BIM技術在裝配式鋼結構建筑深化設計中的應用

文＿朱 麗（通訊作者）（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術學院，講師，碩士）

楊 宇（柳州市興佳房地產開發(fā)有限責任公司，技術負責人，工程師）

戴偉娥（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術學院，一級造價工程師）

王萬春（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術學院，一級造價工程師）

吳 靜（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術學院，講師，碩士）

建筑工程領域中合理應用BIM技術深化建筑結構設計，不僅能提升設計工作的可視化效果和提高操作便利性，還能確保設計工作的精準開展，對工程施工具有重要的意義。基于此，本文通過研究BIM技術在裝配式鋼結構建筑深化設計中的應用，提出幾點建議，旨在提高工作效率。

在裝配式鋼結構建筑的深化設計中應用BIM技術，應制定完善的設計方案，遵循科學化和有效性的設計原則，確保能夠通過BIM技術提升裝配式鋼結構建筑設計質量和水平，滿足當前高質量、高效化設計的需求。

一、工程概況分析

本項目規(guī)劃用地43505.79m2，其中城市綠化用地2199.96m2，規(guī)劃凈用地面積41305.83m2。建筑單體均為鋼框架結構，以公租房7#樓為例，鋼結構深化模型及現(xiàn)場施工圖如圖1—圖3所示。7#樓高度39.5m，層數(shù)為14層，采用“框架—支撐結構”體系，典型柱網約為6m×8m，為了有效減小柱截面尺寸，框架柱采用“鋼骨混凝土箱型柱”，典型柱截面尺寸為200mm×450mm。柱腳采用“埋入式柱腳”，保證柱腳的剛度和良好的抗震性能，樓屋面采用鋼筋桁架樓承板，以實現(xiàn)工廠化制作，本工程總裝配率為60%。最大開挖深度約9m，基礎采用樁基+獨立基礎，項目北面、西面為居民生活區(qū)，東面為柳石路主干道，南面為蓮花立交橋。該工程的裝配式鋼結構建筑的鋼結構框架主要采用BIM技術進行設計，以確保所設計的鋼結構符合標準建筑質量，并通過該技術提升深化設計水平，以滿足行業(yè)規(guī)范標準要求。與此同時，在裝配式鋼結構建筑工程中，鋼結構屬于主要建筑材料，其結構組織非常均勻，具有一定的應力彈性的特點，實際受力狀況和工程力學計算結構較為接近，采用BIM技術進行設計，能夠確保設計的精確度，預防出現(xiàn)徐變和收縮的問題；內墻可采用新型輕質圍護板材，該板材不助燃、不霉變、防蟲蛀，可一次裝修到位，維修少；通過將管線暗埋在墻體與樓層結構中，可增加5%～8%的使用面積。

圖1 鋼結構模型深化設計圖

圖2 鋼筋桁架樓板

圖3 現(xiàn)場施工圖

二、BIM技術在裝配式鋼結構建筑深化設計中的應用要點

（一）遵循創(chuàng)新性要點

采用BIM技術進行裝配式鋼結構建筑的深化設計，應遵循以下創(chuàng)新性基本要點：第一，利用BIM技術進行工程結構的模擬仿真，創(chuàng)新設計扁鋼管混凝土柱—支撐結構體系，有效預防發(fā)生“凸梁凸柱”的問題，便于裝修及使用；第二，創(chuàng)新性地在梁柱節(jié)點設計新型栓焊混合連接節(jié)點，貼板式梁柱剛接節(jié)點無須內隔板，可通過BIM三維模擬仿真技術，模擬此類創(chuàng)新性設計的情景，解決扁鋼管柱管徑狹窄、設置內隔板后無法澆筑混凝土的問題；第三，在BIM系統(tǒng)中創(chuàng)新性地采用扁鋼管砼柱框架+鋼支撐體系設計豎向承重構件，將鋼柱鋼梁全部隱藏于墻體內，這樣在一定程度上能夠提升得房率，改善人們居住的舒適度，且所有的鋼構件為全裝配體系，施工安裝速度比傳統(tǒng)的框架砼結構體系快2倍以上；第四，在BIM三維模擬仿真系統(tǒng)中設計一系列創(chuàng)新性的樓板體系，如設計可拆底模鋼筋桁架組合樓板，和傳統(tǒng)現(xiàn)行的樓板相比，此類樓板設計方式能夠降低模板成本和支架成本，加快施工進度；第五，創(chuàng)新性地在飄窗及樓梯的位置設計預制PC構件，發(fā)揮BIM技術的作用。

（二）遵循專業(yè)性要點

在采用BIM技術進行裝配式鋼結構建筑深化設計的過程中，應遵循專業(yè)性的原則，確保BIM技術的良好應用。一方面，應確保設計人員能夠利用BIM三維模擬仿真系統(tǒng)進行整體建筑工程鋼結構的深化設計，確保設計工作的質量和水平。另一方面，在深化設計的過程中需要積極采用各類專業(yè)技術和措施，提升整體的設計效果。

（三）遵循協(xié)同性工作要點

協(xié)同工作主要涉及內部和外部的協(xié)同，其中內部協(xié)同指在相同主體之內，設計小組之間相互協(xié)同，將BIM模型作為載體集中開展深化設計工作，完成深化設計任務和高質量設計工作，提高設計水平。而在外部協(xié)同的過程中，設計部門需要和其他部門共同將BIM模型作為基礎，分析研究鋼結構設計是否存在不足之處，并通過共同建模，編制完善的裝配式鋼結構深化設計方案，及時發(fā)現(xiàn)設計模型中不同專業(yè)沖突的部分，對其進行標注和修改，這樣不僅能夠減少不同專業(yè)的協(xié)同時間，還能降低相互協(xié)同的成本，提高協(xié)同設計的效率。

（四）遵循質量控制要點

由于裝配式鋼結構建筑物施工過程中，主要是對成品構件進行裝配處理，成品構件質量直接影響整體建筑工程施工質量和效果，如果鋼結構構件的設計質量不符合標準要求，將會導致工程項目施工質量難以符合行業(yè)規(guī)范。因此，設計人員應重點采用BIM技術進行高質量的深化設計，一方面，在設計工作中結合不同鋼結構建筑的特點和實際情況，用三維建模模擬分析不同鋼材料所設計出的構件質量、性能、強度、穩(wěn)定性和承載力，按照具體的分析結果，篩選最佳材料，確保所設計出的鋼結構構件質量符合標準。另一方面，完成設計之后利用三維建模軟件建立整體工程的模型，模擬整體工程裝配式施工的質量情況和強度情況，檢驗設計成果的質量，一旦設計成果存在質量問題，可自動提出改進和優(yōu)化的建議，確保高質量進行鋼結構建筑的深化設計。

三、BIM技術在裝配式鋼結構建筑深化設計中的應用措施

（一）強化設計分析的力度

裝配式鋼結構建筑深化設計的過程中采用BIM技術，應重點做好相關的分析工作，利用科學合理的分析方式，為深化設計提供準確依據(jù)。

1.進行房屋日照分析

采用BIM技術構建建筑工程日照分析模型進行鋼結構整體設計，結合日照時間設計出能夠遮陽的陰影部分，在此過程中可以將BIM模型導入Ecotect軟件，生成建筑采光三維圖紙和平面圖紙，可以看出室內采光度除了會隨著與窗戶的距離發(fā)生變化，還會隨著房屋所在樓層高度降低而降低，在戶型中間過道部分采光度最弱。設計時應針對采光度弱的區(qū)域進行燈光布置，合理進行鋼結構戶型的設計，改善室內自然采光的效果和性能，這樣不僅能夠節(jié)約資源，還能提升居住的舒適度。

2.進行戶型熱工分析

在Ecotect軟件中導入BIM模型，可直觀進行戶型的熱工分析，并以此為鋼結構設計的依據(jù)，科學設計鋼結構的布局和組織架構，營造較為良好的室內熱環(huán)境。同時在熱工分析的過程中還可以在軟件內用黃色高亮區(qū)域表示可視度良好，藍色部分表示有遮擋物可視度不佳。針對住戶的風景視線進行研究的可視度分析，有效輔助鋼結構建筑朝向和架構的設計。

3.采用BIM技術進行節(jié)能分析

通過斯維爾軟件進行門窗和屋面等鋼結構的節(jié)能校核處理，按照校核的結果進行鋼結構設計的改進與優(yōu)化，節(jié)約能源、提升各類資源的利用效率，有效預防出現(xiàn)環(huán)境污染的問題，全面滲透綠色環(huán)保和節(jié)能的理念，為人們營造較為舒適的環(huán)境氛圍。

（二）鋼結構深化設計的措施

在裝配式鋼結構建筑深化設計的過程中，應重點明確具體的設計措施和方法，提升整體設計工作效果。首先，采用BIM技術中的Tekla軟件，在軟件內部構建鋼結構信息庫系統(tǒng)，增加虛擬構件的類型和規(guī)格，以BIM模型為基礎開展深化設計工作，進行圖紙內梁柱節(jié)點及梁板節(jié)點方面的深化設計，不斷優(yōu)化預制模板結構，通過減少預制構件數(shù)量和構件類型，降低相應的成本。其次，在完成模型的搭建之后，可在BIM模型內自動生成鋼結構圖紙，按照需要顯示出各個鋼結構部位的剖面圖，并直接在圖紙文件內創(chuàng)建細節(jié)視圖和索引圖，同時還可按照模型生成可為施工現(xiàn)場提供指導的設計圖紙，防止因圖紙問題在施工過程中出現(xiàn)工程變更的問題，最大限度提升出圖效率和精確度；另外，還需在BIM模型提取的構件信息中生成吊裝塊的重量信息，結合模型之內的吊裝結構位置關系，合理計算作業(yè)的高度和半徑，選擇相應的機械設備型號。最后，在鋼結構深化設計的過程中還需注意和機電設計、管線設計之間相互配合，可利用Revit獨立構建機電設計的模型后導入Navisworks集合，對設計內容進行綜合完善和優(yōu)化，并利用BIM技術構建管線設計模型，進行碰撞試驗分析，預防設計錯誤，提升設計質量，避免出現(xiàn)鋼結構和管線的碰撞問題，如圖4所示。

圖4 鋼結構深化設計

（三）完善深化設計的模型體系

要確保能夠有效進行裝配式鋼結構建筑的深化設計，充分發(fā)揮BIM技術的價值，構建較為完善的深化設計模型體系，利用模型提升效果。

1.構建標準模型庫

由于在采用BIM技術構建工程設計模型的過程中，需要重復繪制零件或構件，為提升建模的效果和效率，可事前結合工程設計的需求構建標準模型庫，收集建造裝配式鋼結構建筑時使用的起吊器具及預埋件的設計數(shù)據(jù)信息，同時分析斜撐構件、常用構件的特點，開發(fā)節(jié)點和預制構件的參數(shù)化標準模型，便于在設計整體模型的過程中，實時調用標準模型，節(jié)約設計時間，提升設計效果，如圖5所示。

圖5 標準模型庫

2.開發(fā)結構模型

使用BIM技術的3D建模功能構建鋼結構建筑結構模型，可對復雜構件的外形輪廓進行合理設計，檢查和驗證設計錯誤，預防出現(xiàn)設計誤差。還可利用軟件設置鋼筋專項模塊，設計PC構件與相鄰的現(xiàn)澆結構的配筋部分，這在一定程度上可直觀顯示出對PC構件外露鋼筋節(jié)點和現(xiàn)澆鋼筋節(jié)點的處理措施，提高設計成果的可行性，便于將設計成果運用到施工工作中，為施工質量提供保障。

3.預制構件配筋的深化設計

建議使用BIM相關軟件設計專門的鋼筋模塊，確保在鋼結構深化設計過程中提升配筋設計的科學性與合理性，避免在施工裝配期間發(fā)生鋼結構和現(xiàn)澆混凝土鋼筋相互干涉的問題，使鋼結構在到達施工現(xiàn)場后能快速裝配，滿足高質量施工的基本要求。

4.建立模板和爬架的模型

利用BIM軟件構建鋼結構的模塊，建立相應的爬架模型，并按照模型模擬情況，對爬架和預制構件、鋁模板的連接設計進行檢查和調整，按照相互之間的碰撞關系深化修改設計內容。同時還需建立鋁模板模型，直觀展現(xiàn)出鋁模板的實際情況，深化轉角等細節(jié)位置的設計，確保爬架和鋁模板之間連接設計的效果，預防在后續(xù)現(xiàn)場裝配施工過程中出現(xiàn)問題。

5.對比樓板和飄窗等鋼結構模型

利用BIM技術構建樓板模型，在模型內對比可拆底模鋼筋桁架組合樓板與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土樓板所需的支架及模板費用。對比結果表明，本項目使用的鋼筋桁架組合樓板底面平整，可免除粉刷步驟，直接刮膩子，節(jié)省現(xiàn)場鋼筋綁扎工作量80%以上，施工速度更快。構建飄窗結構和樓梯結構模型，飄窗及樓梯采用預制PC構件，與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆相比，避免了大量濕作業(yè)及二次砌筑，而且裝配式樓梯為成品構件，后期裝飾裝修可省去樓梯踏步抹面、梯板找平及滴水施工等步驟，現(xiàn)場施工速度得到了很大的提高。

6.碰撞檢查的三維模擬

在深化設計的過程中，應在BIM模型內明確是否存在設計不合理的問題，對既有的設計進行優(yōu)化和修改，例如在BIM模型中檢查是否存在鋼筋設計的不合理之處，采用碰撞校核管理器軟件以確認是否存在相互碰撞的零部件、螺栓或是鋼筋，如果發(fā)現(xiàn)有碰撞的問題，就要進行設計的修改和調整，以免影響后續(xù)的裝配式施工質量和效率效果。同時還需注意，在深化設計的工作中應結合碰撞檢查的結果，提出不同構件的施工處理和裝配處理建議，在裝配施工過程中有效預防碰撞問題。

除此之外，在實際設計工作中需結合裝配式鋼結構建筑物的特點和情況，制訂完善的深化設計方案，明確BIM技術的應用措施和手段，提升技術應用的效果，確保整體設計工作的水平。

四、結語

BIM技術在裝配式鋼結構建筑深化設計中具有一定的應用意義和價值，相關設計人員應樹立正確的觀念意識，結合裝配式鋼結構建筑特點和實際情況，明確深化設計的要點和原則，同時按照裝配式鋼結構建筑的特點，提出應用BIM技術的措施和方法，構建不同結構的模型和深化設計系統(tǒng)，通過模型和三維模擬仿真技術進行碰撞檢查，達到深化設計的最佳效果。