周健宇

（中交第四航務(wù)工程局有限公司， 廣東 廣州 510290）

鋼結(jié)構(gòu)不同其他傳統(tǒng)建筑材料，其自身具有強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)重量小、延性好等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。具體來說，其相較于混凝土這另一種建筑工程中常見的材料，具有以下幾點(diǎn)的優(yōu)勢：（1）現(xiàn)場施工工作量小。鋼結(jié)構(gòu)主要通過工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼接的方式來形成結(jié)構(gòu)主體，因此其主要環(huán)節(jié)在于預(yù)制廠生產(chǎn)，而對于現(xiàn)場所涉及到的工作量則十分有限，因此可以大大降低人工需求并縮短建設(shè)工期，在商業(yè)建筑的建設(shè)中具有十分顯著的效益優(yōu)勢。（2）造型多樣。鋼結(jié)構(gòu)具有十分突出的強(qiáng)度與延性，是一類柔性結(jié)構(gòu)，這就使得鋼結(jié)構(gòu)能夠形成許多混凝土結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)的外形設(shè)計，尤其是在大跨度結(jié)構(gòu)中有著很好的表現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)對于空間跨度的限制[2]。此外，鋼構(gòu)件的生產(chǎn)采用工廠預(yù)制的方式，能夠精準(zhǔn)地實現(xiàn)復(fù)雜或非規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造，并有利于同型號構(gòu)件的大批量流水線生產(chǎn)，以此大大提高建筑外形設(shè)計的上限[3]。

1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)存問題

1.1 設(shè)計內(nèi)容繁多復(fù)雜

近些年，我國建筑工程的發(fā)展逐步傾向于功能更多元、空間更大、居住更舒適的方向，這就對建筑配套的各項設(shè)備提出了更高、更多的要求，因此項目涉及內(nèi)容也越來越多、覆蓋的范圍也越來越廣，包括了建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、暖通等方面[4]。但各個設(shè)計內(nèi)容之間又存在著千絲萬縷的關(guān)系，需要合理安排使其協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，才能夠最大程度地發(fā)揮其預(yù)期功能。但是在目前的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，各個設(shè)計內(nèi)容之間相對較為獨(dú)立，若其中任意一部分需要變動，其往往會牽涉到其他涉及內(nèi)容的不協(xié)調(diào)甚至沖突，嚴(yán)重的甚至還會導(dǎo)致建設(shè)項目在質(zhì)量與成本上的損害。譬如，當(dāng)技術(shù)人員對方案展開分析發(fā)現(xiàn)其材料用量超出預(yù)期，導(dǎo)致項目效益降低，并將修改意見反饋至結(jié)構(gòu)設(shè)計方對建筑開展結(jié)構(gòu)調(diào)整，修改完成后又需要交與排水、暖通等附屬設(shè)備的設(shè)計方開展細(xì)化調(diào)整，最后再返回進(jìn)行材料用量評價，若其仍不滿足要求則又將循環(huán)以上流程。這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)無疑會大大增加不必要的工作量，導(dǎo)致效率的低下與工期的延誤[5]。

1.2 不同工種構(gòu)件的碰撞

如上文所述，鋼結(jié)構(gòu)建筑所涉及到的設(shè)計內(nèi)容十分復(fù)雜，同時其設(shè)計工作也較為獨(dú)立，大多采用不同的設(shè)計媒介同步進(jìn)行，這就會導(dǎo)致在不同工種的設(shè)計方案中很容易出現(xiàn)構(gòu)件空間位置的碰撞。具體來說，建筑設(shè)計其主要目的是優(yōu)化建筑各層的規(guī)劃與布置，并依照甲方要求完成建筑物造型的設(shè)計，并生成三維模型以供展示，其主要采用的設(shè)計平臺為CAD、3DsMax等軟件；而建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容則主要包括了各承重構(gòu)件的尺寸、材料、位置等，并基于此分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部各位置的應(yīng)力水平，驗算其強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定等指標(biāo)是否滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，該過程主要采用PKPM等軟件進(jìn)行計算；而對于建設(shè)項目整體的經(jīng)濟(jì)效益、施工組織、工程量，則主要由預(yù)算設(shè)計來完成，其主要采用廣聯(lián)達(dá)、LEED等。但受到軟件類型、隸屬公司等的制約，其設(shè)計數(shù)據(jù)大多不能實現(xiàn)互導(dǎo)，這就造成在不同的設(shè)計內(nèi)容中設(shè)計人員的工作開展只能顧及自身，難以完成相互信息的交流，因此不同構(gòu)件在空間上很容易導(dǎo)致相互碰撞，甚至在附屬設(shè)備設(shè)計中存在對承重結(jié)構(gòu)的破壞，埋下安全隱患[6]。

1.3 未考慮實際施工中的偏差問題

鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工可大致歸為工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼接兩個大的部分，實踐表明決定建筑質(zhì)量的關(guān)鍵在于拼接環(huán)節(jié)的人工作業(yè)。為了便于運(yùn)輸、裝配，鋼結(jié)構(gòu)建筑的預(yù)制構(gòu)件大多尺寸較小且數(shù)量繁多，但構(gòu)件在轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝、焊接等階段往往會受到外界作用而發(fā)生材料變形或位置偏移。雖然這些誤差較小，但由于構(gòu)件數(shù)量較多，經(jīng)過大量的累積便會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)不可忽略的偏差。此外，焊接工序存在的應(yīng)力集中問題也是結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)偏差的一個重要原因。如果在設(shè)計階段未對這些影響因素進(jìn)行有效的控制或者留有足夠的裕度，將導(dǎo)致工程實際的質(zhì)量遠(yuǎn)低于設(shè)計預(yù)期[7]。

1.4 缺乏可靠的成本控制

不同于傳統(tǒng)建筑，鋼結(jié)構(gòu)建筑在建設(shè)成本的控制上往往難度更大。以采用鋼結(jié)構(gòu)殼體結(jié)構(gòu)的國家大劇院為例，按照其設(shè)計方案，該建設(shè)項目的預(yù)算約為25億元。但在建設(shè)過程中受到多種因素的影響，最終實際總成本達(dá)到了30.67億元，較設(shè)計提升了五分之一，同樣的問題也常常出現(xiàn)在小體量的鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)項目中。建設(shè)成本的增加不僅不利于工程的順利開展，同時還將影響開發(fā)商的資金流動，甚至出現(xiàn)爛尾樓問題，對社會造成負(fù)擔(dān)?？傮w來說，這些問題主要是由于鋼結(jié)構(gòu)建筑在設(shè)計時未能全面地考慮建設(shè)條件與項目運(yùn)營，缺乏可靠的成本控制機(jī)制，導(dǎo)致在施工階段產(chǎn)生各種各樣設(shè)計之外的支出[8]。

2 BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中的應(yīng)用

針對于目前在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中暴露出的問題，設(shè)計人員可有針對性地開展深化設(shè)計。簡單來說，深化設(shè)計即是借助于高新設(shè)計軟件實現(xiàn)設(shè)計的可視化，并以此來幫助設(shè)計人員判斷設(shè)計方案是否存在碰撞問題、節(jié)點(diǎn)連接是否可靠、建設(shè)成本是否在可接受范圍內(nèi)。近些年，BIM技術(shù)得到了快速的發(fā)展與推廣，并在鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計中取得了一定應(yīng)用[9]。BIM技術(shù)即是借助于智能化管理手段，對建筑項目從規(guī)劃、招投標(biāo)、設(shè)計、施工、運(yùn)營、維護(hù)等全過程開展動態(tài)的監(jiān)管與調(diào)節(jié)，并通過相應(yīng)的軟件實現(xiàn)對各個環(huán)節(jié)的串聯(lián)與協(xié)調(diào)，其憑借自身智能化、科學(xué)化、高效化的優(yōu)勢在建筑行業(yè)得到了越來越多的關(guān)注。基于上文列舉的設(shè)計問題，在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計，BIM技術(shù)的應(yīng)用可主要?dú)w為以下幾個方面。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容整合

在BIM技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般采用Tekla Structures進(jìn)行分析，借助于該軟件可以實現(xiàn)對鋼構(gòu)件的全面設(shè)計。在該軟件中導(dǎo)入建筑平面設(shè)計的基本參數(shù)即可生成具有直觀效果的三維模型，以此來彌補(bǔ)二維平面圖對于空間位置判斷的不便。此外，在該軟件中還可根據(jù)建筑受力類型的不同建立粗略的模型用于設(shè)計方案合理性的初步判斷。在完善暖通、電氣等附屬設(shè)計后該軟件還可以進(jìn)一步完成對設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)效益驗算，并提供修改意見。相較于傳統(tǒng)設(shè)計最大的區(qū)別即是打破了不同設(shè)計軟件之間的阻隔，可將多個設(shè)計內(nèi)容整合至一個平臺完成，極大地精簡設(shè)計流程、縮短設(shè)計周期，此外還有利于設(shè)計方案的合理性判定。通過這一變動，不僅能夠緩解傳統(tǒng)設(shè)計中存在的設(shè)計獨(dú)立問題，同時也有利于建筑合理性的提升，全面改善項目設(shè)計水平。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件碰撞處理

BIM技術(shù)能夠生成具有直觀效果的可視化模型，彌補(bǔ)了平面設(shè)計方案在空間位置表達(dá)上的缺陷。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中常用的梁柱、樓板、樓梯、管線等都可以通過navis works完成其空間位置上的碰撞檢測，以此來幫助設(shè)計人員在設(shè)計初期就規(guī)避可能存在的碰撞問題，盡可能地規(guī)避因空間布置不合理導(dǎo)致的方案變更，并間接降低項目風(fēng)險。對于存在碰撞問題的情況，設(shè)計人員還可以借助BIM技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，譬如在某部位先進(jìn)行一大尺寸構(gòu)件的作業(yè)，造成空間上的阻擋，使得后續(xù)施工缺乏必要的作業(yè)面，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件返工，在這樣的情況下BIM技術(shù)能夠?qū)κ┕み^程進(jìn)行模擬，并在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置預(yù)留孔洞，為后續(xù)作業(yè)的開展建立良好的條件。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)施工偏差處理

BIM技術(shù)是一項跨越項目全周期的管理技術(shù)，其不僅可以用于前期的輔助設(shè)計，同時還能夠在后續(xù)的施工過程中進(jìn)行持續(xù)的指導(dǎo)。具體來說，在施工時可將實際的施工參數(shù)導(dǎo)入至BIM平臺中，并通過對應(yīng)的軟件完成其施工質(zhì)量的評價，若其不符合要求，軟件將反饋校正意見。此外，BIM技術(shù)也可以對鋼構(gòu)件的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行溯源，并生成具有一定可視化功能的模型，對實際施工過程進(jìn)行動態(tài)模擬。對于實際施工中的誤差，經(jīng)過處理后將傳遞給設(shè)計人員，便于其對方案做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。以徐州奧體中心的建設(shè)為例，其技術(shù)人員通過BIM技術(shù)對建筑的核心部件展開管理，在設(shè)計方案與實際模型的可視化比對中實現(xiàn)了施工的實時指導(dǎo)與科學(xué)校正。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)施工成本控制

在鋼結(jié)構(gòu)建筑的傳統(tǒng)設(shè)計中，對于建設(shè)成本、工程量的管理主要是通過廣聯(lián)達(dá)來完成的，但該軟件僅對工程各項參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)分析，而欠缺對于市場動態(tài)等外界環(huán)境的判斷與調(diào)整。在BIM技術(shù)中，則引入了時間這一參考要素，通過對材料成本、方案改動、工程進(jìn)度等動態(tài)因素的分析實現(xiàn)對成本的精確計算。此外BIM技術(shù)也可對多種方案進(jìn)行成本比對，選擇具有最佳經(jīng)濟(jì)性、功能性的構(gòu)件尺寸及數(shù)量，以此來達(dá)到優(yōu)化方案的目的。同樣以徐州市奧體中心為例，該項目所涉及到的鋼構(gòu)件主要為箱型彎扭構(gòu)件、變截面圓錐管以及大直徑彎弧管，經(jīng)過BIM技術(shù)的模擬核算，可以得到各構(gòu)件上各個位置的應(yīng)力水平。在此指導(dǎo)下完成施工作業(yè)，其可以大大提升結(jié)構(gòu)布置的合理性，同時也能極大地規(guī)避潛在的施工風(fēng)險，避免返工的發(fā)生。鋼結(jié)構(gòu)施工成本控制除了需要合理利用BIM技術(shù)外，還要求設(shè)計人員對于市場走向有著準(zhǔn)確的把握，并以此及時調(diào)整方案，提高成本控制的準(zhǔn)度。

3 結(jié)束語

總的來說，在功能要求多樣化、建設(shè)技術(shù)科學(xué)化的工程背景下，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計亟待做出改變，以此來適應(yīng)行業(yè)快速發(fā)展的需求。其中BIM技術(shù)作為一項具有突出智能性的全周期管理技術(shù)，在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中具有突出的優(yōu)勢，不僅能夠很好地改善構(gòu)件碰撞問題，還能夠?qū)κ┕し桨缸鞒龊侠淼闹笇?dǎo)，優(yōu)化建設(shè)項目的綜合效益，具有十分顯著的研究價值與應(yīng)用潛力。