BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目管理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

張 炎

(應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

20世紀(jì)80年代，CAD的出現(xiàn)第一次使設(shè)計(jì)人員從伏案手繪圖紙的工作中解脫，轉(zhuǎn)而開(kāi)始使用效率更高的計(jì)算機(jī)。三維軟件的革命性創(chuàng)舉更是讓制造企業(yè)產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、流程管理的效率得到大幅提升，成本卻有效下降。豐田汽車在采用了法國(guó)達(dá)索公司的CATIA進(jìn)行全車設(shè)計(jì)后，將全流線設(shè)計(jì)車型第一次推向市場(chǎng)從而世界聞名。

不同于制造企業(yè)產(chǎn)品這種完全市場(chǎng)商品，每一件工程產(chǎn)品都具有獨(dú)一無(wú)二性。在信息化的今天我國(guó)建筑工程領(lǐng)域高消耗、低效率的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)特性依然沒(méi)有顯著改觀。反觀國(guó)外先進(jìn)國(guó)家借助制造業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)將三維軟件進(jìn)行了適應(yīng)性開(kāi)發(fā)，從而推出了BIM即建筑信息管理系統(tǒng)。目前的BIM系統(tǒng)在傳統(tǒng)三維建模的基礎(chǔ)上更是發(fā)展出了5D系統(tǒng)，結(jié)合造價(jià)管理與進(jìn)度控制，讓工程項(xiàng)目全過(guò)程管理信息化概念應(yīng)聲落地。

1 鋼結(jié)構(gòu)體制造的一般流程

相較于傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑，鋼結(jié)構(gòu)建筑具有周期快、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，由于大量結(jié)構(gòu)件可以預(yù)制并采用現(xiàn)場(chǎng)鉚接和焊接的形式大大加快了建造進(jìn)度。其流程大致可分為：設(shè)計(jì)、預(yù)制、安裝。

在簽訂了合同并完成一級(jí)設(shè)計(jì)后，由預(yù)制廠家工藝部對(duì)圖紙進(jìn)行拆解，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)圖集查詢及平面放樣計(jì)算出各構(gòu)件所需型鋼、板材、焊接料等用量。接著工藝部與采購(gòu)部對(duì)接，對(duì)照企業(yè)庫(kù)存情況酌情采購(gòu)所需材料，入庫(kù)材料由材料員進(jìn)行手續(xù)核驗(yàn)并登記。之后生產(chǎn)車間與倉(cāng)庫(kù)對(duì)接，根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃領(lǐng)料制作，其大概流程為：放樣、切割、制孔、組裝、焊接/鉚接、表面除銹上漆、編號(hào)等。至此預(yù)制件加工完畢后進(jìn)行包裝并聯(lián)系物流單位運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。

施工單位在預(yù)制件安裝前，應(yīng)先取得基礎(chǔ)驗(yàn)收合格手續(xù)、檢查吊機(jī)起吊場(chǎng)地等條件。構(gòu)件運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)其放置順序應(yīng)與安裝順序相逆：檀條→支撐→鋼梁→鋼柱。構(gòu)件以鉚焊形式進(jìn)行組裝并對(duì)安裝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行防腐處理，最后按照設(shè)計(jì)要求整體噴涂防火涂料，其中柱梁等主結(jié)構(gòu)件安裝完畢后應(yīng)根據(jù)國(guó)標(biāo)進(jìn)行校正核驗(yàn)再取得下道工序施工許可。

2 目前鋼結(jié)構(gòu)體施工的常見(jiàn)問(wèn)題

鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域運(yùn)用越發(fā)廣泛，而與此同時(shí)結(jié)構(gòu)體系也越加復(fù)雜，這給加工企業(yè)在預(yù)制精確性及施工企業(yè)的場(chǎng)地布置帶來(lái)了新的難題。

2.1 深化設(shè)計(jì)問(wèn)題多、預(yù)制放樣復(fù)雜

根據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)研，多數(shù)甲方企業(yè)在選擇鋼結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)形式時(shí)考慮的最主要因素在于其工程進(jìn)度快，而這也就要求設(shè)計(jì)院出圖速度加快，由此預(yù)制廠在做圖紙細(xì)化時(shí)難免會(huì)碰到不便于加工或者構(gòu)件碰撞的情況。那么，在廠家要求設(shè)計(jì)方做設(shè)計(jì)變更時(shí)，由于信息傳遞不完整就勢(shì)必造成延誤進(jìn)度的情況。

此外，構(gòu)件放樣對(duì)廠家鉚工工藝人員來(lái)說(shuō)工作量大責(zé)任過(guò)重，需要將二維圖形拆解成一個(gè)個(gè)型鋼與板材。尤其是板材要在CAD軟件中對(duì)一塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸鋼板進(jìn)行最大化利用，同時(shí)對(duì)尺寸的把握務(wù)必精準(zhǔn)，十分考驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)及平面布置能力，一旦出錯(cuò)將是一批材料的整體報(bào)廢。此過(guò)程中對(duì)工作的檢查復(fù)核往往會(huì)進(jìn)行多次，避免重復(fù)放樣和遺漏給企業(yè)造成損失。

2.2 人員素質(zhì)不齊、信息傳遞延誤

當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)勞務(wù)人員普遍流動(dòng)性較強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)工人概念已消弭于歷史中。制造工人受限于教育層次及培養(yǎng)時(shí)間，不能很好地對(duì)二維圖紙及加工方法進(jìn)行思維加工及有效安排。這就需要工藝技術(shù)人員向其闡述具體做法，以防加工過(guò)程中出現(xiàn)諸如熱脹翹曲、焊接不滿焊、型鋼變形等問(wèn)題。

此外因?yàn)榻ㄔO(shè)工程參建單位較多，鋼結(jié)構(gòu)體日趨復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)變更時(shí)，信息在傳遞過(guò)程中時(shí)有延誤。例如，鋼結(jié)構(gòu)因?yàn)槭┕みM(jìn)度快，每次預(yù)制件進(jìn)場(chǎng)批次數(shù)量較大，而現(xiàn)場(chǎng)清點(diǎn)都是靠人工完成，當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)往往構(gòu)件已經(jīng)被安裝；又如出現(xiàn)了不可見(jiàn)的非人為因素如雨天不能施焊，則現(xiàn)場(chǎng)人員難以及時(shí)調(diào)整亦會(huì)使進(jìn)度驟停。

3 BIM技術(shù)的引入

通過(guò)上文中所描述的調(diào)研總結(jié)，可以看到要解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵在于兩點(diǎn)：一是讓鋼結(jié)構(gòu)體參建各方如設(shè)計(jì)方、預(yù)制廠家、現(xiàn)場(chǎng)施工方能夠更緊密的聯(lián)系，成為統(tǒng)一整體讓信息流通準(zhǔn)確、及時(shí)；二是要讓二維圖紙和大量數(shù)據(jù)處理能夠簡(jiǎn)單化直接化，平抑人員素質(zhì)參差問(wèn)題，讓設(shè)計(jì)深化和預(yù)制加工的精度與準(zhǔn)確度更高。而這都是BIM軟件可以做到的。

首先是BIM模型的建立，此模型將包括建筑基本信息、結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)施工工藝信息、建設(shè)過(guò)程管理信息，通過(guò)此三維實(shí)體可以輸出二維圖紙、工程量。從時(shí)間上看，模型的精細(xì)化程度依工程建設(shè)發(fā)展規(guī)律分為：一般信息模型、制造模型、竣工模型，與傳統(tǒng)二維圖紙類似。

接著通過(guò)此模型由BIM管理小組將設(shè)計(jì)、預(yù)制、施工三者統(tǒng)一于管理框架，并獲得唯一指令信息源。模型搭建可由設(shè)計(jì)方或作為投標(biāo)方的施工單位負(fù)責(zé)，預(yù)制廠家在模型基礎(chǔ)上進(jìn)行圖紙拆解、工量計(jì)算、加工預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)施工方負(fù)責(zé)模型碰撞試驗(yàn)以及進(jìn)度、成本、質(zhì)量等現(xiàn)場(chǎng)的管理目標(biāo)設(shè)定，三者信息實(shí)時(shí)共享。此外通過(guò)軟件提供的模擬施工功能，施工方案還可對(duì)施工方案的場(chǎng)地布置、專業(yè)協(xié)調(diào)、重難點(diǎn)工序等進(jìn)行施工前模擬，實(shí)現(xiàn)事前控制，大大降低了工程返工的概率。

之后在項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)信息量在增加或者出現(xiàn)變更。此時(shí)通過(guò)信息傳遞讓初始建立的BIM模型做出響應(yīng)，而參建的任何一方都可實(shí)時(shí)在模型中獲知信息流，這樣便實(shí)現(xiàn)信息處理的及時(shí)與有序。此過(guò)程將貫穿項(xiàng)目的建設(shè)全周期。

4 鋼結(jié)構(gòu)工程的BIM軟件選用

實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)的渠道有多種，考慮成本和效率因素，目前企業(yè)中更多的還是采用市面上的成熟建模軟件，利用現(xiàn)有軟件功能實(shí)現(xiàn)信息儲(chǔ)存與處理。常見(jiàn)的有AutoDesk公司的Revit，Microstation公司的Bentley。從全球市場(chǎng)看，在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域由芬蘭Tekla公司開(kāi)發(fā)的TeklaStructures是占有率最高的，其核心的Xsteel在深化設(shè)計(jì)應(yīng)用方面最受用戶追捧。該軟件相比其他在鋼結(jié)構(gòu)模型建立、結(jié)構(gòu)分析、圖紙細(xì)化等方面具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。

4.1 模型建立效率高

TeklaStructures針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置上做了系統(tǒng)優(yōu)化，用戶通過(guò)友好的操作界面，對(duì)結(jié)構(gòu)件的編號(hào)、所用材料、對(duì)接形式、表面處理要求等作出設(shè)定，并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。再將構(gòu)件依照自己所需要的方式進(jìn)行拼接以三維方式直觀展示于眼前。隨著工作量增加，所建立的數(shù)據(jù)庫(kù)也日漸完善，為今后的調(diào)取提供便捷。

4.2 結(jié)構(gòu)分析與碰撞檢測(cè)簡(jiǎn)便

通過(guò)建立的模型，軟件允許設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行模擬荷載試驗(yàn)，它自動(dòng)將荷載釋放于構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)構(gòu)件分析以確定構(gòu)件類型和節(jié)點(diǎn)連接具體形式。當(dāng)然，考慮到企業(yè)購(gòu)買(mǎi)軟件成本問(wèn)題，TeklaStructures可與多款軟件實(shí)現(xiàn)鏈接，并能輸出模擬結(jié)果的文本及圖片。同時(shí)，為了減少變更次數(shù)將審圖人員從瑣碎的審圖工作中解放，該軟件亦能提供碰撞檢測(cè)功能，避免出現(xiàn)鋼構(gòu)體自身零部件之間、與混凝土工程之間、與管道安裝工程之間等碰撞異常的出現(xiàn)。

4.3 圖紙細(xì)化與工程量統(tǒng)計(jì)效率高

軟件在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)節(jié)點(diǎn)參數(shù)已做了預(yù)設(shè)，用戶只需要確定相應(yīng)尺寸即可完成節(jié)點(diǎn)詳圖設(shè)計(jì)。同時(shí)當(dāng)結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)節(jié)點(diǎn)參數(shù)也會(huì)自動(dòng)做出響應(yīng)，這就大大節(jié)約了時(shí)間成本，并提升了準(zhǔn)確度。對(duì)于異型結(jié)構(gòu)件，用戶可通過(guò)軟件提供的自定義功能對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。這樣通過(guò)參數(shù)預(yù)設(shè)功能，便可避免以往用傳統(tǒng)CAD軟件制圖需要花費(fèi)的大量節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)間。

目前的造價(jià)工作中，對(duì)于工程量的統(tǒng)計(jì)占據(jù)了造價(jià)工作量的絕大部分，可以達(dá)到70%～80%乃至更高。主流做法是通過(guò)BIM三維軟件將工程量導(dǎo)出成excel表格，再由造價(jià)人員在excel軟件中核量計(jì)價(jià)，提升了效率。雖然受限于各國(guó)造價(jià)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不同，亦或是軟件更新滯后于標(biāo)準(zhǔn)更新時(shí)間，從而造成一定幅度的工程量偏差。但整體來(lái)看，因?yàn)楣こ踢M(jìn)度款是按月支付，而對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的核量工作亦是對(duì)當(dāng)月完成量的統(tǒng)計(jì)，所以造價(jià)人員更多的失誤是在于每月對(duì)實(shí)際進(jìn)度工程量統(tǒng)計(jì)時(shí)加入了上月工程量，從而導(dǎo)致了重復(fù)計(jì)算，由此產(chǎn)生的誤差或許會(huì)更大。那么通過(guò)TeklaStructures我們完全可以把當(dāng)月感官進(jìn)度在三維模型中直觀體現(xiàn)，從而避免工程量錯(cuò)報(bào)漏報(bào)這種情況的發(fā)生。

5 推廣障礙分析及前瞻

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)世界范圍內(nèi)，最早為BIM技術(shù)推廣而做出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的是美、英、挪威等西方發(fā)達(dá)國(guó)家，且多為研究院與行業(yè)協(xié)會(huì)。亞洲發(fā)達(dá)國(guó)家及地區(qū)如日韓、新加坡、我國(guó)香港等也于數(shù)年前由政府官方機(jī)構(gòu)做出了BIM技術(shù)推廣的目標(biāo)、方法及標(biāo)準(zhǔn)。而我國(guó)關(guān)于BIM技術(shù)的推廣研究及運(yùn)用還多發(fā)生在高校以及少數(shù)地標(biāo)性建筑，尚未得到政府層面的推廣重視。

從鋼結(jié)構(gòu)制造、施工企業(yè)及從業(yè)人員來(lái)看，缺乏改變既有工作流程及組織架構(gòu)的決心，在投標(biāo)階段刻意避開(kāi)需要制作BIM模型的項(xiàng)目，造成了企業(yè)自身發(fā)展與個(gè)人能力素養(yǎng)提升的瓶頸。這主要是因?yàn)樾袠I(yè)中應(yīng)用BIM的項(xiàng)目占比還不是很大，企業(yè)家的短期逐利特性使其失去了更高的國(guó)際視野，而從業(yè)人員個(gè)人因?yàn)閷?duì)某種相關(guān)軟件的操作非常熟練，人的惰性及陷于過(guò)去的強(qiáng)大慣性使其失去對(duì)效率更高軟件的學(xué)習(xí)熱情。

就軟件本身而言，雖然TeklaStructures已是目前國(guó)際公認(rèn)的鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的首推軟件，但在我國(guó)因?yàn)樾袠I(yè)壁壘(如目前國(guó)內(nèi)BIM市場(chǎng)仍然是廣聯(lián)達(dá)一家獨(dú)大)，且作為外來(lái)軟件TeklaStructures對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的響應(yīng)仍顯不足。這些都阻礙了BIM在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)揮。

BIM是對(duì)建筑的三維語(yǔ)言闡述，能為建設(shè)工程的全過(guò)程管理提供穩(wěn)定可靠的信息流。盡管困難重重但也應(yīng)該意識(shí)到，在我國(guó)一旦政府層面決定大力發(fā)展某項(xiàng)產(chǎn)業(yè)或技術(shù)均能得到快速成長(zhǎng)。通過(guò)政策扶持、地標(biāo)建筑的BIM技術(shù)使用讓施工企業(yè)及從業(yè)個(gè)人看到BIM技術(shù)所能帶來(lái)的效益，相信“又好又快”的發(fā)展路線必能推動(dòng)該技術(shù)的蓬勃發(fā)展。