construction technology[J].Journal of Hunan City University(Natural Science),2016,25(1):5-7.

[15] 張麗麗，李靜. BIM技術條件下施工階段的工程項目管理[J].施工技術,2015,44(sup2):691-693. ZHANG Lili,LI Jing. Engineering project management at the construction step based on BIM technology[J]. Construction Technology,2015,44(sup2):691-693.

Research on application of BIM in steel structure engineering of a certain railway

HUANG Li, LI Xian, ZHANG Xuehui

(School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

The complexity of the steel structures causes problems which seriously restrict the development of the steel structure. For example, it is difficult to understand the CAD design drawings, and the design defect can’t be found before the construction process. In order to solve these problems，this paper studies the modeling method of BIM software, then combining with the practical engineering of a certain railway line, compares the BIM model with the traditional design, and studies the role of BIM modeling in the design optimization of steel structure joints. It shows that BIM software has great convenience in engineering design and construction, and will gradually replace the traditional engineering design methods.

civil engineering design; BIM; steel structure; Tekla; optimization design of joints

1008-1534(2017)01-0045-06

2016-10-05;

2016-12-01；責任編輯：馮 民

河北省自然科學基金(E2015208089)

黃 鸝(1971—)，女，湖北黃岡人，教授，碩士，主要從事土木工程方面的教學和研究。

E-mail：1010huangli@163.com

TU17

A

10.7535/hbgykj.2017yx01009

黃 鸝，李 嫻，張學輝.BIM在某鐵路專線鋼結構工程中的應用研究[J].河北工業(yè)科技,2017,34(1):45-50. HUANG Li, LI Xian, ZHANG Xuehui.Research on application of BIM in steel structure engineering of a certain railway[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(1):45-50.