姚程淵 陳 燁 吳宣澤 盧 干 王 琦

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

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BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

姚程淵 陳 燁 吳宣澤 盧 干 王 琦

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

以徐州飛虹新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)保障性住宅項目為例，從采光能耗、節(jié)點連接、碰撞檢測、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)清單、施工管理等方面，闡述了BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程全壽命周期中的應(yīng)用，指出BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊。

BIM技術(shù)，鋼結(jié)構(gòu)，采光，節(jié)點模型

1 概述

建筑工業(yè)化是實現(xiàn)建筑產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量可靠、生產(chǎn)高效、全生命周期價值最大化的可持續(xù)發(fā)展的新型建筑生產(chǎn)方式。在這種全新理念支配下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)已成為建筑工業(yè)化的主力軍。然而，裝配式鋼結(jié)構(gòu)往往工程規(guī)模巨大、構(gòu)件種類繁多、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，這給裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計、施工、管理帶來諸多挑戰(zhàn)。BIM(Building Information Modeling，中文譯名:建筑信息模型)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目全生命周期各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，它具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點[1]。通過構(gòu)建建筑信息模型，方便了裝配式鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工、管理及運營維護(hù)，具有巨大應(yīng)用前景。

本文以徐州飛虹新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)保障性住宅項目為背景工程，通過建立BIM 3D模型，對該工程進(jìn)行采光能耗分析、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點模型建立、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)清單管理、施工進(jìn)度模擬等，研究BIM技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)中的具體實踐，推動BIM在建筑工業(yè)化中的應(yīng)用。

2 應(yīng)用案例

2.1 工程概況

徐州飛虹新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)保障性住宅項目，建設(shè)單位為徐州飛虹網(wǎng)架建設(shè)有限責(zé)任公司，建設(shè)地點位于徐州飛虹網(wǎng)架建設(shè)有限責(zé)任公司廠區(qū)內(nèi)，西鄰206國道。本工程為安置房廉租房樣板樓，本項目總建筑面積為1 613.2 m2，廉租房地上3層，樓梯間及設(shè)備用房局部4層，無地下室。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，使用年限50年，抗震設(shè)防烈度為7度，耐火等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類。本工程主要結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)，底部基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆法施工，上部鋼結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配法施工。

2.2 設(shè)計流程

傳統(tǒng)土木工程行業(yè)在2D環(huán)境下進(jìn)行圖紙繪制，建筑、土木、機電等專業(yè)相對獨立繪制工程圖，各個專業(yè)對于工程項目的變更難以做到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。搭建建筑信息模型平臺，將各專業(yè)圖紙數(shù)據(jù)統(tǒng)一在BIM模型中，通過碰撞檢查，有助于協(xié)調(diào)統(tǒng)一解決工程問題[2]。本案例首先在Autodesk Revit 2014軟件中建立3D模型，進(jìn)行項目的采光分析與能耗分析，為建筑最佳朝向及建筑間距提供設(shè)計依據(jù)；之后建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點模型，為新型鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點提供可視化3D圖紙；通過Revit模型，進(jìn)行構(gòu)件生產(chǎn)清單計算，為構(gòu)件生產(chǎn)提供依據(jù)；通過Revit模型與Naviswork軟件的接合，模擬裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工過程，為施工過程管理提供可靠依據(jù)。

2.3 BIM建模

在本案例中，采用Autodesk Revit 2014軟件進(jìn)行BIM建模，針對Autodesk Revit Structure工具軟件的初級用戶和在簡單工程項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計中BIM技術(shù)的應(yīng)用，在本項目實踐過程中提出以下設(shè)計技巧：第一，創(chuàng)建符合個人、團(tuán)體設(shè)計習(xí)慣的項目樣板，定制項目模板，使項目瀏覽器的組織結(jié)構(gòu)、視圖的各項參數(shù)、出圖的基本設(shè)置符合各專業(yè)的繪圖標(biāo)準(zhǔn)和工程師的習(xí)慣，提高設(shè)計效率。第二，在已有族庫的基礎(chǔ)上創(chuàng)建本工程的構(gòu)件族，本工程在保證結(jié)構(gòu)受力性能的前提下為保證建筑空間完整性，力求構(gòu)件不凸出墻體，因此采用了異形束柱及其配套節(jié)點，創(chuàng)建異形束柱族使模型表達(dá)更清晰準(zhǔn)確，更好地模擬了工程構(gòu)件的預(yù)制裝配。第三，明確建筑模型信息深度，做好物理模型與分析模型的可靠對接與管理。本項目后續(xù)要進(jìn)行采光能耗分析，因此需對圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置而建議禁用分析模型以提高模型性能?；谝陨蠈嵺`所得經(jīng)驗，對徐州飛虹新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)保障性住宅項目進(jìn)行BIM模型構(gòu)建，形成完整的BIM模型，見圖1，圖2。

2.4 采光能耗分析

作為綠色建筑的重要評判標(biāo)準(zhǔn)，采光分析與建筑的窗墻比和戶型有關(guān)。采光分析又分為最佳朝向分析和日照間距分析兩大部分。本項目中將對這兩部分分別進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)對建筑進(jìn)行調(diào)整與評判。

應(yīng)用建立的BIM模型進(jìn)行采光分析，評判標(biāo)準(zhǔn)與Revit分析時采用的評判標(biāo)準(zhǔn)一致，即美國LEED標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)要求：75%的經(jīng)常性使用空間滿足在秋分日的上午(本案例采用2010年秋分日即9月21日)9點和下午3點(晴天情況下)的采光照度的最小不低于25尺燭光(約等于270 Lux)，同時最大不高于500燭光(約等于5 400 Lux)。利用模型進(jìn)行分析，角度選取為順時針0°～360°。以10°為分析單位，每隔10°進(jìn)行一次采光分析(見圖3)。

將樓間距定為10 m，并按最佳朝向南北方向排列，所有建筑都為修正過的建筑模型，進(jìn)行有建筑物遮擋時的采光分析(如圖4所示)。

建筑能耗是衡量綠色建筑的一個重要指標(biāo)。Revit軟件中包含“能量分析”和“熱負(fù)荷和冷負(fù)荷分析”兩個能耗分析模塊，通過這兩個模塊對已有模型進(jìn)行分析優(yōu)化。通過優(yōu)化設(shè)計的分析結(jié)果，得出結(jié)論：使用高隔熱層的外墻的冷負(fù)荷與熱負(fù)荷均最低，典型冷氣候隔熱層次之，典型溫和氣候隔熱層最高。可以將之前定義的外墻泡沫夾心混凝土保溫層改為高隔熱層。

2.5 節(jié)點模型建立

為保證裝配式鋼結(jié)構(gòu)的體系穩(wěn)定，需要可靠的節(jié)點連接。隨著研究的深入，近年來提出了許多新型鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點模型，這些新型節(jié)點連接方式，往往由于體系構(gòu)造復(fù)雜、安裝工序繁多而難以被一線工程人員所掌握。通過BIM模型建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點模型(見圖5)，可以提高圖紙的可視化與模擬性，3D模型有助于構(gòu)件生產(chǎn)方對構(gòu)件的理解，也可以輔助施工人員正確安裝構(gòu)件、組裝節(jié)點。本案例以徐州飛虹新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)保障性住宅項目中異形束柱正交節(jié)點為例，應(yīng)用Revit軟件建立3D模型。

2.6 碰撞檢測

裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)、施工都需要做到精密化，構(gòu)件需要嚴(yán)格按照尺寸要求、質(zhì)量要求、位置要求進(jìn)行生產(chǎn)和安裝，BIM模型能夠以整合統(tǒng)一的理念，查找各項沖突列表，減少人工手動檢查所造成的紕漏。通過對三維設(shè)計的高效分析與協(xié)調(diào)，能夠及早預(yù)測和發(fā)現(xiàn)錯誤，進(jìn)行更好的控制，避免因誤算造成的昂貴代價。通過BIM模型，能夠快速、直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙中的多種錯誤，如與標(biāo)高有關(guān)的錯誤、與尺寸有關(guān)的錯誤、與位置有關(guān)的錯誤、與空間布局、管線走向有關(guān)的錯誤。完成碰撞測試之后，可以通過軟件自動生成文本、html格式的報告，模型中存在的沖突通過可視化的逼真渲染圖展現(xiàn)，也可以直接在項目中漫游查看其細(xì)部構(gòu)造(見圖6)。

2.7 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)清單

裝配式鋼結(jié)構(gòu)所需構(gòu)件種類繁多，構(gòu)件生產(chǎn)廠商需要根據(jù)工程需求及時生產(chǎn)相應(yīng)種類的構(gòu)件，并保證運輸與現(xiàn)場堆放要求，因此，需要及時更新準(zhǔn)備預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)清單，通過Revit軟件，能夠及時獲取項目所需要的構(gòu)件清單，并能夠通過Revit軟件實時導(dǎo)出2D圖紙，通過對應(yīng)的尺寸資料、材料資料、安裝資料，保證構(gòu)件生產(chǎn)尺寸與質(zhì)量的精確性，確保構(gòu)件安裝的位置與精度。

2.8 施工模擬

建筑施工是整個項目過程中最為復(fù)雜的階段，由于各種施工要素本身的不確定性，實際施工很難與施工計劃相一致。Navisworks中的Timeliner可以將三維模型數(shù)據(jù)與項目進(jìn)度表相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)四維可視化效果，施工模擬則可以清晰地表現(xiàn)設(shè)計意圖、施工計劃與項目當(dāng)前的進(jìn)展?fàn)顩r?；贐IM的施工計劃主要包括：工程項目的總體立面布置圖、時間欄信息、任務(wù)欄信息、形象圖形信息、標(biāo)注名稱以及工作周期。BIM模型的施工模擬以表現(xiàn)工程施工的整個流程為主，因此具有很強的針對性和說明性[3]。

對于施工模擬主要體現(xiàn)在以下三個方面：1)施工環(huán)境的4D模擬?；诮ㄖ┕さ腂IM模型，對地形、平面與場景的渲染使得整個模型環(huán)境更加具有真實感。2)施工過程的4D模擬。基于Revit軟件創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)施工模型，結(jié)合Navisworks等軟件可以對建筑結(jié)構(gòu)的整個施工工程進(jìn)行可視化的模擬與分析，對每道工序進(jìn)行定義與調(diào)整，實時跟進(jìn)施工進(jìn)度并根據(jù)最新的實際進(jìn)度調(diào)整未來的施工計劃。3)施工方案的優(yōu)化。通過4D的施工過程模擬技術(shù), 可以依據(jù)不同的時間間隔對施工進(jìn)度進(jìn)行正序或逆序的模擬。管理人員可以直觀地觀察到不同時段的工程結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)展和某一施工段或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的詳細(xì)施工狀況,由此可以對多種施工方案的可實施性進(jìn)行比較, 進(jìn)而為施工方法的優(yōu)化提供支持。

3 結(jié)語

將BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)，將建筑信息化與建筑工業(yè)化有機融合，有助于對裝配式鋼結(jié)構(gòu)的各個過程進(jìn)行全壽命周期的信息集成和項目管理，為建筑、土木、機電等不同專業(yè)搭建通用平臺，便于設(shè)計變更與信息交互。通過可視化模型的構(gòu)建，有助于一線工程人員對于結(jié)構(gòu)體系的理解，結(jié)合Navisworks軟件進(jìn)行4D施工進(jìn)程模擬，實現(xiàn)施工計劃的實時調(diào)整與施工方案的優(yōu)化。將建筑信息化模型融入到建筑工業(yè)化中，具有巨大應(yīng)用前景。

[1] 何關(guān)培.BIM總論[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011：10-13.

[2] 宮文軍，曹 楊，鞏俊松.基于BIM技術(shù)的裝配式構(gòu)件系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化[J].安裝，2014(1):55-57.

[3] 李新偉，李 文，樊則森.北京市裝配式公租房實驗樓設(shè)計中的 BIM 應(yīng)用研究[J].建筑技藝，2014(2):94-98.

Application of BIM technology in assembled steel structure

Yao Chengyuan Chen Ye Wu Xuanze Lu Gan Wang Qi

(SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Taking the new prefabricated steel structure affordable housing project in Xuzhou Feihong as an example, from the lighting energy consumption, node connection, collision detection, prefabricated components production list, construction management and other aspects, elaborated the application of BIM technology in prefabricated steel structure engineering whole life cycle, pointed out that BIM technology with visualization, coordination, simulation and other advantages, had board application prospect.

BIM technology, steel structure, lighting, node model

1009-6825(2016)10-0061-02

2016-01-28

姚程淵(1992- )，女，在讀本科生; 陳 燁(1994- )，男，在讀本科生; 吳宣澤(1994- )，男，在讀本科生;

TU391

A

盧 干(1994- )，男，在讀本科生; 王 琦(1993- )，女，在讀本科生