BIM 數(shù)字化技術(shù)在復(fù)雜建筑鋼構(gòu)安裝過程的應(yīng)用研究

何余華 李夫強(qiáng) 周金龍

(中國建筑第六工程有限公司)

在現(xiàn)代建筑項(xiàng)目中，鋼構(gòu)安裝是一個(gè)關(guān)鍵且復(fù)雜的階段，對(duì)項(xiàng)目的成功實(shí)施至關(guān)重要。為了提高鋼構(gòu)安裝的效率和質(zhì)量，BIM 技術(shù)被引入并廣泛應(yīng)用。BIM 技術(shù)通過數(shù)字化建模和協(xié)同設(shè)計(jì)的方式，為鋼構(gòu)安裝過程提供了可視化和智能化的管理工具。這種技術(shù)能夠幫助項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)有效地處理施工沖突、優(yōu)化施工策略和資源管理，從而提高施工效率、減少資源浪費(fèi)和降低安全風(fēng)險(xiǎn)。通過BIM 技術(shù)，施工團(tuán)隊(duì)能夠在鋼構(gòu)安裝前模擬和預(yù)測(cè)問題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行優(yōu)化，從而在實(shí)際施工中避免錯(cuò)誤和延誤。因此，研究將對(duì)BIM 技術(shù)在建筑鋼構(gòu)安裝中的優(yōu)勢(shì)和局限進(jìn)行深入探討，并結(jié)合實(shí)例分析BIM 技術(shù)的應(yīng)用過程。

1.復(fù)雜建筑鋼構(gòu)安裝中的難點(diǎn)與問題

1.1 鋼材結(jié)構(gòu)安裝的復(fù)雜度問題

復(fù)雜建筑鋼材安裝的一個(gè)主要難點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，在一些大型的建筑項(xiàng)目中，鋼構(gòu)設(shè)計(jì)可能十分的繁瑣，包含了復(fù)雜的幾何形狀和特殊的連接方式。復(fù)雜的幾何形狀的鋼材需要施工團(tuán)隊(duì)具備精確的測(cè)量和布置能力，由于結(jié)構(gòu)的形狀可能是曲線形狀或異型形狀，傳統(tǒng)的測(cè)量方法和工具可能無法滿足精確的需求。其次，特殊的連接方式和斜角連接也增加了安裝的復(fù)雜性，在復(fù)雜建筑鋼材結(jié)構(gòu)中，連接件的設(shè)計(jì)和安裝可能不同于常規(guī)的連接方式。因此，需要施工團(tuán)隊(duì)進(jìn)行特殊的構(gòu)件加工和安裝技術(shù)，包括特殊的焊接技術(shù)或螺栓連接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此外，異型結(jié)構(gòu)的安裝也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，安裝異型的鋼材結(jié)構(gòu)可能需要特殊的搭設(shè)和支撐工具，以確保結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確安裝和穩(wěn)定性。

1.2 鋼材結(jié)構(gòu)安裝的精度問題

精度問題涉及到結(jié)構(gòu)的尺寸精確性、位置精確性和安裝的質(zhì)量，在復(fù)雜建筑鋼構(gòu)的安裝過程中，是一個(gè)非常關(guān)鍵的考慮因素。鋼材的尺寸精確性是安裝的基本要求，每個(gè)構(gòu)件的尺寸必須與設(shè)計(jì)圖紙或規(guī)格要求完全符合。任何尺寸偏差都可能導(dǎo)致連接不安全或結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在鋼材的制造過程中，必須嚴(yán)格控制構(gòu)件的尺寸精度，確保準(zhǔn)確性。在安裝時(shí)，鋼材必須按照設(shè)計(jì)的要求放置在正確的位置上，保證水平位置和垂直位置的精確性。如果構(gòu)件位置出現(xiàn)偏差，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定或影響其他構(gòu)件的安裝。鋼構(gòu)在安裝時(shí)，焊接的質(zhì)量也會(huì)影響安裝的穩(wěn)定性。焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，確保焊縫的質(zhì)量，以確保鋼構(gòu)的牢固性。

1.3 鋼構(gòu)安裝中的施工調(diào)度問題

鋼構(gòu)的安裝需要合理地分配人力、機(jī)械和材料等資源，需要考慮到鋼構(gòu)的數(shù)量、大小和復(fù)雜度，并且施工團(tuán)隊(duì)的能力和設(shè)備的可用性也是一項(xiàng)重要的考慮因素。在施工的工序上，鋼構(gòu)的安裝涉及到多個(gè)工序，包括基礎(chǔ)施工、預(yù)制構(gòu)件就位、吊裝安裝、焊接、調(diào)整和固定等。這些工序需要按照順序合理地安排，以保證施工的連貫性和高效性。同時(shí)，需要考慮工序之間的協(xié)調(diào)和交叉關(guān)系，避免工序之間的沖突和延誤。在施工的工期安排上，需要考慮到鋼構(gòu)安裝的時(shí)序計(jì)劃，包括各個(gè)工序的工期、先決條件、資源的可用性和安全要求等因素，并合理的安排每個(gè)工序的時(shí)間和順序。在人員的監(jiān)督管理上，鋼構(gòu)安裝的施工調(diào)度需要進(jìn)行有效的監(jiān)督和管理，包括每日的工作記錄、工序的檢查和評(píng)估，以確保施工的進(jìn)展按計(jì)劃進(jìn)行。在協(xié)作溝通方面，鋼構(gòu)安裝涉及到多個(gè)施工方和專業(yè)團(tuán)隊(duì)的協(xié)助完成，因此需要加強(qiáng)協(xié)作和溝通，并及時(shí)解決施工中的問題和沖突。

綜上所述，復(fù)雜鋼材的安裝中存在諸多的難點(diǎn)和問題，通過預(yù)先規(guī)劃和準(zhǔn)備、加強(qiáng)技術(shù)能力、嚴(yán)格控制質(zhì)量和加強(qiáng)人員的協(xié)調(diào)與溝通，可以確保鋼構(gòu)安裝的準(zhǔn)確性和施工的正常進(jìn)行。BIM 技術(shù)可以通過優(yōu)化鋼構(gòu)安裝方案，以可視化效果立體地展示鋼構(gòu)的安裝過程，幫助施工人員直觀地了解到建筑的實(shí)時(shí)狀態(tài)，確保安裝作業(yè)的正常進(jìn)行。

2.BIM 技術(shù)在復(fù)雜建筑鋼構(gòu)安裝中的特點(diǎn)

BIM 技術(shù)是一種在建筑和工程領(lǐng)域應(yīng)用的數(shù)字化建模技術(shù)。它涉及使用計(jì)算機(jī)軟件和工具，以三維模型的形式創(chuàng)建、管理和可視化建筑項(xiàng)目的各種信息。BIM 技術(shù)將不同學(xué)科和專業(yè)的數(shù)據(jù)集成到一個(gè)綜合的三維模型中，包括建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、管道、景觀等各個(gè)方面的數(shù)據(jù)[1]。通過這種集成，BIM 技術(shù)能夠提供全面的建筑項(xiàng)目信息，包括幾何形狀、尺寸、材質(zhì)、屬性、性能等。BIM 技術(shù)的主要特點(diǎn)是它不僅僅是一個(gè)三維建模工具，而是一個(gè)包含建筑項(xiàng)目全生命周期的多維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。它可以在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營和維護(hù)等階段進(jìn)行信息的共享、協(xié)作和分析，幫助各個(gè)項(xiàng)目參與者更好地理解和決策。在設(shè)計(jì)階段，BIM 技術(shù)可以用于創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)的三維模型，包括各個(gè)構(gòu)件的幾何形狀、尺寸和位置等信息。這些模型可以更直觀地展示整個(gè)結(jié)構(gòu)，幫助設(shè)計(jì)師和施工團(tuán)隊(duì)更好地理解和溝通設(shè)計(jì)意圖。在鋼結(jié)構(gòu)安裝中，不同構(gòu)件之間必須保持良好的空間關(guān)系，避免碰撞和沖突。BIM 技術(shù)可以進(jìn)行碰撞檢測(cè)，通過模型的幾何和空間信息，自動(dòng)檢測(cè)潛在的沖突并進(jìn)行警示[2]。這有助于預(yù)防施工中的問題，減少重復(fù)工作和延誤。BIM 技術(shù)可以為每個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件添加數(shù)字化標(biāo)識(shí)和配送信息，這包括構(gòu)件的型號(hào)、序列號(hào)、規(guī)格、材料等。這些標(biāo)識(shí)和信息可以與施工進(jìn)度和供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的材料配送和追蹤。在人員的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)和溝通上，BIM 技術(shù)可以支持不同團(tuán)隊(duì)之間的實(shí)時(shí)協(xié)作和溝通。通過共享和訪問模型的云平臺(tái)，設(shè)計(jì)師、施工團(tuán)隊(duì)和供應(yīng)商可以更好地進(jìn)行信息共享和協(xié)作[3]。這有助于減少誤解和延誤，提高整個(gè)施工過程的效率和質(zhì)量。

3.BIM 技術(shù)在復(fù)雜建筑鋼構(gòu)安裝中的應(yīng)用分析

3.1 BIM 技術(shù)的應(yīng)用流程

BIM 技術(shù)可以通過可視化模擬復(fù)雜建筑的安裝過程，幫助施工人員在工程施工過程中進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營和維護(hù)等方面的決策和管理。BIM 技術(shù)的應(yīng)用流程如圖1 所示。

圖1 BIM的流程圖

圖1 中，首先，需要收集和整理與鋼構(gòu)安裝項(xiàng)目相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息，包括設(shè)計(jì)文件、施工圖紙、構(gòu)件尺寸和規(guī)格、材料屬性、施工計(jì)劃等。這些數(shù)據(jù)和信息將作為建立BIM鋼構(gòu)模型的基礎(chǔ)。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)和信息，使用BIM 軟件開始創(chuàng)建鋼構(gòu)模型的基礎(chǔ)。在模型中添加基礎(chǔ)的構(gòu)件形狀和幾何屬性，確保它們符合設(shè)計(jì)和施工要求?？梢允褂肂IM 軟件自帶的構(gòu)件庫或?qū)攵ㄖ频臉?gòu)件庫來快速創(chuàng)建構(gòu)件。在模型基礎(chǔ)上，逐個(gè)添加和建模具體的構(gòu)件，包括鋼柱、鋼梁、鋼板、連接件等。根據(jù)設(shè)計(jì)和施工圖紙，設(shè)置每個(gè)構(gòu)件的尺寸、形狀和屬性。確保模型的準(zhǔn)確性和尺度的一致性。在添加構(gòu)件的過程中，進(jìn)行空間協(xié)調(diào)和碰撞檢測(cè)。確認(rèn)每個(gè)構(gòu)件的位置和間距是否符合設(shè)計(jì)要求，避免可能的碰撞和沖突。BIM 軟件通常提供自動(dòng)化的碰撞檢測(cè)工具，可以快速發(fā)現(xiàn)并標(biāo)記潛在的碰撞問題，為每個(gè)構(gòu)件添加更詳細(xì)的屬性和信息。通過在模型中設(shè)定施工步驟和順序，可以預(yù)測(cè)施工過程中可能出現(xiàn)的問題，并優(yōu)化施工流程。將BIM 鋼構(gòu)模型與相關(guān)的參與方共享和協(xié)作，使用BIM 軟件的云平臺(tái)或共享文件夾，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)共享和更新模型。參與方可以在模型中添加注釋、標(biāo)記問題和共享進(jìn)度，促進(jìn)信息的交流和溝通。根據(jù)設(shè)計(jì)和施工進(jìn)展，不斷更新模型中的信息和屬性，保持模型與實(shí)際施工的一致性。

3.2 鋼構(gòu)安裝流程

3.2.1 預(yù)埋件的安裝

地腳螺栓是一種用于固定建筑物地基和鋼結(jié)構(gòu)之間的連接裝置，在實(shí)施鋼構(gòu)安裝之前，確保建筑物地基的穩(wěn)定，采用BIM 軟件進(jìn)行虛擬建模，安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 預(yù)埋件的BIM安裝示意圖

圖2 中，首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和要求，利用BIM 軟件建模，確定地腳螺栓的位置和布局，選擇在每個(gè)立柱或支撐梁的接觸點(diǎn)處安裝地腳螺栓。使用合適的鉆頭和鉆孔設(shè)備，在地基上鉆孔，孔徑和深度需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和地腳螺栓的規(guī)格來確定。確保鉆孔垂直且位于設(shè)計(jì)位置上，孔的尺寸與地腳螺栓規(guī)格相匹配。使用空氣壓縮機(jī)或吹風(fēng)機(jī)等工具，清理孔洞中的灰塵、碎石和雜物，確保孔洞干凈，以便地腳螺栓緊固。將預(yù)先準(zhǔn)備好的地腳螺栓插入孔洞中，確保地腳螺栓垂直并正確對(duì)準(zhǔn)位置，使用錘子輕擊螺栓的頂部，使其均勻進(jìn)入孔洞，直至底部。使用扳手或扭力扳手等工具，逐個(gè)擰緊地腳螺栓，按照設(shè)計(jì)要求和地腳螺栓的規(guī)格，逐步擰緊每個(gè)螺栓，使其緊固在地基上。最后，檢查螺栓的垂直度和水平度是否符合要求，可以使用水平儀或量規(guī)進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)。確認(rèn)無誤后，將錨栓和鋼筋進(jìn)行焊接操作，灌注混凝土以達(dá)到固定和防腐的作用。

3.2.2 鋼柱的安裝

鋼立柱的安裝加固是鋼結(jié)構(gòu)建筑中的重要工作，以確保立柱的穩(wěn)定性和承載能力。在準(zhǔn)備工作階段，采用BIM技術(shù)進(jìn)行建模，了解立柱的具體尺寸、型號(hào)和安裝要求。

準(zhǔn)備所需的工具和材料，包括吊車、起重設(shè)備、螺栓、焊接設(shè)備等。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和標(biāo)志，準(zhǔn)確定位立柱的位置，使用水平儀和測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量，確保立柱的垂直度和水平度符合要求。在立柱底部安裝臨時(shí)支撐或定位支撐，以確保立柱呈垂直狀態(tài)，并防止立柱在安裝過程中傾倒或移位。用吊車或起重設(shè)備提升立柱到指定位置，在提升過程中，確保立柱與周圍結(jié)構(gòu)和人員的安全距離，同時(shí)注意操作平穩(wěn)和垂直提升。在鋼柱距離底部20cm 時(shí)，緩慢下落保持穩(wěn)定，將立柱底部與地基連接固定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，使用適當(dāng)?shù)暮附踊蚵菟ㄟB接方法，確保連接可靠和堅(jiān)固。根據(jù)立柱的高度、跨度和承載能力，采取加固措施，包括加裝支撐架、剪力墻、斜支撐等，以提高立柱的穩(wěn)定性和整體結(jié)構(gòu)的承載能力。

3.2.3 懸挑端梁的安裝

采用BIM 軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬安裝的流程，確保支撐的準(zhǔn)確位置和穩(wěn)定性。

圖3 鋼立柱的BIM安裝示意圖

圖4 懸挑端梁的BIM安裝示意圖

懸挑端梁長度為5m，重量為50t。在吊裝的過程中，鋼構(gòu)材料的兩端端口焊接用坡口焊，左右兩邊的鋼板用螺栓連接。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在BIM 中進(jìn)行虛擬組裝和協(xié)調(diào)，將懸挑端梁的各個(gè)部分進(jìn)行組裝和互聯(lián)。確定懸挑端梁的安裝位置和支撐方式，并設(shè)立臨時(shí)支撐或定位支撐，以確保懸挑端梁的準(zhǔn)確安裝。通過BIM 軟件計(jì)算，需要焊接長度達(dá)到800mm 時(shí)再松鉤。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，使用焊接方式，將懸挑端梁與建筑結(jié)構(gòu)的其他部分進(jìn)行固定和連接。確保連接的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少螺栓或焊縫的失效風(fēng)險(xiǎn)。最后，確認(rèn)懸挑端梁的安裝質(zhì)量和連接性能，進(jìn)行必要的檢查和測(cè)試，確保懸挑端梁和周圍結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。并且更新BIM 中的建模信息和數(shù)據(jù)，確保矛盾或問題的發(fā)現(xiàn)和解決，便于施工和后續(xù)工程管理。

3.2.4 鋼材焊接與涂裝

首先清潔和處理鋼材表面，確保焊接區(qū)域清潔和無污染。根據(jù)鋼材的材料和結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，保護(hù)氣體為CO2，純度為99.98%，高空組裝采用手工電弧焊。根據(jù)焊接工藝規(guī)范和操作指南，進(jìn)行焊縫的組織、對(duì)齊和夾持，控制焊接電流、電壓和焊接速度，保持穩(wěn)定的焊接參數(shù)和形狀。在焊接完成后，進(jìn)行焊縫的修整和整理，清理焊縫和周圍區(qū)域，去除焊渣和雜質(zhì)。在對(duì)鋼材進(jìn)行涂裝之前，需要對(duì)鋼材表面進(jìn)行清潔和處理，去除油污、銹蝕和氧化物，常用的表面處理方法包括機(jī)械除銹、化學(xué)除銹和噴砂等。首先對(duì)底層部分進(jìn)行涂裝，根據(jù)鋼材的要求和涂裝系統(tǒng)，先涂刷或噴涂底層涂料，底層涂料可以起到防銹和提高涂層附著力的作用。最后進(jìn)行面層涂裝，根據(jù)設(shè)計(jì)和使用要求，選擇適當(dāng)?shù)拿鎸油苛虾皖伾鎸油苛峡梢蕴峁┳罱K的外觀效果和保護(hù)功能。根據(jù)涂料生產(chǎn)商的持有的NACE2 級(jí)認(rèn)證，保持涂層干燥和固化的時(shí)間和條件，確保涂層的質(zhì)量和耐久性。

4.BIM 技術(shù)在鋼構(gòu)安裝中的局限性和優(yōu)勢(shì)

BIM 技術(shù)可以通過3D 模型來展示鋼構(gòu)安裝的整體圖像和構(gòu)件之間的關(guān)系，使得設(shè)計(jì)、施工和管理人員能夠更直觀地了解項(xiàng)目的情況。同時(shí)，BIM 技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)多方協(xié)同設(shè)計(jì)和溝通，提高信息共享和決策效率。BIM 技術(shù)可以通過模型碰撞檢測(cè)功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和施工中的沖突和不協(xié)調(diào)，并優(yōu)化方案，以減少施工中的問題和改動(dòng)，提高鋼構(gòu)安裝的質(zhì)量和效率。然而BIM 技術(shù)也存在一些局限性，在鋼構(gòu)安裝中需要使用一定的軟件和設(shè)備支持，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求較高。如果沒有提供適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和支持，可能會(huì)導(dǎo)致操作困難或錯(cuò)誤。BIM 模型的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)一致性對(duì)于保證安裝的準(zhǔn)確性和安全性至關(guān)重要，如果BIM 模型中的數(shù)據(jù)缺失、錯(cuò)誤或不準(zhǔn)確，可能會(huì)導(dǎo)致施工中的問題和延誤。鋼構(gòu)安裝中，需要將BIM 模型與其他相關(guān)系統(tǒng)，例如施工計(jì)劃、物資管理等進(jìn)行集成和協(xié)調(diào)，這需要確保各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和信息的流通和一致性，如果沒有良好的溝通和協(xié)作，可能會(huì)導(dǎo)致不協(xié)調(diào)和沖突。

5.結(jié)論

BIM 技術(shù)是一種在建筑和工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的數(shù)字化建模技術(shù)，通過集成各種信息到一個(gè)三維模型中，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目參與者之間的協(xié)作和決策支持。并且能夠提供全面的建筑項(xiàng)目信息，幫助項(xiàng)目參與者在全生命周期中進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營和維護(hù)等方面的決策和管理。因其可視化、協(xié)同設(shè)計(jì)、碰撞檢測(cè)和施工優(yōu)化等優(yōu)勢(shì)，能大大提升鋼構(gòu)安裝的質(zhì)量和施工效率，減少施工的風(fēng)險(xiǎn)和成本。同時(shí)，加強(qiáng)施工人員的技術(shù)水平的培訓(xùn)，克服BIM 技術(shù)中的局限性，控制好預(yù)埋件、鋼柱、主桁架的安裝以及焊接與涂裝流程，提高工程的質(zhì)量。因此，合理利用BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鋼構(gòu)安裝過程中的有效管理和控制。