基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)工程深化設(shè)計(jì)應(yīng)用探究

彭軼群

摘要：本文以某車站站房的鋼結(jié)構(gòu)工程為實(shí)例，應(yīng)用 BIM（建筑信息模型）技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目進(jìn)行可視化模擬，提高了鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目信息傳遞準(zhǔn)確性，解決鋼結(jié)構(gòu)工程在深化設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題。在 BIM 信息模型中完成復(fù)雜節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件模擬，碰撞校核，掃除項(xiàng)目施工障礙，可顯著提高工作效率，節(jié)約工程施工成本。體現(xiàn)出 BIM 技術(shù)在復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中應(yīng)用的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

Abstract： This paper takes the steel structure engineering of a station building as an example， applies BIM （Building Information Model） technology to visually simulate the complex steel structure project， which improves the information transmission accuracy of steel structure project， and solves the problems encountered in the deepening design of steel structure engineering. To complete complex node and component simulation， collision check， and removal of project construction obstacles in the BIM information model can significantly improve work efficiency and save construction cost， which demonstrates the powerful advantages of BIM technology in complex steel construction projects.

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);建筑信息模型;深化設(shè)計(jì);應(yīng)用

Key word： steel structure;building information model;deepening design;application

中圖分類號(hào)：TU17;TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）26-0192-04

0? 引言

鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目通常具有形式多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程規(guī)模大、設(shè)計(jì)難度大的特點(diǎn)，因此其所包含的信息量是巨大的。同時(shí)，參與管理的單位較多且工作搭接密切、頻繁，對(duì)傳遞信息的準(zhǔn)確性提出了更高的要求，因此企業(yè)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)、構(gòu)件的加工制作以及成品的現(xiàn)場(chǎng)安裝等管理難度也相應(yīng)增大。BIM（Building Information Modeling）的全稱是建筑信息模型。這種全新的生產(chǎn)方式，已經(jīng)通過(guò)大量成功的案例證明其具有巨大的價(jià)值優(yōu)勢(shì)。[1]發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑業(yè)因?yàn)檫@種全新的生產(chǎn)方式的引入產(chǎn)生了重大的革新。BIM最大程度整合建筑項(xiàng)目信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，為工程管理、設(shè)計(jì)、施工各方打破了信息交圈的壁壘，提高了項(xiàng)目信息傳遞的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，提高了工程管理的精確性，極大的避免由信息交圈壁壘產(chǎn)生的無(wú)效成本。BIM的優(yōu)勢(shì)在于構(gòu)建復(fù)雜的三維模型，并以此指導(dǎo)構(gòu)件的加工生產(chǎn)及安裝。這種優(yōu)勢(shì)可以為建筑行業(yè)帶來(lái)極大的可能性。[1]目前鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中最常見(jiàn)的三類問(wèn)題——復(fù)雜的深化設(shè)計(jì)、信息溝通交圈不充分和混亂的現(xiàn)場(chǎng)管理，已經(jīng)能通過(guò)不停迭代優(yōu)化的BIM技術(shù)有效的解決。因此，全面推廣BIM技術(shù)的應(yīng)用將是推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成，而B(niǎo)IM技術(shù)也必將是推動(dòng)建筑行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的助推器。

1? 行業(yè)現(xiàn)狀

深化設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)公司生產(chǎn)施工的重要步驟之一，作為生產(chǎn)的前期準(zhǔn)備工作，深化設(shè)計(jì)一定要為接下來(lái)的實(shí)際生產(chǎn)施工打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。深化設(shè)計(jì)必須在滿足國(guó)家規(guī)范的基礎(chǔ)上對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。前期對(duì)構(gòu)件的分段是否合理不僅關(guān)系到原料的采購(gòu)成本，而且影響運(yùn)輸成本，甚至現(xiàn)場(chǎng)安裝的成本。因此深化設(shè)計(jì)是影響工程完成質(zhì)量的第一關(guān)鍵點(diǎn)。

目前，許多構(gòu)件加工企業(yè)仍然使用低效、原始的AutoCAD放樣方法，深化設(shè)計(jì)成果的精確性難以保證;而復(fù)雜的連接節(jié)點(diǎn)和施工工藝，也給施工單位的現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)很多問(wèn)題。對(duì)于比較復(fù)雜的空間曲線和曲面，使用 AutoCAD難以完成任務(wù)。由于鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜的連接節(jié)點(diǎn)以及種類繁多的零件，深化設(shè)計(jì)的精確性完全依賴于設(shè)計(jì)師的個(gè)人能力，其準(zhǔn)確性難以保證。并且在深化設(shè)計(jì)中遇到輸入條件的變化，設(shè)計(jì)人員需要耗費(fèi)大量的精力去確認(rèn)修改部位，這種工作方式效率較低。因此，為了提高鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的工作效率，亟需應(yīng)用先進(jìn)的BIM技術(shù)。

2? BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本文以某火車站站房改擴(kuò)建工程為例，說(shuō)明BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。該項(xiàng)目使用的深化設(shè)計(jì)軟件為BIM系統(tǒng)中專門(mén)針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)深化的Tekla Structures軟件。根據(jù)設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)藍(lán)圖結(jié)合國(guó)家規(guī)范對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二次深化設(shè)計(jì)，并完成從設(shè)計(jì)藍(lán)圖轉(zhuǎn)換為零件圖、構(gòu)件圖和布置圖的轉(zhuǎn)變，滿足指導(dǎo)工廠流水作業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)安裝的要求。

2.1 前期準(zhǔn)備工作

①項(xiàng)目負(fù)責(zé)人需仔細(xì)審圖，檢查藍(lán)圖中提供的節(jié)點(diǎn)是否齊全、合理，對(duì)于沒(méi)有給出的節(jié)點(diǎn)或者認(rèn)為不合理節(jié)點(diǎn)會(huì)提出合理方案與設(shè)計(jì)溝通確定。②確定工作模式。由于該工程工程量較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以確定使用多用戶方式建模，即將整個(gè)工程分區(qū)、分層交由不同的技術(shù)人員分別建模。③將工程中所有構(gòu)件的規(guī)格和材質(zhì)整理，并由專人輸入相關(guān)信息并保存到Tekla Structures模型中。經(jīng)專人檢查確認(rèn)信息準(zhǔn)確無(wú)誤后，保存模型。建模人員在建模過(guò)程中只需調(diào)用讀取相關(guān)信息，無(wú)須手動(dòng)輸入，這樣從根本上避免出現(xiàn)與構(gòu)件相關(guān)的信息錯(cuò)誤。

④確定編號(hào)規(guī)則，如表1所示。

⑤軸線、視圖命名規(guī)則。在多用戶模式下需要統(tǒng)一軸線、視圖命名規(guī)則，方便繪圖人員準(zhǔn)確、快速調(diào)用。

2.2 模型建立

采用多用戶模式工作的優(yōu)點(diǎn)是將整個(gè)工程化零為整，每個(gè)人負(fù)責(zé)自己相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域互不干擾，最后完成整個(gè)模型。工作模式類似流水施工，其中一塊區(qū)域完成后，繪圖人員可以快速加入到另一塊區(qū)域的繪圖工作中。此模式可節(jié)約大量的建模、審核時(shí)間。

2.3 碰撞檢查

碰撞檢查即檢查零件、構(gòu)件之間是否存在物理或者邏輯上的碰撞。物理碰撞即物體實(shí)際發(fā)生碰撞。邏輯碰撞即零件或者構(gòu)件之間的空間關(guān)系是否滿足要求，例如檢查螺栓排布問(wèn)題，邏輯碰撞就是檢查第一排螺栓與板邊之間的距離以及螺栓之間的距離是否滿足規(guī)范要求。利用BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)過(guò)程中可以快速的進(jìn)行碰撞校核，檢查模型是否發(fā)生碰撞，以便快速溝通修改，如圖2所示。

專業(yè)內(nèi)部發(fā)生的碰撞比較容易發(fā)現(xiàn)，整改也相對(duì)及時(shí)，但是專業(yè)之間的碰撞發(fā)現(xiàn)較難，發(fā)現(xiàn)時(shí)往往已經(jīng)很難整改，尤其是鋼結(jié)構(gòu)和土建結(jié)構(gòu)之間的碰撞，任何一方整改都會(huì)造成較大損失，所以檢查專業(yè)之間的碰撞是重要的步驟之一。雖然在設(shè)計(jì)階段會(huì)進(jìn)行專業(yè)間的碰撞校核，但是在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的洽商變更同樣會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)碰撞。此時(shí)需要將最新的模型進(jìn)行整合，重新做碰撞校核。對(duì)出現(xiàn)碰撞的部位及時(shí)上報(bào)并根據(jù)要求進(jìn)行修改，避免出現(xiàn)因?yàn)榕鲎矊?dǎo)致的修改、返工。

在本項(xiàng)目實(shí)際操作過(guò)程中遇到了以下碰撞問(wèn)題，總結(jié)如下：

①夾層鋼梁與牛腿節(jié)點(diǎn)相碰。

在圖號(hào)ST-104處存在夾層梁梁節(jié)點(diǎn)碰撞，經(jīng)實(shí)際放樣：1/5-5軸線與C-D軸線之間，在5軸往1/5軸1500mm處的鋼梁GCL5，靠近D軸處，GCL與D軸上的GZ1牛腿節(jié)點(diǎn)相碰，如圖3所示。建議修改方案是將牛腿減短50mm或鋼梁GCL5往5軸移動(dòng)50mm。

②混凝土梁高與同層埋件板沖突。

在圖號(hào)ST-109處存在與夾層梁連接的埋件超過(guò)混凝土梁高度的情況，GCL與混凝土連接時(shí)，所連接的混凝土梁高為1000mm，埋板高度為1050mm，需要根據(jù)混凝土梁保護(hù)層厚度調(diào)整此處節(jié)點(diǎn)。此處的處理方法是改變埋板的高度或調(diào)整埋板節(jié)點(diǎn)。

③電梯井與夾層鋼梁碰撞。

在標(biāo)高12.880米處電梯與樓層梁GCL5碰撞，如圖4所示。處理結(jié)果：取消此處碰撞的樓層梁。

④夾層鋼梁與混凝土梁碰撞。

在標(biāo)高12.5m處夾層結(jié)構(gòu)布置圖（一）中，9軸上的夾層鋼梁和吊點(diǎn)與此處混凝土梁碰撞，如圖5所示。處理方法是取消此處碰撞的梁和吊點(diǎn)，增加埋件及收邊角鋼，滿足樓層鋪板。

技術(shù)人員利用BIM技術(shù)發(fā)現(xiàn)碰撞問(wèn)題，并及時(shí)與總包和設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通并一一修改，將問(wèn)題解決在萌芽之中，避免因修改構(gòu)件而造成損失。

2.4 模型審核

三維模型可以讓人更清晰、更直觀的認(rèn)識(shí)整個(gè)模型，可以隨意縮放以及采用任意視角來(lái)檢查任意節(jié)點(diǎn)的處理方式是否正確。由于模型本身以及每天的修改量都非常大，容易出現(xiàn)模型損壞或者丟失的情況，所以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人必須從模型建立之初，就開(kāi)始模型審核，定時(shí)定期校核數(shù)據(jù)庫(kù)。具體做法為：每天下班后，負(fù)責(zé)人將模型從服務(wù)器上拷貝一份，將模型進(jìn)行一次校核，再把校核后的模型拷貝回服務(wù)器，這樣便修正了模型中的邏輯錯(cuò)誤。第二天繼續(xù)檢查模型中是否有建模錯(cuò)誤。不僅如此，負(fù)責(zé)人每隔一天將校核過(guò)的模型拷貝并保存，防止硬件錯(cuò)誤造成的數(shù)據(jù)丟失。如此一來(lái)，當(dāng)模型全部建立完成時(shí)，第2-3天全部模型便可以全部審核完畢，達(dá)到出圖要求，極大程度上縮短了建模、審核時(shí)間。

2.5 出圖

模型建立、審核完成后，進(jìn)入到出圖程序，一般需要生成安裝布置圖、零件和構(gòu)件加工圖，最重要的是可以生成各種報(bào)表供不同部門(mén)調(diào)用相關(guān)信息。

2.5.1 對(duì)模型進(jìn)行編號(hào)。模型完成后，需要對(duì)模型中零件構(gòu)件運(yùn)行編號(hào)。編號(hào)不只用來(lái)將零件構(gòu)件命名，還可以用來(lái)檢查模型中是否存在漏焊，幫助檢查模型。構(gòu)件編號(hào)應(yīng)按以下幾個(gè)步驟執(zhí)行：①清除構(gòu)件編號(hào);②矯正模型;③矯正數(shù)據(jù)庫(kù);④校核并修正編號(hào)。

2.5.2 圖紙制動(dòng)更新。在項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中，隨著設(shè)計(jì)圖紙的逐漸完善、電氣設(shè)備廠家的逐步確定，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更，設(shè)計(jì)變更就意味著深化模型以及圖紙同時(shí)需要修改。Tekla Structures軟件作為老牌的鋼結(jié)構(gòu)BIM軟件，其搭載的基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)可以便利的修改模型及圖紙。模型中將所有元素都定義為智能目標(biāo)（包括梁、板、柱、螺栓等）。假如梁的屬性進(jìn)行修改，則其相鄰的節(jié)點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)自動(dòng)調(diào)整，此外，相對(duì)應(yīng)的總體布置圖和零件安裝圖都能自動(dòng)調(diào)整。這樣一方面可以減少由于人工修改漏項(xiàng)而造成錯(cuò)誤等通病，提高圖紙質(zhì)量;另一方面自動(dòng)出圖可以極大的提高出圖的效率，從而為工程的順利施工提供強(qiáng)有力的支持。

2.5.3 生成零件清單、構(gòu)件清單、螺栓表：完整的模型可以提供準(zhǔn)確的材料清單，方便物資部門(mén)的詢價(jià)、招標(biāo)、采購(gòu)。完整的模型同樣可以提供準(zhǔn)確的構(gòu)件清單，方便工廠合理分配加工任務(wù);提供準(zhǔn)確的螺栓清單，方便項(xiàng)目部的采購(gòu)及安裝;提供準(zhǔn)確的構(gòu)件表面積報(bào)表，根據(jù)報(bào)表可以估算出油漆、防火涂料使用量，供物資部或成本部進(jìn)行采購(gòu)材料或簽訂分包合同;提供準(zhǔn)確的構(gòu)件凈重表，方便后期決算人員的結(jié)算。軟件生成的各類報(bào)表服務(wù)于整個(gè)工程，是工程預(yù)決算的重要依據(jù)，減少了工程管理的難度。

2.5.4 生成零件圖。零件圖的基本要求是：圖紙表達(dá)清晰明了，尺寸標(biāo)注準(zhǔn)確細(xì)致;避免出現(xiàn)表達(dá)冗余、羅嗦的情況。

2.5.5 生成構(gòu)件圖。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)在圖紙中補(bǔ)充3D視圖，以清晰反映各零件的空間關(guān)系，使人能夠一目了然，避免裝配人員因讀圖錯(cuò)誤導(dǎo)致的安裝錯(cuò)誤。在出圖時(shí)要做到圖面布局合適、尺寸標(biāo)注合理。出圖后對(duì)工廠和項(xiàng)目人員進(jìn)行交底，明確圖紙表達(dá)含義，對(duì)他們認(rèn)為不清楚的地方進(jìn)行解釋或者修改。

2.5.6 生成安裝布置圖。安裝布置圖應(yīng)包含構(gòu)件信息以及構(gòu)件之間的空間定位關(guān)系信息，以供現(xiàn)場(chǎng)安裝人員準(zhǔn)確定位安裝。此外對(duì)于復(fù)雜工程，尚應(yīng)輸出各層平面及立面的布置圖。

2.5.7 審核圖紙。在Tekla Structures軟件中，模型和圖紙是一一對(duì)應(yīng)的，前期模型審核完畢便保證了圖紙中零件的正確，后期只需審核圖紙中標(biāo)注是否詳細(xì)、圖面布局是否合理。

3? 結(jié)語(yǔ)

利用Tekla Structures軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行建模，通過(guò)三維模型可以便利的輸出工程所需的各類數(shù)據(jù)及報(bào)表，有利于簡(jiǎn)化空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，減少深化設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)并且為后期的工程施工提供了巨大的幫助。項(xiàng)目管理人員在基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以提前預(yù)測(cè)施工過(guò)程中可能發(fā)生的問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目的管理，保證工程建設(shè)的質(zhì)量，節(jié)約工程的成本。信息化的模型極大的減少了過(guò)程中資料的缺失和遺漏，有利于項(xiàng)目資料一體化管理。

綜上所述，通過(guò)采用BIM技術(shù)，可以有效的降低鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)誤差概率，而自動(dòng)化出圖可以極大的提高出圖效率，為工程的順利施工提供有力支撐。BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工程中的深化設(shè)計(jì)應(yīng)用具有推廣價(jià)值。

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