建筑信息模型技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

摘 要：為了解決裝配式鋼框架建筑的信息化和數(shù)字化建造運(yùn)維問題，以甘肅省某體育館工程為研究對象，運(yùn)用BIM技術(shù)建立三維建筑信息模型，提出了基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-施工-運(yùn)維一體化集成技術(shù)，并在施工階段提出了全專業(yè)協(xié)同一體化應(yīng)用技術(shù)，有效解決了裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工中存在的多專業(yè)交叉、工序復(fù)雜、施工管理困難等問題。結(jié)果表明，所提出的集成技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)有效地保障了項(xiàng)目的順利驗(yàn)收，大幅降低了工程造價(jià)和縮短了工程建設(shè)周期，提高了工程質(zhì)量，積累了工程數(shù)字資產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：建筑工程；BIM技術(shù)；裝配式建筑；鋼結(jié)構(gòu)；一體化集成技術(shù)；全專業(yè)協(xié)同

1 前言

目前，傳統(tǒng)的建筑業(yè)正從粗放型、勞動密集型和低端制造型向高端信息化、機(jī)械化和智能化的新型建筑模式轉(zhuǎn)型升級[1]。在我國推進(jìn)建筑工業(yè)4.0的背景下，鋼結(jié)構(gòu)建筑具有天然的預(yù)制和裝配特點(diǎn)，具備工業(yè)化建造和智能化建造的優(yōu)勢[2]。在裝配式建筑中，BIM技術(shù)提供了一個(gè)三維可視的數(shù)字建造模式，參與主體之間可以在信息交互平臺中進(jìn)行協(xié)同工作，充分發(fā)揮各個(gè)專業(yè)的協(xié)同效應(yīng)，對鋼結(jié)構(gòu)建筑全生命周期的信息流進(jìn)行管控，以BIM模型為載體，從策劃管理、深化設(shè)計(jì)、施工階段模擬、場地布置、精準(zhǔn)算量和5D進(jìn)度管理等都能夠提供海量的過程信息，避免了二維圖紙?jiān)诟鱾€(gè)環(huán)節(jié)傳遞路徑中出現(xiàn)效率不高和信息理解偏差的問題[3-5]。

本文以甘肅省某體育館工程為研究對象，在分析工程施工的重難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出以BIM技術(shù)的信息化手段處理工程施工問題，達(dá)到智慧化建造的目的，研究成果可以運(yùn)用于復(fù)雜大跨度的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、施工和管理，可為智能建造、智慧施工提供一定的參考。

2工程概況

甘肅省某體育館工程總建筑面積為24000 m2，分為東、西2個(gè)場館，主要設(shè)計(jì)為游泳館和籃球館，東側(cè)為游泳館，西側(cè)為籃球館，如圖1所示。建筑平面大致為長方形，平面長度為160 m，平面寬度為90 m，可以提供5800個(gè)觀眾席位，2個(gè)50 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)游泳池。建筑場館采用鋼框架結(jié)構(gòu)修建，鋼結(jié)構(gòu)總量5800 t，鋼梁共有780根，鋼箱梁立柱105根，鋼斜柱50根。鋼箱梁立柱采用Q355B鋼材，規(guī)格為400 mm×400 mm×2 mm；鋼斜柱采用Q355C鋼材，四面向外傾斜81°，規(guī)格為1400 mm×1000 mm×35 mm，屋面為焊接性球形網(wǎng)架。

綜合分析工程特點(diǎn)和難點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)深度對結(jié)構(gòu)的安裝制作和施工質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，且由于建筑物存在斜向鋼柱，結(jié)構(gòu)的受力狀況和安裝方案需要借助軟件進(jìn)行進(jìn)一步的深化和計(jì)算。結(jié)構(gòu)的安裝構(gòu)件數(shù)量多，傾斜構(gòu)件的安裝精度要求較高，因此，需要借助信息化的管理手段和技術(shù)手段，對構(gòu)件安裝過程的精度進(jìn)行測量、校正和拼裝。

體育場館的跨度較大，結(jié)構(gòu)體系受力復(fù)雜，控制結(jié)構(gòu)的定位吊裝、合理安排施工進(jìn)度等都是傳統(tǒng)施工建造中所面臨的困難，如果借助BIM技術(shù)的可視化、優(yōu)化性和模擬性，則可以大幅度提高施工的效率，降低施工過程的難度，并對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和施工方案模擬[6]。為了適應(yīng)建筑工程的信息化、數(shù)字化施工建造，項(xiàng)目基于BIM技術(shù)對裝配式鋼結(jié)構(gòu)的全過程、全要素進(jìn)行集成一體化應(yīng)用，打通虛擬建造和實(shí)體建造過程的通道，實(shí)現(xiàn)裝配鋼結(jié)構(gòu)體系建筑一體化建造[7]。

3裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-施工-運(yùn)維一體化集成技術(shù)與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕和強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，充分利用鋼結(jié)構(gòu)的受力性能，可以大幅度提高建筑的開間和跨度，并且鋼結(jié)構(gòu)材料施工裝配速率高、現(xiàn)場施工作業(yè)少，更容易實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化?；谛畔⒕W(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字仿真技術(shù)和機(jī)械化裝配技術(shù)，可對裝配式建筑在設(shè)計(jì)制造、運(yùn)輸安裝、施工運(yùn)維、拆除回收等所有環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、智能化建造、自動化運(yùn)維和人工智能優(yōu)化。以BIM技術(shù)為核心，以鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)化和工業(yè)化為基礎(chǔ)，改變傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑施工的粗放化現(xiàn)狀，打破虛擬建造和實(shí)體建造之間的壁壘。為此，項(xiàng)目提出基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-施工-運(yùn)維一體化集成技術(shù)。

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，梳理裝配式鋼結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成元素，建設(shè)和開發(fā)相關(guān)的部品庫和族庫，基于建立的體育場館BIM平臺，在技術(shù)策劃階段、方案設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段、詳圖深化設(shè)計(jì)階段和施工階段，全方位滲透設(shè)計(jì)要素，BIM模型中的設(shè)計(jì)部品部件與實(shí)體構(gòu)件相互結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、可擴(kuò)延和可兼容，在不同的設(shè)計(jì)階段與設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位、審圖單位等進(jìn)行協(xié)同化工作，在結(jié)構(gòu)專業(yè)中可以提供計(jì)算分析、正向設(shè)計(jì)，施工現(xiàn)場指揮建造。裝配式鋼結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)階段的工作流程如圖2所示。

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)階段，基于BIM模型可以精確地提取項(xiàng)目所需鋼材料的構(gòu)件類型、構(gòu)件數(shù)量和構(gòu)件規(guī)格等信息，以制定更為精細(xì)的生產(chǎn)任務(wù)，提高生產(chǎn)效率和減少材料浪費(fèi)。在生產(chǎn)工藝流程上，可以基于鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)、詳圖深化設(shè)計(jì)系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，與數(shù)控機(jī)床等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合集成，直接從模型中提取數(shù)據(jù)，進(jìn)行鋼構(gòu)件的切割、彎折和鉆孔，并對生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化，加快生產(chǎn)速度和提高構(gòu)件加工的精度[8]。項(xiàng)目也針對鋼龍骨、鋼立柱和鋼斜柱開發(fā)了一套基于Unity 3D的建模系統(tǒng)，可以適用于鋼結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)修改、數(shù)據(jù)庫存儲等。具體的裝配式鋼結(jié)構(gòu)加工一體化流程如圖3所示。

在裝配式建筑施工階段，主要在傳統(tǒng)的施工工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行，對裝配式鋼結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行部品集成化，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)追蹤各個(gè)構(gòu)件的施工過程。在施工時(shí)圍繞BIM模型開展各個(gè)專業(yè)的工作，協(xié)同建筑、結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備各專業(yè)的施工進(jìn)度，預(yù)留工作結(jié)構(gòu)，并以顏色方案解決膨脹問題，即用不同的顏色來標(biāo)注不同的構(gòu)件或施工進(jìn)度，以便于識別和管理。在施工工序、施工工藝、施工周期、施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)等問題上進(jìn)行技術(shù)交底，并按照全天候攝像頭或航拍影像獲得的現(xiàn)場實(shí)景進(jìn)行施工安裝進(jìn)度管理，記錄、存儲施工數(shù)據(jù)，比較實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)可視化的項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量和成本協(xié)同管理[9-11]。

在裝配式建筑運(yùn)維階段，圍繞設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工形成的數(shù)字資產(chǎn)，將運(yùn)維管理與BIM模型進(jìn)行協(xié)同和一體化集成，構(gòu)建運(yùn)維管理平臺，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)部品部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測、查詢、保修。BIM技術(shù)提供的強(qiáng)大可視化功能可以及時(shí)定位設(shè)備的故障位置，提供歷史運(yùn)維信息，將數(shù)字資產(chǎn)與真實(shí)場景之間進(jìn)行連接，提供維修信息的查詢和應(yīng)急仿真模擬功能，提升裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體品質(zhì)和水平。

4裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的全專業(yè)協(xié)同一體化應(yīng)用技術(shù)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)的施工涵蓋了多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域和繁雜的工序。具體到結(jié)構(gòu)專業(yè)，其施工設(shè)計(jì)不僅涉及多種工藝，這些工藝的選用還直接影響到整個(gè)項(xiàng)目的順利進(jìn)行。以裝配式鋼結(jié)構(gòu)的安裝為例，它可采用的方法包括高空原位安裝法、整體頂升安裝法以及整體吊裝法等。因此，為了確保施工的順利進(jìn)行和高效完成，各個(gè)專業(yè)子系統(tǒng)之間的全方位合作和協(xié)同配合顯得尤為關(guān)鍵[12]。

在信息化處理手段中，各個(gè)子系統(tǒng)為獨(dú)立存在的子系統(tǒng)，通過BIM平臺的信息集成，形成更大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。綜合項(xiàng)目的建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、室內(nèi)裝修等專業(yè)類別，提出全專業(yè)協(xié)同一體化應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)中包含了若干子系統(tǒng)，主要為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)以及內(nèi)裝系統(tǒng)，在技術(shù)策劃階段、方案設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段、深化設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)各個(gè)專業(yè)的模數(shù)與模數(shù)協(xié)調(diào)、模塊與模塊組合，逐步遞進(jìn)與交叉，提高設(shè)計(jì)施工工作效率，縮短建設(shè)周期和減少資源浪費(fèi)。基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑全專業(yè)系統(tǒng)一體化應(yīng)用技術(shù)如圖4所示。

5結(jié)論

通過對甘肅省某體育館工程的研究，運(yùn)用BIM技術(shù)建立三維建筑信息模型，并在分析工程施工的重難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑8c580b4403b276ef9d02db98c7432232設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-施工-運(yùn)維一體化集成技術(shù)，得到以下幾個(gè)重要結(jié)論：

（1）通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑全生命周期中信息壁壘的有效解決。這包括在設(shè)計(jì)制造、運(yùn)輸安裝、施工運(yùn)維、拆除回收等所有環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、智能化建造、自動化運(yùn)維和人工智能優(yōu)化，從而顯著提高了整個(gè)項(xiàng)目的管理效率和質(zhì)量。

（2）提出的全專業(yè)系統(tǒng)一體化應(yīng)用技術(shù)，確保了裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工過程中各個(gè)專業(yè)子系統(tǒng)之間的全方位合作和協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)了信息的互聯(lián)互通。這不僅有效保障了項(xiàng)目的順利驗(yàn)收，而且大大降低了工程造價(jià)，縮短了工程建設(shè)周期，提高了工程質(zhì)量，并積累了寶貴的工程數(shù)字資產(chǎn)。

（3）本研究的成果不僅適用于復(fù)雜大跨度的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、施工和管理，也為智能建造和智慧施工提供了重要的參考價(jià)值。這表明，BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有廣泛的前景和深遠(yuǎn)的影響。

綜上所述，本研究不僅驗(yàn)證了BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的實(shí)用性和有效性，還為未來類似項(xiàng)目的實(shí)施提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。

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作者簡介：何成生（1987.09-），男，漢族，甘肅武威人，本科，工程師，研究方向：工程項(xiàng)目管理。