基于BIM的鋼結(jié)構(gòu)車間可視化施工技術(shù)研究

韓凱中

渤海石油航務(wù)建筑工程有限責(zé)任公司

1 引言

在科學(xué)技術(shù)的革新下，建筑行業(yè)也正向精細(xì)化、智能化方向所轉(zhuǎn)變。工程項(xiàng)目中含有的專業(yè)知識(shí)面較廣，且各類建筑工藝之間的銜接度較高，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提出更高的施工要求。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑項(xiàng)目而言，由于其結(jié)構(gòu)的輕便性、操控性、經(jīng)濟(jì)性等，被廣泛應(yīng)用到各個(gè)建筑體系中，傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)時(shí)，一般以二維平面圖形展現(xiàn)形式，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)嵌接工藝進(jìn)行多角度分析，其在某些細(xì)節(jié)中展現(xiàn)時(shí)，并不能精準(zhǔn)地體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)特性，且繁雜的數(shù)據(jù)解釋增加系統(tǒng)的冗余性。BIM 技術(shù)的運(yùn)用，可將鋼結(jié)構(gòu)整體映射到系統(tǒng)中，同比例的展現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)特性，且系統(tǒng)內(nèi)部的信息同步功能，可有效實(shí)現(xiàn)建筑體系的可視化施工，為我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展提供有效助力。

2 BIM技術(shù)特性論述

建筑信息模型（BIM）是基于數(shù)字信號(hào)、虛擬仿真相結(jié)合的軟件系統(tǒng)，在各類數(shù)據(jù)信息的整合下，依據(jù)設(shè)定的信息模型，可將各類數(shù)據(jù)展現(xiàn)到平臺(tái)中，同時(shí)在內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定下，如某一類數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)變化，則與之聯(lián)動(dòng)的信息數(shù)據(jù)也將同步變化，此類信息運(yùn)算模式極大提升項(xiàng)目運(yùn)行效率。

從技術(shù)本質(zhì)而言，BIM技術(shù)貫穿于整個(gè)建筑項(xiàng)目體系中，如施工前期統(tǒng)計(jì)、施工過(guò)程信息更新、施工后期運(yùn)營(yíng)管理等，均可由數(shù)據(jù)信息的同步出來(lái)與精準(zhǔn)計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。BIM技術(shù)功能特性可分為下列幾點(diǎn)。

第一，可視化功能。建筑行業(yè)最顯著的特點(diǎn)為實(shí)體化，其需施工人員經(jīng)由實(shí)際操作來(lái)完成某一環(huán)節(jié)的建設(shè)，而決定施工人員建筑方向則是圖紙文件，施工人員通過(guò)圖紙文件進(jìn)行規(guī)范化施工，當(dāng)建筑參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況相一致，則代表此項(xiàng)施工環(huán)節(jié)符合基準(zhǔn)需求?？梢暬瘎t是將圖紙文件的信息映射到系統(tǒng)中，其有效將二維信息轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體化信息，通過(guò)信息模型的展示可精準(zhǔn)展現(xiàn)出用戶的思想。同時(shí)，BIM 可視化功能可展現(xiàn)出每一類建筑結(jié)構(gòu)的互動(dòng)性，在全過(guò)程可視化下，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造與決策的一體化運(yùn)營(yíng)。

第二，協(xié)調(diào)化功能。建筑工程中涉及的專業(yè)點(diǎn)較多，為確保整體施工項(xiàng)目的連續(xù)性，各個(gè)建筑部門之間的工作應(yīng)有效協(xié)調(diào)，令建筑項(xiàng)目中出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)得到解決。BIM的協(xié)調(diào)化功能可有效解決施工部門的專業(yè)碰撞問(wèn)題，信息模型內(nèi)部具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，其將各部門的操控形式轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)運(yùn)行程序，部門在執(zhí)行某一項(xiàng)工序前，在軟件上完成認(rèn)證，經(jīng)由系統(tǒng)的同步傳輸功能，可精準(zhǔn)的接收到完工信息，進(jìn)而令其他部門或?qū)I(yè)設(shè)計(jì)等不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)動(dòng)工的現(xiàn)象。

第三，模擬化功能。BIM技術(shù)的模擬化功能，是基于虛擬仿真而實(shí)現(xiàn)的，在相關(guān)參數(shù)的設(shè)定下，可進(jìn)行模擬化實(shí)驗(yàn)。對(duì)于建筑行業(yè)來(lái)講，如技術(shù)人員對(duì)某一項(xiàng)建筑參數(shù)存在疑問(wèn)時(shí)，可在軟件中輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，令軟件進(jìn)行模擬運(yùn)行，技術(shù)人員可依據(jù)模擬后的結(jié)果進(jìn)行認(rèn)證，此過(guò)程可有效實(shí)現(xiàn)成本管控，提升實(shí)際建筑質(zhì)量。

3 鋼結(jié)構(gòu)車間施工特點(diǎn)

目前，鋼結(jié)構(gòu)因其簡(jiǎn)便性、操控性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域中，特別是一些大面積的低層、平層建筑體系中。鋼結(jié)構(gòu)車間建筑作為一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，項(xiàng)目動(dòng)工前期的準(zhǔn)備工作較多，如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定參數(shù)、徐變力特性、內(nèi)應(yīng)力、抗震性等。但在實(shí)際施工過(guò)程中，由于鋼結(jié)構(gòu)部件的尺寸參數(shù)具有一致性，安裝過(guò)程中只需依據(jù)型號(hào)進(jìn)行嵌套施工即可，極大縮減施工周期。從車間整體布局來(lái)看，體積大、支撐點(diǎn)少是其主要特征，在保證整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，施工人員只需按照相應(yīng)的技術(shù)文件操作便可。

在技術(shù)、材料的更新?lián)Q代下，鋼結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)是以國(guó)家倡導(dǎo)的綠色、環(huán)保、節(jié)能為前提，且大部分鋼材已經(jīng)達(dá)到工業(yè)化、回收化的用工需求，在秉承著持續(xù)發(fā)展的信念下，鋼結(jié)構(gòu)施工必然是建筑體系未來(lái)發(fā)展的核心。如圖1所示，為鋼結(jié)構(gòu)嵌套形式。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)嵌套組合形式

4 BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)車間可視化施工中的具體應(yīng)用

4.1 深化設(shè)計(jì)的可視化應(yīng)用

在鋼結(jié)構(gòu)車間中，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)每項(xiàng)工作進(jìn)行細(xì)化，以確保后續(xù)生產(chǎn)工作的順利開展。BIM 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)車間可視化施工中進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，往往要應(yīng)用到諸多不同的軟件，例如Tekla Xsteel、Star-CAD 等，在此過(guò)程中，就需要完成對(duì)應(yīng)的工作來(lái)確保準(zhǔn)備充分。在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的詳圖進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可通用BIM 技術(shù)中的可視化界面來(lái)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三維模型按照真實(shí)大小來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件乃至整個(gè)工程的可視化展現(xiàn)。在實(shí)施工程建模過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)人員能夠按照不同角度來(lái)檢查設(shè)計(jì)工作中可能遇到的問(wèn)題，在檢查階段中需要對(duì)BIM技術(shù)相關(guān)軟件中所涉及的檢查功能進(jìn)行充分利用，借助于軟件檢查功能，以便于將檢查結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)人員，從而使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)檢查結(jié)果來(lái)對(duì)深化設(shè)計(jì)中所存在的問(wèn)題進(jìn)行可視化查看，然后根據(jù)觀察結(jié)果來(lái)制定出對(duì)應(yīng)的解決策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些問(wèn)題的針對(duì)性解決，進(jìn)一步降低了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的發(fā)生概率。當(dāng)建模工作完成且確認(rèn)無(wú)誤時(shí)，便需要通過(guò)BIM 技術(shù)相關(guān)軟件來(lái)對(duì)工程詳圖進(jìn)行可視化生成，以保證工程實(shí)際能夠達(dá)到用戶的使用要求。

4.2 在構(gòu)件加工環(huán)節(jié)的應(yīng)用

BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)車間可視化施工中的應(yīng)用還體現(xiàn)在構(gòu)件加工環(huán)節(jié)，其一是利用BIM技術(shù)來(lái)建立可視化模型，然后和車間數(shù)控設(shè)備進(jìn)行協(xié)同化合作，在此過(guò)程中，需要結(jié)合信息技術(shù)軟件與BIM 技術(shù)的應(yīng)用，以確保鋼結(jié)構(gòu)車間實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)制造。通常來(lái)說(shuō)，在鋼結(jié)構(gòu)的詳圖設(shè)計(jì)以及軟件中的數(shù)據(jù)信息，均是采用BIM 模型中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，兩者在數(shù)據(jù)方面是具有高協(xié)調(diào)性和高度一致性的，并且BIM模型扣的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)精度極高，通過(guò)在建筑活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的高度共享，能夠?qū)崿F(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)車間及鋼結(jié)構(gòu)工程的可視化施工?，F(xiàn)階段，在鋼結(jié)構(gòu)車間中均是利用數(shù)控機(jī)床來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)加工的，因此能夠?qū)IM 模型中的設(shè)計(jì)信息以CNC、DSTV、DWG、DXF、DGN 等圖形或文件的格式來(lái)進(jìn)行可視化展現(xiàn)與利用，通過(guò)在管理軟件中導(dǎo)入上述數(shù)據(jù)信息，然后由生產(chǎn)管理軟件將這些數(shù)據(jù)信息傳輸至數(shù)控機(jī)床之中，便可使數(shù)控機(jī)床按照BIM 模型中的信息來(lái)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行焊接、鉆孔以及切割等。利用該方式能夠使鋼結(jié)構(gòu)車間的構(gòu)件詳圖需求得到有效降低，并且可節(jié)省時(shí)間成本，同時(shí)也能減少鋼結(jié)構(gòu)加工時(shí)所產(chǎn)生的錯(cuò)誤發(fā)生概率；其二是利用BIM 技術(shù)相關(guān)軟件能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸至車間的套料排版軟件，BIM 技術(shù)能夠以不同的文件格式將數(shù)據(jù)傳輸至套料排版軟件之中，以便于套料排版軟件能夠自動(dòng)整理鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀、尺寸和各種特征，并且還能夠按照鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材質(zhì)、規(guī)格來(lái)實(shí)施套料分組，進(jìn)而使不同材質(zhì)、不同板材規(guī)格的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠進(jìn)行批量化套料，從而全面提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的生產(chǎn)效率，并且實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自動(dòng)化生產(chǎn)與制作。在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行套料排版以后，車間人員可利用軟件來(lái)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的排版套料統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行可視化查看，例如可對(duì)不同規(guī)格、不同材料的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量、圖形、面積以及切割距離等進(jìn)行可視化查看，甚至還能對(duì)原材料的使用率、廢料產(chǎn)生率、廢料重量等內(nèi)容進(jìn)行查看。

4.3 在結(jié)構(gòu)吊裝環(huán)節(jié)的應(yīng)用

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的吊裝同樣可以利用BIM 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化，人們可以按照施工時(shí)間來(lái)劃分4D 模型，通過(guò)BIM 平臺(tái)的應(yīng)用，借助于Teklastructure 軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)4D 進(jìn)度模型的構(gòu)建，進(jìn)而使大型塔吊、履帶起重機(jī)等大型設(shè)備的布置位置和具體施工得以被可視化模擬出來(lái)，從而使吊裝設(shè)備在位置及分工上所存在的沖突問(wèn)題得到有效解決，并且也能幫助工程人員更好地確定吊裝設(shè)備的種類及數(shù)量，從而使鋼結(jié)構(gòu)工程的造價(jià)得以有效控制。并且，還能利用可視化施工模擬來(lái)優(yōu)化施工進(jìn)度，進(jìn)而減少施工錯(cuò)誤的發(fā)生概率，這可大幅提高鋼結(jié)構(gòu)工程的經(jīng)濟(jì)效益。鋼結(jié)構(gòu)車間還可利用BIM技術(shù)來(lái)進(jìn)行4D虛擬，以此全面展示生產(chǎn)制造中存在的各種問(wèn)題，以便于對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的修改，并制定出具有針對(duì)性的解決方案，從而在提高車間生產(chǎn)效率的同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)工程施工方案的進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)而更加高效的控制工程施工進(jìn)度。利用BIM 技術(shù)可指導(dǎo)車間進(jìn)行生產(chǎn)，并可對(duì)生產(chǎn)制造流程進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，從而使工程施工效率大幅提升。由此可見，BIM 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)車間可視化施工中發(fā)揮著巨大的作用。

5 BIM系統(tǒng)下的鋼結(jié)構(gòu)車間可視化施工技術(shù)研究

鋼結(jié)構(gòu)車間可視化施工可看成是整個(gè)建筑體系的設(shè)計(jì)過(guò)程，BIM系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，主要是利用信息模型將設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行三維化、四維化的轉(zhuǎn)變，此過(guò)程不僅可展示出建筑結(jié)構(gòu)，還可對(duì)車間各個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)BIM信息模型的同比例縮放模式，可令技術(shù)人員精準(zhǔn)對(duì)每一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)嵌套形式進(jìn)行細(xì)節(jié)查驗(yàn)，以及時(shí)找出設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。信息模型運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于系統(tǒng)本身屬于固定類框架，即便是技術(shù)人員的某一項(xiàng)參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤，系統(tǒng)也可及時(shí)找出參數(shù)的異常信息，極大節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

以鋼結(jié)構(gòu)車間可視化施工為例，BIM系統(tǒng)運(yùn)行下，技術(shù)人員可對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化監(jiān)控，即前期設(shè)計(jì)一直到建筑完工階段。如圖二所示，其為BIM 系統(tǒng)下的施工工序。相比于傳統(tǒng)的施工程序，以BIM系統(tǒng)為主的施工設(shè)計(jì)階段，在內(nèi)部參數(shù)信息的輸入下，內(nèi)部信息模式可依據(jù)參數(shù)來(lái)進(jìn)行變化，此過(guò)程中技術(shù)人員可對(duì)信息模型的變化趨勢(shì)，查證預(yù)期施工后的模型是否滿足技術(shù)基準(zhǔn)。

圖2 BIM系統(tǒng)下的施工工序

在現(xiàn)象施工中，鋼結(jié)構(gòu)車間的建設(shè)一般由多個(gè)工程點(diǎn)位同時(shí)開工，此過(guò)程內(nèi)，如各個(gè)項(xiàng)目部門未能的信息把控形式未能達(dá)成一致，將加大項(xiàng)目工程建設(shè)的冗余性。在BIM系統(tǒng)的應(yīng)用下，技術(shù)人員可依據(jù)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)中央調(diào)控，各個(gè)部門在現(xiàn)場(chǎng)施工期間，將部門建筑信息及時(shí)上傳到系統(tǒng)中，在平臺(tái)數(shù)據(jù)信息的反饋?zhàn)饔孟?，技術(shù)及管理人員無(wú)須到現(xiàn)場(chǎng)，便可依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的改變，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)車間的施工進(jìn)度、施工細(xì)節(jié)等進(jìn)行分析，如技術(shù)人員在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隱性施工問(wèn)題，可在系統(tǒng)軟件上進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，令現(xiàn)場(chǎng)映射的模式實(shí)現(xiàn)虛擬仿真化運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)技術(shù)人員可對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行全局化分析，并可依據(jù)平臺(tái)將數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)下達(dá)到各個(gè)施工部門，在信息的實(shí)時(shí)傳遞下，現(xiàn)場(chǎng)施工人員可及時(shí)接收到正確的施工指令。但應(yīng)注意的是，技術(shù)人員在下達(dá)更改指令時(shí)，不應(yīng)過(guò)度依賴于BIM系統(tǒng)，而應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)管理人員的意見來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)更改形式進(jìn)行多角度分析，在理論與實(shí)踐都達(dá)到技術(shù)參數(shù)基準(zhǔn)時(shí)，才可正確下達(dá)規(guī)范化操控質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)車間建造過(guò)程中，每一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)部件的嵌套形式即存在一致性，也存在一定的冗余性，受到施工人員技術(shù)水平的限制，不同結(jié)構(gòu)部件組合過(guò)程中都將存在一定的誤差，在多個(gè)環(huán)節(jié)誤差的集成下，將間接加大整體結(jié)構(gòu)的誤差數(shù)值，為此，BIM 平臺(tái)的可視化仿真運(yùn)用，可依據(jù)數(shù)值的變化，精準(zhǔn)的模擬出某一數(shù)據(jù)段下的建筑結(jié)構(gòu)變化，以此令技術(shù)人員及時(shí)制定出解決方案，確保鋼結(jié)構(gòu)車間的建造符合技術(shù)參數(shù)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，BIM 技術(shù)研發(fā)，可將圖紙文件進(jìn)行三維化、四維化的轉(zhuǎn)變，其對(duì)于建筑項(xiàng)目來(lái)講，信息參數(shù)的同步更新模式，令技術(shù)人員、管理人員等可對(duì)建筑參數(shù)進(jìn)行細(xì)部解讀，明晰各項(xiàng)建筑環(huán)節(jié)的工作特性，并可依據(jù)建筑參數(shù)變動(dòng)范圍，作出適當(dāng)調(diào)整，以保證整體建筑工序在技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)。期待在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，科研人員加大BIM技術(shù)的應(yīng)用范疇，令其與建筑項(xiàng)目進(jìn)行深層次融合，令建筑體系實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展，推動(dòng)建筑行業(yè)的發(fā)展。