邢占清

（1.中鋼設(shè)備有限公司，北京 100080；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM )于21 世紀(jì)被提取首字母“BIM”命名使用。Autodesk 公司于2009 年提出，BIM 技術(shù)主要目的是通過(guò)一個(gè)可以覆蓋整個(gè)建筑工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目全生命周期的信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工程階段、不同建筑行業(yè)之間的信息數(shù)據(jù)庫(kù)和信息共享系統(tǒng)相互集成和信息資源共享。也可以說(shuō)BIM 記錄工程建筑全生命周期的數(shù)據(jù)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，具有可視化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化性的諸多特點(diǎn)。BIM 絕不是一個(gè)軟件，也不是一類軟件，從多方面考慮問(wèn)題，某些意義上更像一個(gè)活的平臺(tái)，而充分發(fā)揮BIM 技術(shù)搭建信息共享平臺(tái)，真正利用好BIM 技術(shù)，涉及的軟件也許將多達(dá)幾十個(gè)。美國(guó)Dana K.Smith （美國(guó)Building SMART 主席）在“Building Information Modeling-A Strategic Implementation Guide for Architects，Engineers，Constructors and Real Estate Asset Managers”中提出：“依靠一個(gè)軟件解決所有問(wèn)題的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了”。

1 冶金行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn)

2021 中國(guó)粗鋼產(chǎn)量10.33 億t，冶金行業(yè)相關(guān)企業(yè)超過(guò)2500 家。冶金工程工藝流程復(fù)雜，主要可劃分為：原料廠、燒結(jié)廠、球團(tuán)廠、煉鐵煉鋼廠、軋鋼廠等產(chǎn)品線，決定了其建、構(gòu)筑物形式復(fù)雜多樣的特點(diǎn)。以冶金行業(yè)內(nèi)體量相對(duì)較小的燒結(jié)工程為例，從混勻礦、燃料、熔劑接受開始至成品燒結(jié)礦出廠為止，包括配料、混合及制粒、鋪底與布料、點(diǎn)火、燒結(jié)與冷卻、抽風(fēng)及除塵、燒結(jié)礦篩分、成品輸出。工程主要建筑構(gòu)筑物就有，燃料破碎室、配料室、一次混合室、二次混合室、燒結(jié)室、環(huán)冷機(jī)、成品篩分整粒室、燒結(jié)煙氣循環(huán)、通廊轉(zhuǎn)運(yùn)站等內(nèi)容，形式多樣，關(guān)系復(fù)雜，部分冶金行業(yè)建構(gòu)筑如圖1 所示。

圖1 冶金行業(yè)建構(gòu)筑物

鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)，大空間，安裝快速，循環(huán)使用、建筑污染少等諸多優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的企業(yè)優(yōu)先使用，建筑主體材料除基礎(chǔ)、地溝、少數(shù)特殊結(jié)構(gòu)外實(shí)現(xiàn)全鋼結(jié)構(gòu)化，鋼結(jié)構(gòu)工程在冶金行里的比重越來(lái)越大。

2 BIM 技術(shù)與鋼結(jié)構(gòu)工程的結(jié)合手段

冶金行業(yè)巨大的鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)、使用產(chǎn)生了巨量數(shù)據(jù)信息。有效使用和管理這些數(shù)據(jù)，可以在設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)維階段，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的節(jié)約以及對(duì)環(huán)境的保護(hù)，為工業(yè)建設(shè)和運(yùn)維增添一抹綠色。另外一個(gè)方面，冶金行業(yè)結(jié)構(gòu)形式多樣，規(guī)則性差，為針對(duì)如此體量單體或者構(gòu)件、零件高效的管理，使用，追蹤，統(tǒng)計(jì)甚至后期的維護(hù)，可以通過(guò)BIM 技術(shù)的應(yīng)用來(lái)對(duì)傳統(tǒng)的狀況轉(zhuǎn)型升級(jí)。

BIM 與鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)合可以基于在項(xiàng)目project 的模塊下建立鋼結(jié)構(gòu)的模型，建模方法可以有多種，目前國(guó)內(nèi)比較主流有Revit、Bentley，Tekla，其中Revit和Bentley 以適用于工程建設(shè)各專業(yè)和各階段，功能更豐富，而Tekla 更具有專業(yè)性，在鋼結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建、深化中更具有優(yōu)勢(shì)。

Revit 的特色在于除了可以繪制建筑物的模型以外，還賦予了對(duì)象額外的屬性數(shù)據(jù)、完整的生命周期管理。作為一項(xiàng)BIM 軟件，Revit 也提供了IFC（Industry Fundation Classes）共通格式檔案的匯入與導(dǎo)出功能，以利不同軟件之間的互通有無(wú)。

Bentley 運(yùn)用MicroStation 本身良好的繪圖能力，加入工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等其他參數(shù)，讓CAD 圖轉(zhuǎn)變成具有屬性的構(gòu)件，有效整合2D、3D 的設(shè)計(jì)數(shù)量計(jì)算數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行運(yùn)用，再結(jié)合其他MicroStation的buliding 系列附加模塊擴(kuò)充使用，讓其BIM 有更多擴(kuò)展運(yùn)用。

Tekla 專于建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行精細(xì)的結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)與操作，例如詳細(xì)的鋼筋配置、檢查、分析等，并能產(chǎn)生所需的數(shù)量明細(xì)表，工程時(shí)間軸功能仿真各個(gè)不同工程階段的模型變化。還有其他一些國(guó)外和國(guó)內(nèi)及新開發(fā)的軟件，越來(lái)越多的軟件供使用者選擇工程的不同階段，不同參與者可以選擇更加匹配的軟件。

3 BIM 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工程具體應(yīng)用

3.1 應(yīng)用BIM 技術(shù)建立鋼結(jié)構(gòu)三維模型

BIM 模型軟件可以應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)模型的建立，通過(guò)其豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)設(shè)置，匹配各種工程標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)不同的路徑及接口建立鋼結(jié)構(gòu)模型。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)工程中，工程人員建立二維模型后，需要通過(guò)數(shù)據(jù)分析、資料匹配甚至想象空間上的關(guān)系。在BIM 上鋼結(jié)構(gòu)工程人員可以直觀三維，對(duì)構(gòu)件所有的問(wèn)題一目了然。本公司在國(guó)外某綜合鋼廠項(xiàng)目中采用Tekla 軟件建立的備品備件庫(kù)車間模型，如圖2 所示。

圖2 備品備件庫(kù)車間模型

通過(guò)該模型可以清晰地看到整體的造型，構(gòu)件的相互關(guān)系，對(duì)設(shè)計(jì)的深化階段提供強(qiáng)有力的支撐，目前國(guó)內(nèi)外很多鋼結(jié)構(gòu)公司都開始采用該軟件。綜合鋼廠項(xiàng)目中建立的皮帶機(jī)通廊鋼結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖3 所示。

3.2 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同化

工程的多樣化以及各個(gè)專業(yè)的空間爭(zhēng)奪變得越來(lái)越激烈，工程優(yōu)化空間壓縮意味著工程量的壓縮，意味著工程造價(jià)的節(jié)省。鋼結(jié)構(gòu)工程人員需要結(jié)合甲方及前期方案要求準(zhǔn)備工藝資料，包括但不限于總圖、土建、通風(fēng)、熱力、電氣、水道、儀表等內(nèi)容，繁雜而多變，工程期間反復(fù)交叉，造成參與者工作量的幾何級(jí)增加。當(dāng)不同的專業(yè)及不同的人設(shè)置不同的內(nèi)容，甚至同一個(gè)使用者采用不同參數(shù)的構(gòu)件甚至只需要一個(gè)單一的軟件或者一個(gè)單一的專業(yè)已經(jīng)不能體現(xiàn)整個(gè)情形。而BIM 基于所有數(shù)據(jù)集合的情況下可以隨時(shí)模擬出來(lái)相關(guān)情況和參數(shù)。例如，在某鋼柱子邊通過(guò)有熱力等專業(yè)管道，某些時(shí)候鋼結(jié)構(gòu)參與者由于某些原因需要調(diào)整柱子截面時(shí)候，其可以直觀觀測(cè)到空間的情況，不用再和其他的管道專業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)的溝通。在土耳其某鋼廠鼓風(fēng)機(jī)站項(xiàng)目中，公司數(shù)字項(xiàng)目負(fù)責(zé)人發(fā)現(xiàn)了某地方管道與鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)碰撞，直接截圖發(fā)送地址給相關(guān)方，清晰直接地標(biāo)明了問(wèn)題地點(diǎn)，和相互關(guān)系。這一點(diǎn)及鋼結(jié)構(gòu)細(xì)部深化，零構(gòu)件加工制作及鋼材的合理利用方面提供了數(shù)據(jù)和參數(shù)支持。

3.3 應(yīng)用BIM 技術(shù)模型分析、圖紙及計(jì)算數(shù)據(jù)同源輸出

鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的計(jì)算分析是一個(gè)不斷重復(fù)及優(yōu)化的過(guò)程。BIM 技術(shù)具備更加準(zhǔn)確的計(jì)算能力、更加龐大的信息處理能力及更加強(qiáng)大的模型展現(xiàn)力，保證了工程分析更加貼近客觀現(xiàn)實(shí)，更精準(zhǔn)。需要輸出使用的內(nèi)容包括有施工圖圖紙、施工圖詳圖、施工材料量表、計(jì)算結(jié)果文本，甚至在不太的需要者需要不同類型的輸出內(nèi)容。工程技術(shù)人員可以根據(jù)BIM 模塊輸出相應(yīng)的圖紙、圖表計(jì)算書。BIM 不僅提高了復(fù)雜建筑的二維圖紙的準(zhǔn)確性，還可以把其應(yīng)用于圖紙優(yōu)化及個(gè)性化圖紙定制，將圖紙的可模擬性和可優(yōu)化性的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值表現(xiàn)出來(lái)，避免傳統(tǒng)的計(jì)算與圖紙的分裂，更加一致。研究發(fā)現(xiàn)，利用BIM 技術(shù)，設(shè)計(jì)階段總工期減少了33%；由于圖紙錯(cuò)誤導(dǎo)致的變更降低約85%；成本測(cè)算時(shí)間減少80%；圖紙深化設(shè)計(jì)時(shí)間縮短約60%；各專業(yè)協(xié)同工作、交流時(shí)間減少25%；施工整體質(zhì)量提升83%；建筑物資節(jié)約8%；人工成本減少10%；縮短施工工期8%[1]。

3.4 BIM 技術(shù)應(yīng)用于制造、安裝方案模擬

鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目制造施工有非常準(zhǔn)確及很多重要的安裝過(guò)程需要預(yù)拼裝。施工方案需反復(fù)推敲。工程中經(jīng)常出現(xiàn)例如安裝某部分結(jié)構(gòu)后，相關(guān)部分沒(méi)有空間、無(wú)法安裝，安裝方向顛倒等情況。BIM 在模型建立后可以根據(jù)施工設(shè)定順序，模擬安裝過(guò)程，對(duì)關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬，能夠通過(guò)三維建筑模型反復(fù)推演實(shí)際情況模擬施工順序、施工方案，并根據(jù)模擬情況完善施工方案，通過(guò)專業(yè)施工的方式確保項(xiàng)目順利開展，并確保材料的分配、勞動(dòng)力職責(zé)劃分更加清晰，從而高效、經(jīng)濟(jì)地開展工作。

3.5 工程進(jìn)展、驗(yàn)收的精準(zhǔn)化

鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目執(zhí)行中，由于鋼材價(jià)格隨市場(chǎng)波動(dòng)迅速，工程管理人員對(duì)工程進(jìn)度和現(xiàn)場(chǎng)材料及后續(xù)工程速度非常關(guān)心，僅僅依靠文字描述、圖片對(duì)比，很難直觀地反應(yīng)施工進(jìn)度及人財(cái)物消耗情況，加上在實(shí)際中受惡劣天氣、方案修改、人機(jī)配合等情況的影響，工程的實(shí)際進(jìn)展程度也會(huì)影響導(dǎo)致工程量的增減、進(jìn)度調(diào)整沒(méi)有一個(gè)量化的能力。BIM 可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置迅速實(shí)現(xiàn)剩余工程量的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的施工條件預(yù)估進(jìn)度和工程配置，為管理層提供可靠的決策依據(jù)，優(yōu)化施工配置和施工進(jìn)度，節(jié)省人力物力財(cái)力。比如鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造、通過(guò)三維空間的碰撞檢查及根據(jù)檢查。在工程驗(yàn)收時(shí)候，BIM 技術(shù)為工程材料信息的采集提供了全面有效的集成手段，利用該技術(shù)將工程材料的采購(gòu)時(shí)間、出場(chǎng)廠家、入場(chǎng)時(shí)間等信息添加到三維模型中，并伴隨著施工進(jìn)程不斷更新材料信息，將施工實(shí)際使用材料信息與采購(gòu)材料信息一一對(duì)應(yīng)，這樣一旦工程某處出現(xiàn)問(wèn)題，查找問(wèn)題原因時(shí)也有據(jù)可循；另一方面，可實(shí)時(shí)查詢構(gòu)件的消耗情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的科學(xué)化管理，提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

冶金行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)工程形式多種多樣，有高跨鋼結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)、型鋼平臺(tái)、橋架管廊、球形罐體、漏斗、圓倉(cāng)、方倉(cāng)等形式[2-5]。其體量大，小則幾千噸鋼材，多則幾萬(wàn)噸；費(fèi)用高，鋼材本身價(jià)格較高、且安裝難度大，危險(xiǎn)系數(shù)高。涉及專業(yè)人員廣，構(gòu)件數(shù)量廣，安全影響廣。然而通過(guò)采用BIM 技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、細(xì)化設(shè)計(jì)深度、模擬施工過(guò)程、精準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)等模塊功能，可以有機(jī)的把工程的全生命周期展現(xiàn)出來(lái)，避免項(xiàng)目執(zhí)行中各個(gè)階段、各個(gè)人員之間零星分散產(chǎn)生的各種問(wèn)題，從而節(jié)約時(shí)間、人力和財(cái)力。在工業(yè)4.0 時(shí)代，通過(guò)BIM 技術(shù)引用力爭(zhēng)把鋼結(jié)構(gòu)工程變得精細(xì)化、數(shù)字化、智能化、為冶金工程的綠色低碳化添磚加瓦，鑒于BIM 技術(shù)應(yīng)用軟件繁多，應(yīng)用水平良莠不齊，應(yīng)用規(guī)程也在不斷的規(guī)范[6-7]。要想真正把BIM 技術(shù)在未來(lái)的工程中應(yīng)用好，發(fā)揮出大功效，各工程專業(yè)人員和國(guó)家工程管理還應(yīng)不斷探索。