BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用 ①

□□ 任 媛

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030006)

引言

伴隨著世界范圍內(nèi)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字信息技術(shù)推動(dòng)了各個(gè)行業(yè)的飛速進(jìn)步,特別是對(duì)于以建設(shè)行業(yè)為主體的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō),數(shù)字信息技術(shù)可以讓建設(shè)行業(yè)煥發(fā)出新的生機(jī),還可以讓建筑制造業(yè)水平得到持續(xù)改善與提高。在建筑行業(yè)中,目前廣泛使用的有BIM(Building Information Modeling建筑信息化模型)技術(shù)。同時(shí),建筑業(yè)正面對(duì)著重大的變革和創(chuàng)新,其中最為典型的是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的興起,它具備強(qiáng)大的集成化和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等方面的特征,并且各國(guó)對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的關(guān)注程度越來(lái)越高,已出臺(tái)了許多相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn),有效地促進(jìn)了建筑業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。因此,將BIM技術(shù)應(yīng)用到裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工中是目前建筑行業(yè)發(fā)展與研究的重點(diǎn)之一。

1 BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.1 構(gòu)件信息建模

1.1.1構(gòu)件族庫(kù)建立

隨著BIM技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,構(gòu)件信息建模是裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)步驟。構(gòu)件族庫(kù)的建立是構(gòu)件信息建模的重要部分,其中包括構(gòu)件參數(shù)設(shè)置和構(gòu)件族生成。在構(gòu)件參數(shù)設(shè)置中,需要根據(jù)需求設(shè)定構(gòu)件的幾何信息、材料信息和連接方式等參數(shù)[1];在構(gòu)件族生成中,需要根據(jù)不同的構(gòu)件規(guī)格及其形式,生成相應(yīng)的構(gòu)件族,并保存于庫(kù)中,以便在后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中,可以直接調(diào)用庫(kù)中已有的構(gòu)件族,使設(shè)計(jì)及施工流程更為高效。構(gòu)件族庫(kù)的建立應(yīng)考慮其可維護(hù)性和可管理性?？删S護(hù)性主要體現(xiàn)在構(gòu)件信息的定期更新和管理,如有新的構(gòu)件規(guī)格或參數(shù)需要更新,可及時(shí)進(jìn)行更新并保存于庫(kù)中;可管理性主要體現(xiàn)在庫(kù)的分類和組織,如將構(gòu)件族按照類型、規(guī)格和材料等分門別類組織,方便后續(xù)的調(diào)用和使用。在構(gòu)件族庫(kù)建立的過(guò)程中,需要結(jié)合項(xiàng)目需求和要求,合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容,以實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)、可維護(hù)和可管理的目的功能。

1.1.2構(gòu)件族參數(shù)設(shè)置

在構(gòu)件族參數(shù)的設(shè)置應(yīng)根據(jù)裝配式鋼結(jié)構(gòu)的具體形式和功能來(lái)制定。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,將設(shè)計(jì)參數(shù)加入構(gòu)件族中,并進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和驗(yàn)證。構(gòu)件信息建模是鋼結(jié)構(gòu)建筑BIM設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用之一,因而構(gòu)件族參數(shù)的設(shè)置必須準(zhǔn)確而全面地建立構(gòu)件基本信息,包括構(gòu)件名稱、物料編號(hào)、焊縫/螺栓編號(hào)、構(gòu)件截面、構(gòu)件質(zhì)量、材料規(guī)格和構(gòu)件間關(guān)系等。同時(shí),通過(guò)BIM軟件對(duì)構(gòu)件進(jìn)行三維建模,實(shí)現(xiàn)圖形化和可視化的設(shè)計(jì)效果,方便構(gòu)件管理和施工排版,提高工作效率。

1.2 單元結(jié)構(gòu)空間建模

通過(guò)BIM建模軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行三維建模,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單元結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)、模擬與優(yōu)化。BIM模型還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工程建模結(jié)果的協(xié)同,提高溝通效率,并減少誤差。在單元結(jié)構(gòu)空間建模過(guò)程中,應(yīng)使用合適的BIM軟件,并進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)設(shè)置,以保證建模結(jié)果的精確性和一致性,并對(duì)建模過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行有效管理,保障建模數(shù)據(jù)的安全性和供應(yīng)鏈的可追溯性。同時(shí),建立相應(yīng)的BIM技術(shù)培訓(xùn)和應(yīng)用體系,提高設(shè)計(jì)和施工人員的使用水平,加快該技術(shù)在行業(yè)中的推廣和應(yīng)用。

1.3 荷載信息建模

荷載信息模型是BIM模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中,往往需要考慮多種荷載信息,如各種氣候條件下的風(fēng)荷載、雪荷載和自重,以及建筑物使用過(guò)程中的各種靜荷載和動(dòng)荷載等。因而建模荷載信息對(duì)于建筑設(shè)計(jì)及施工至關(guān)重要,應(yīng)減少荷載信息的疏漏,提高建筑物的安全性和可靠性。在BIM軟件中,通常使用參數(shù)化的形式建模荷載信息,可便于設(shè)計(jì)人員和工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行可視化分析和協(xié)作。荷載信息模型的建立通常需要進(jìn)行類型分類、參數(shù)設(shè)定、位置安排以及載荷值的確定。針對(duì)不同類型的荷載需定義不同的荷載類別,如靜態(tài)荷載、動(dòng)態(tài)荷載、短期荷載和長(zhǎng)期荷載等。在BIM軟件中,設(shè)計(jì)人員可以利用荷載類別來(lái)設(shè)定荷載的屬性和參數(shù),如載荷方向、大小和分布模式等,使得荷載模型更加準(zhǔn)確和完備。此外,在荷載信息模型中,應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和荷載值的確定。

1.4 模型協(xié)同

1.4.1模型鏈接

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,模型鏈接是BIM技術(shù)的主要應(yīng)用之一。利用BIM技術(shù)將設(shè)計(jì)所需的鋼結(jié)構(gòu)模型和相關(guān)數(shù)據(jù)鏈接在一起,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息和資源的共享,提高了設(shè)計(jì)和施工效率。通過(guò)模型鏈接,設(shè)計(jì)人員可以快速而準(zhǔn)確地獲取所需材料數(shù)量和規(guī)格,進(jìn)而進(jìn)行施工過(guò)程中的預(yù)算、計(jì)劃和分配等工作。模型鏈接還可以幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)模型間的協(xié)作和一致性,避免在建模過(guò)程中出現(xiàn)不一致和失誤,提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。設(shè)計(jì)人員通過(guò)模型鏈接可以將設(shè)計(jì)模型與其他相關(guān)模型進(jìn)行集成,并在設(shè)計(jì)過(guò)程中及時(shí)檢查設(shè)計(jì)參數(shù)的一致性,減少失誤和重復(fù)工作。施工人員可以利用鏈接模型快速確定施工方案,提高了現(xiàn)場(chǎng)施工效率。在施工過(guò)程中,模型鏈接可以授權(quán)工程管理人員隨時(shí)查看施工圖紙和材料清單,方便設(shè)計(jì)人員和施工人員之間的溝通協(xié)作和協(xié)作。

1.4.2模型共享

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)和施工中,模型協(xié)同是BIM技術(shù)的主要應(yīng)用之一。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中,模型協(xié)同包括了各種設(shè)計(jì)方案的協(xié)同、相互影響的分析以及構(gòu)件之間的碰撞檢測(cè)等。模型共享是為了讓設(shè)計(jì)人員和施工人員使用相同的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)建筑信息的互通和共享。除了模型協(xié)同和模型共享之外,BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)和施工中還可以應(yīng)用于模型構(gòu)建、變形分析、材料預(yù)測(cè)和施工模擬等方面。通過(guò)建立精確的數(shù)學(xué)模型,可以分析并預(yù)測(cè)不同工況下的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及其變形情況。BIM技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的預(yù)測(cè)功能可幫助設(shè)計(jì)人員選擇恰當(dāng)?shù)牟牧?從而達(dá)到建筑節(jié)能和耐久的目標(biāo)。

1.5 模型分析

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,模型分析是非常關(guān)鍵的一步。模型分析目的在于捕捉設(shè)計(jì)建筑的荷載響應(yīng)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,可以通過(guò)有限元等方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)建模,并獲得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)。此外,模型分析可以進(jìn)行構(gòu)件的設(shè)計(jì)優(yōu)化,提高鋼結(jié)構(gòu)的整體性能?；贐IM模型的預(yù)測(cè)及模擬可以快速獲得各種荷載模型的響應(yīng),如動(dòng)態(tài)荷載、地震荷載、溫度及溫差荷載等,根據(jù)模擬分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,可節(jié)約用材且提升結(jié)構(gòu)性能。

1.6 模型檢查

在鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中,模型檢查是BIM技術(shù)常用功能之一。通過(guò)對(duì)建筑信息模型的數(shù)據(jù)檢查,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題,包括建模錯(cuò)誤、構(gòu)件缺失及數(shù)據(jù)沖突等,從而提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中的特殊要求,可以通過(guò)定制化檢查鋼結(jié)構(gòu)模型中的問(wèn)題,幫助設(shè)計(jì)人員在較短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)工作,減少因設(shè)計(jì)失誤帶來(lái)的損失。

2 BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 構(gòu)件加工圖信息提取

加工圖是裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件生產(chǎn)的依據(jù)。提取其信息能夠提升加工效率和減少誤差。BIM技術(shù)可以直接從模型中獲取加工圖信息,避免人工提取加工圖的繁瑣過(guò)程。其將模型導(dǎo)入BIM軟件中,提取鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何、數(shù)量和材質(zhì)等信息,生成對(duì)應(yīng)的加工圖。在提取過(guò)程中,先做好模型的準(zhǔn)確性和完整性的校驗(yàn)。BIM技術(shù)還能夠?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件生產(chǎn)管理工作提供支持,如基于模型的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)原料用量和產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)等。利用BIM技術(shù)可以使制造過(guò)程更高效,有助于提高構(gòu)件質(zhì)量。BIM技術(shù)可以在制造過(guò)程中追蹤產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)并控制進(jìn)度,在施工現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)構(gòu)件拼裝和監(jiān)測(cè)等工作。

2.2 構(gòu)件的工廠生產(chǎn)

2.2.1數(shù)控加工

為了滿足裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑高品質(zhì)和高精度等要求,BIM技術(shù)已被引入構(gòu)件數(shù)控加工過(guò)程。利用BIM模型對(duì)零部件進(jìn)行分組以及構(gòu)件的制造、加工、運(yùn)輸、組裝等過(guò)程進(jìn)行全程的跟蹤管理[2],可以有效減少加工過(guò)程中的誤差,提高加工精度和效率,減少不合格構(gòu)件數(shù)量,降低生產(chǎn)成本。此外,BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)操作的聯(lián)動(dòng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝配狀態(tài),加強(qiáng)對(duì)裝配質(zhì)量的可控性,確保裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)和BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠和現(xiàn)場(chǎng)的良好銜接,提升生產(chǎn)速度。該方法可以在工廠中實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn),將嵌板、加筋板、柱和梁等鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件按照“一體化”技術(shù)進(jìn)行加工,提高了構(gòu)件的加工速度和精度。

2.2.2物流管理

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工廠生產(chǎn)中,BIM技術(shù)可用于物流管理。BIM技術(shù)可建立三維虛擬模型,將構(gòu)建過(guò)程中所需材料和設(shè)備信息集成到模型中。將這些信息用于物流流程設(shè)計(jì),可優(yōu)化裝配的順序和時(shí)間。BIM技術(shù)還可在供應(yīng)鏈中跟蹤物流流程,通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)物流運(yùn)作的順暢和高效。BIM技術(shù)可基于物流流程進(jìn)行模擬,以預(yù)測(cè)日常生產(chǎn)中的物流流程,從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)效率。

3 BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工中的應(yīng)用

由于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的母材、節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件尺寸精度要求較高,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量容易產(chǎn)生誤差,因而使用BIM技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)可以大大提高精度,減少誤差,并縮短施工周期;使用BIM技術(shù)可以降低人力資源的投入,減少人為失誤,保障施工質(zhì)量,提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。在現(xiàn)場(chǎng)安裝中,BIM技術(shù)可以在施工前依據(jù)3D模型對(duì)施工方案進(jìn)行深入分析,為現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo),提高施工效率[3];通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)為現(xiàn)場(chǎng)員工提供可視化的培訓(xùn)和指導(dǎo),提前做好風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的識(shí)別;可借助掃描儀及移動(dòng)設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理,快速反饋施工現(xiàn)場(chǎng)信息,提升現(xiàn)場(chǎng)決策的效率。由此可見(jiàn),在裝配式鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工中,BIM技術(shù)可以提高施工精度、效率和安全性,降低施工成本,提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工水平。

4 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)、構(gòu)件廠生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)施工中具有極大的應(yīng)用價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。通過(guò)BIM技術(shù)可對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的空間布局、構(gòu)件拼接和鋼材用量等進(jìn)行優(yōu)化,有效降低施工成本。在現(xiàn)場(chǎng)施工中,BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)管理和施工進(jìn)度可視化跟蹤,提高施工質(zhì)量和效率。通過(guò)應(yīng)用BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及施工過(guò)程中的高效、精準(zhǔn)管理,并為建筑行業(yè)向數(shù)字化、智能化和綠色化方向發(fā)展建立良好的基礎(chǔ)。