BIM 技術在超高層鋼結構建筑施工中的應用

卓增燦

（中國建筑第七工程局有限公司福建分公司，福建 廈門 361000）

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，在城市現(xiàn)代化建設中越來越多地應用超高層鋼結構建筑，因其具有施工體量大、工藝技術復雜、涉及專業(yè)領域多等特征，施工難度較高。為更好地落實超高層鋼結構建筑質量、進度、成本、安全等建設目標，更有力地保障工程施工質量，施工單位需要順應時代發(fā)展，在了解BIM 技術定義、特點及應用價值的基礎上，探究其在超高層鋼結構建筑施工中的應用路徑，充分借助技術優(yōu)勢，提高施工技術水平。

1 BIM 技術的定義及特點

1.1 BIM 技術的定義

BIM是“Building Information Modeling”的縮寫，即“建筑信息模型”。BIM 概念最早于1978 年提出，與傳統(tǒng)的三維模型概念相比，其加入了“時間”的概念，強調(diào)工程項目全生命周期數(shù)據(jù)信息的記錄，能夠準確反映出工程項目的動態(tài)變化過程。發(fā)展至今，BIM 技術經(jīng)歷了數(shù)字化建筑模型、虛擬化建筑模型、建筑產(chǎn)品模型、包含建筑物整個生命周期數(shù)據(jù)信息的專業(yè)性建筑信息和模型四個演變階段。目前，我國將BIM 技術定義為一種應用于工程設計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，其能夠將工程整個生命周期中的所有信息（如構件性能信息、建筑幾何特性、功能要求、施工進度、建造過程等）整合、集成到一個建筑模型中，以實現(xiàn)建筑物及功能特征的數(shù)字表達，促進各類信息、知識資源共享，為工程項目設計、施工、運營及報廢拆除等階段的決策制定和控制管理提供有力支持。

1.2 BIM 技術的特點

（1）可視性。主要表現(xiàn)為“所見即所得”。以往技術在利用CAD 圖紙進行建筑信息描述時，只能通過二維線條和圖形來表現(xiàn)建筑結構特征。描述對象建造完成后，具體構造形式和結構特點只能依靠技術人員基于專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗去想象。而BIM 技術不僅能夠將二維圖紙準確轉化為可視化三維模型，還能將各構件間的關系、工程建設過程及各項參數(shù)信息，直觀可視地呈現(xiàn)出來，從而為工程項目設計和管理提供便利條件。

（2）模擬性。BIM 技術能夠根據(jù)操作人員需求進行多種形式的模擬，如在建筑設計階段進行光照模擬，以檢驗建筑的美觀性和不同時間段的采光性；在結構設計階段進行不同形式的荷載模擬，以檢驗建筑結構的力學性能；在施工準備階段進行4D 模擬建設，以檢驗施工進度規(guī)劃的合理性等。

（3）協(xié)調(diào)性?，F(xiàn)代建筑工程施工體量大、涉及專業(yè)多，因此，對施工協(xié)調(diào)工作的要求極高。BIM 技術能夠將所有專業(yè)的施工信息集成到一個建筑模型中，從而大幅度提升各專業(yè)間數(shù)據(jù)信息的共享度，為不同專業(yè)間的有效協(xié)調(diào)奠定良好的基礎。

2 工程概況

華源國際中心項目位于廈門市思明區(qū)03～07片區(qū)觀音山商務營運中心環(huán)島干道東側（A5 地塊），項目總用地面積為5 154.418m2，總建筑面積為51 589m2，其中：地上27 層，總建筑面積為35 689m2；地下4 層，總建筑面積15 900m2。建筑物的建筑高度為182.52m。本工程項目塔樓采用“鋼框架+支撐”結構體系，其中，地下室部分采用“鋼結構+剪力墻”結構，地上部分采用“全鋼結構”，樓板采用“鋼筋桁架樓承板+混凝土”組合式樓板。建筑物的構件類型包括外框鋼管柱、框架梁、組合梁、次梁和鋼支撐，總用鋼量約1.35萬t。鋼材材質主要為Q235B（錨栓）、Q345B、Q345B-Z15、Q345B-Z25。樓層大致分為6 種類型，每種樓層布置圖都包含箱型柱、焊接 H 型鋼框架梁、焊接H 形組合梁、焊接H 形次梁、焊接H 形水平支撐和箱型支撐。

3 超高層鋼結構建筑施工中BIM 技術的價值

基于對BIM 技術的了解及對已有BIM 技術應用經(jīng)驗的總結，華源國際中心項目施工單位認識到BIM 技術應用于超高層鋼結構建筑施工中具有以下價值：

（1）可提高決策和計劃的編制效率與質量。超高層鋼結構建筑的技術復雜度遠高于常規(guī)類型的建筑，項目管理人員在制定決策時往往需要收集和參考更多的數(shù)據(jù)信息，以保證決策的科學性與可行性。而信息完備性和共享性是BIM 技術的優(yōu)勢，應用在超高層鋼結構建筑工程項目中，能夠幫助項目管理人員構建參數(shù)化信息庫，將各方面數(shù)據(jù)信息集成在一個數(shù)據(jù)平臺中，并進行實時更新，以縮短項目管理人員收集數(shù)據(jù)信息的耗時，提高獲取數(shù)據(jù)信息的完整度，從而提高各項決策制定效率和質量。此外，因施工體量大、施工物資種類繁多，所以，超高層鋼結構建筑的采購工作量和難度較大。而利用BIM 技術，工作人員能夠隨時隨地了解物資的剩余量、需求量、物資存量可支持施工天數(shù)等數(shù)據(jù)信息，從而提高物資采購計劃、配置方案的編制效率與科學性。

（2）可提高多專業(yè)間的協(xié)同工作效率?；诳梢曅蕴卣鳎珺IM 技術能夠以更加直觀、具體的方式進行信息描述，從而大幅度降低信息的理解難度，使不同專業(yè)領域的工作人員更有效地進行溝通交流。同時，BIM 技術對施工數(shù)據(jù)信息的高度集成化，能夠使各專業(yè)施工人員隨時隨地獲取當前施工節(jié)點的施工資料，了解相關專業(yè)的施工方案和需求，為不同專業(yè)間的溝通交流提供便利條件，從而有效提高多專業(yè)間協(xié)同工作的效率和質量。

（3）可顯著減少工程變更和返工行為。相較于普通建筑結構，鋼結構更具復雜性，若結構設計和圖紙會審階段存在工作疏忽，很容易在施工過程中出現(xiàn)結構碰撞問題，從而發(fā)生設計變更或返工行為。而借助BIM 技術模擬性特征，技術人員可在正式施工前模擬施工，進行碰撞測試，以了解施工效果，發(fā)現(xiàn)碰撞隱患，從而合理調(diào)整施工方案，最大限度地降低工程變更和返工行為發(fā)生率。

4 BIM 技術在超高層鋼結構建筑施工中的應用

4.1 BIM 可視化技術

BIM 可視化技術應用主要體現(xiàn)在兩方面，一是將CAD 圖紙、施工參數(shù)錄入到BIM 系統(tǒng)中，借助系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理功能和建模功能，構建出精準的3D 模型。二是各專業(yè)將構建好的施工模型上傳至BIM 平臺，通過一系列分析計算，將這些分散型模型有機組合，構建一個完整的工程項目可視化三維建筑模型。通過該模型，人們能夠多角度、動態(tài)化地觀察、分析建筑內(nèi)、外結構及具體節(jié)點。將BIM 可視化技術應用在超高層鋼結構建筑施工中，可大幅度提高各環(huán)節(jié)施工質量和效率。例如，在華源國際中心項目中，給排水、電氣、建筑智能化等施工單位根據(jù)專業(yè)施工圖紙在BIM 系統(tǒng)中建立管線布置三維模型，BIM 系統(tǒng)將各專業(yè)制作、保存的管線布置三維模型整合到同一個建筑模型中，形成反映本工程項目所有管線綜合布置情況、具備多角度觀察、效果圖輸出、數(shù)據(jù)標注等多種功能的三維模型。根據(jù)該三維模型，項目技術人員和管理人員能夠直觀地看到當前施工方案下，管線綜合布設的最終效果，為技術管理工作提供重要依據(jù)。例如，根據(jù)可視化視圖（見圖1）分析管線綜合排布凈高等。

圖1 華源國際中心項目地下車庫凈高分析

4.2 鋼結構三維建模

傳統(tǒng)技術模式下，二維施工圖紙并不能直觀地反映出建筑結構及不同構件間的空間關系，不利于專業(yè)交叉作業(yè)的順利推行和管理把控。尤其是在鋼結構建筑中，因包含多種類型和規(guī)格的鋼構件，且結構形式復雜，僅依靠施工圖紙，很難保證施工效率和質量。而BIM 技術具有極強的模型構建能力，能夠根據(jù)施工圖紙和施工參數(shù)構建出精準的三維建筑模型，并通過模型如實地表現(xiàn)出構件的尺寸、空間位置關系及施工效果。因此，在超高層鋼結構建筑施工中，利用BIM 技術進行鋼結構三維建模，能夠大幅度提高施工質量和便利性。在華源國際中心項目中，技術人員先利用BIM 平臺的核心建模軟件Revit Architecture 構建三維建筑模型，通過精準編輯各項設計參數(shù)及合理調(diào)整構建內(nèi)容屬性，實現(xiàn)模型的參數(shù)化設計。此時，BIM 系統(tǒng)會根據(jù)空間布局、功能參數(shù)、材料尺寸、場地坐標、構件屬性等輸入信息，實時調(diào)整模型。相較于傳統(tǒng)的設計方式，此技術不僅能夠減少工作量，而且能夠明顯提高設計精度。構建建筑模型后，需要利用Revit Structure 軟件構建三維結構模型，利用該三維模型，技術人員能夠從多個角度查看結構構件的形式特點和數(shù)據(jù)信息，如配筋信息、混凝土等級信息、荷載分布等。當土建、鋼結構、機電、幕墻等分項工程的BIM三維模型全部構建完畢后，可在BIM 平臺中整合所有模型，形成包含各專業(yè)數(shù)據(jù)信息的整體化三維模型（見圖2）。鋼結構三維模型建立后，技術人員可將模型導入廣聯(lián)達算量軟件GCL 中，通過應用兩種先進軟件，實現(xiàn)智能化三維算量，在一定程度上提高工程項目的施工效率。

圖2 華源國際中心項目三維建模流程示意圖

4.3 鋼結構深化設計

傳統(tǒng)技術模式下的鋼結構設計，先要利用專業(yè)的力學計算軟件計算、設計鋼結構的形式規(guī)格及技術參數(shù)，然后通過大量的CAD 圖紙逐一說明鋼結構設計信息。然而，在超高層鋼結構建筑中，鋼結構的設計桿件和節(jié)點眾多，單純依靠CAD 圖紙已經(jīng)無法清晰、全面地描述鋼結構構件尺寸信息與連接方式，以至于在鋼構件制作和安裝過程中，容易產(chǎn)生不同形式的問題，影響工程施工質量。而利用BIM 技術進行鋼結構深化設計則能夠有效應對上述問題。例如，在華源國際中心項目中，技術人員利用BIM 平臺中的Tekla Structure 軟件來完成鋼結構的深化設計。一方面，在軟件中對項目中的基礎性桿件、螺栓進行三維建模，確定各自的設計參數(shù)和屬性，然后將這些模型整合形成基礎鋼構件模型庫，在后續(xù)鋼結構設計過程中，可隨時調(diào)用，不僅提高了設計效率，還能在一定程度上降低設計出錯率。另一方面，借助軟件強大的圖紙整理和編輯功能，實現(xiàn)快速出圖。例如，當施工人員需要柱角節(jié)點圖時，技術人員可隨時從模型庫中調(diào)出相應的鋼結構柱角三維模型，并利用軟件的“模型投影”圖紙編輯功能，快速生成完整的施工圖紙。

4.4 鋼結構輔助施工

BIM 技術具有強大的輔助施工功能，應用在超高層鋼結構建筑施工中，可顯著提高施工管理水平和施工質量。例如，在華源國際中心項目中，技術人員將項目BIM 模型及相關施工數(shù)據(jù)輸入到BIM 平臺的Navisworks 軟件中，利用軟件強大的模擬分析能力，實現(xiàn)工程項目的4D 模擬施工，以更加直觀、準確地掌握工程進度情況，更好地開展進度管理工作。同時，可利用Revit 軟件自帶的碰撞測試功能進行單一專業(yè)施工內(nèi)容的碰撞測試，或利用Navisworks Manage 軟件進行多專業(yè)間的碰撞測試，以在施工前及時發(fā)現(xiàn)施工圖紙中的錯誤或專業(yè)間的作業(yè)沖突點，通過事前處理的方式，有效減少施工過程中的工程變更、施工碰撞等情況，從而保證各專業(yè)施工的有序性和高效性。

5 結語

綜上所述，BIM 技術是現(xiàn)階段建筑工程領域最為先進的技術形式，因具有可視性、模擬性、協(xié)調(diào)性等特征，在建筑工程施工中應用，可提高決策和計劃的編制效率與質量、提高多專業(yè)間的協(xié)同工作效率、減少工程變更和返工行為等?；诖?，為更好地保證超高層鋼結構建筑工程的施工品質，施工單位應積極引入和應用BIM 技術，通過可視化呈現(xiàn)、三維建模、深化設計、輔助施工等應用方式，最大程度地發(fā)揮BIM 技術的優(yōu)勢和價值。