丁于強(qiáng)，王 浩

（1、柳州城市職業(yè)學(xué)院 廣西柳州 545000；2、廣西建工第五建筑工程集團(tuán)有限公司 廣西柳州 545000）

2016 年2 月6 日國務(wù)院印發(fā)了《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》，指出“發(fā)展新型建造方式，大力推廣裝配式建筑”、“積極穩(wěn)妥推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑”［1］。鋼結(jié)構(gòu)建筑具有建設(shè)速度快、抗震性能好、方便工廠制作等優(yōu)點，推廣裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑是推動住宅產(chǎn)業(yè)化的最優(yōu)選擇，對住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義［2］。

鋼結(jié)構(gòu)在我國建筑工程中的應(yīng)用越來越廣泛，各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)也應(yīng)時而生，結(jié)構(gòu)新穎、造型優(yōu)美、跨度大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜；構(gòu)件的制作、安裝精度越來越高［3-4］，傳統(tǒng)的工程質(zhì)量控制手段和施工管理方法已不適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜的裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程施工要求。

本文以某縣運動場項目為載體，以BIM 技術(shù)為技術(shù)手段，以提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工中質(zhì)量控制和施工管理精細(xì)化水平為最終目的，研究BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用，主要研究內(nèi)容包括：BIM 技術(shù)在施工深化設(shè)計、構(gòu)件碰撞檢查、施工技術(shù)交底等方面的問題，為今后BIM 技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 工程概況

某縣運動場建筑為框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計使用年限50 年，建筑面積為12 267 m2，結(jié)構(gòu)層數(shù)為3層，屋面為管桁架懸挑結(jié)構(gòu)。運動場的東西區(qū)（一側(cè)）長141 m，寬46 m，其中鋼結(jié)構(gòu)管桁架總跨度為41.8 m，懸挑跨度為33.6 m。該建筑鋼結(jié)構(gòu)部分為頂部東、西二個空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的獨立罩棚，每側(cè)的鋼結(jié)構(gòu)罩棚平面均呈扇形，分為3個部分；東西兩側(cè)罩棚相向布置。鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系的屋面罩棚與與凝土柱之間為鉸接，桁架節(jié)點與鋼管之間采用焊接節(jié)點直接相貫連接，如圖1所示。

圖1 運動場西、東區(qū)檁條平面Fig.1 Floor Plan of the West and East Purlins of the Sports Field

本項目在施工中存在的難點：

⑴空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件平面二維深化設(shè)計圖復(fù)雜，構(gòu)件加工、制作人員對構(gòu)件加工圖理解錯誤，導(dǎo)致構(gòu)件加工錯誤無法安裝或構(gòu)件加工精度不夠，安裝困難，導(dǎo)致整個構(gòu)件應(yīng)力變化，影響工程質(zhì)量和施工進(jìn)度。

⑵鋼結(jié)構(gòu)的拼裝和安裝精度要求高。因本工程主、次桁架尺寸均較大，為便于后期運輸，故采用“分段加工、分段出廠、現(xiàn)場拼裝”的施工工藝，因此對預(yù)埋件的預(yù)埋、鋼結(jié)構(gòu)拼裝和安裝精度要求非常高。

⑶構(gòu)件重量大跨度大，安裝高度高、吊裝就位困難。該項目運動場看臺鋼管桁架最長跨度40.7 m、最重為43 t、安裝最高高度為27 m，單邊大懸挑結(jié)構(gòu)，吊裝難度極大。

⑷大懸臂結(jié)構(gòu)的整體卸載，卸載實際就是荷載轉(zhuǎn)移過程，在荷載轉(zhuǎn)移過程中，如果變形不協(xié)調(diào)、卸載不均衡，有可能造成臨時支撐超載失穩(wěn)，或者桁架結(jié)構(gòu)局部甚至整體受損。

⑸鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同專業(yè)的構(gòu)配件之間經(jīng)常出現(xiàn)碰撞問題，目前部分設(shè)計院已經(jīng)將建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、水暖等不同專業(yè)綜合在BIM 中進(jìn)行碰撞檢查，取得了不錯的效果。但將BIM 技術(shù)應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)二次深化設(shè)計和現(xiàn)場施工吊裝中的研究相對較少，可借鑒經(jīng)驗不多。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用

本項目從工程方案設(shè)計開始就建立了基于BIM技術(shù)的信息收集、整理和應(yīng)用系統(tǒng)，利用Tekla Structures軟件建立了項目的BIM 模型，并進(jìn)行該項目空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工圖設(shè)計和深化設(shè)計；并基于構(gòu)件加工單位的現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的構(gòu)件加工能力和施工機(jī)具的現(xiàn)場的吊裝能力，對模型進(jìn)行合理拆分，將BIM 模型導(dǎo)入物料平臺，生成二維碼對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、安裝等全過程管控，通過使用BIM技術(shù)提前對項目進(jìn)行建模深化及碰撞檢查。利用BIM 場地布置、BIM 5D等工具軟件進(jìn)行施工現(xiàn)場平面布設(shè)、施工管理等應(yīng)用。從方案設(shè)計到施工圖設(shè)計、到深化設(shè)計、到施工工藝模擬、到施工現(xiàn)場總評布置、到施工進(jìn)度管理、到竣工驗收、到后期運維等，最終形成完整的工程竣工信息模型，完成工程全生命周期的信息管理。

2.1 BIM技術(shù)應(yīng)用流程（見圖2）

圖2 BIM技術(shù)應(yīng)用流程Fig.2 Building Information Modeling Technology Application Flow Chart

2.2 鋼結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建

使用BIM 軟件允許多人協(xié)同作業(yè)的特點，較快地建立本工程的建筑、結(jié)構(gòu)、水電一體的工程建筑信息模型，并將關(guān)鍵重要信息輸入到該模型中。如結(jié)構(gòu)材質(zhì)信息、構(gòu)件尺寸標(biāo)號信息、節(jié)點連接信息等（見圖3）。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)BIM模型Fig.3 The Building Information Modeling of Steel Structure

根據(jù)項目建設(shè)方案比對結(jié)果，選用“空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)”體系，在建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)電、給排水設(shè)計時盡量選擇專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件族庫。桁架構(gòu)件選型時充分考慮構(gòu)件生產(chǎn)、構(gòu)件運輸、構(gòu)件現(xiàn)場吊裝，易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工業(yè)化生產(chǎn)和裝配化施工。

2.3 碰撞檢查

將各專業(yè)模型連接拼裝完成后的模型導(dǎo)入navisworks 進(jìn)行整合，通過navisworks 中精確錯誤查找功能，快速查閱各專業(yè)模型之間的硬碰撞、軟碰撞、凈空沖突與時間沖突，并完成記錄檢查中發(fā)現(xiàn)的所有碰撞和沖突，在規(guī)劃和設(shè)計階段消除解決后續(xù)施工中可能面臨的問題。

BIM 技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的碰撞檢測功能是非常明顯的優(yōu)勢。在生產(chǎn)加工的過程中，對鋼結(jié)構(gòu)模型的相關(guān)信息實施碰撞測試，可以不斷調(diào)整優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)字化模型；在施工流程中，對于鋼結(jié)構(gòu)的建筑工程而言，連接節(jié)點位置的選取、預(yù)留孔洞的精確性等，BIM 技術(shù)都可以增加整個鋼結(jié)構(gòu)的合理性，極大程度上保證了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計制造的質(zhì)量，提升鋼結(jié)構(gòu)的加工和安裝水平。

2.4 主體鋼結(jié)構(gòu)二次深化設(shè)計

鋼架結(jié)構(gòu)二次深化設(shè)計即鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制作技術(shù)人員將鋼結(jié)構(gòu)施工圖中構(gòu)件位置、構(gòu)件截面與內(nèi)里分布、節(jié)點構(gòu)造及設(shè)計技術(shù)要求和設(shè)計施工規(guī)范規(guī)定，并根據(jù)構(gòu)件加工廠的實際生產(chǎn)條件和現(xiàn)場施工條件，并充分考慮運輸能力、吊裝能力和安裝能力，采用BIM 技術(shù)對構(gòu)件進(jìn)行分段，并將構(gòu)件的詳細(xì)尺寸、連接方法、布置位置等精確的表現(xiàn)三維信息模型中，從而解決了構(gòu)件重量大跨度大，安裝高度高、吊裝就位困難的難題；最后利用Tekla Structures 軟件具有將三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖形的功能，輸出詳細(xì)的二維加工圖紙，以便構(gòu)件生產(chǎn)和安裝人員通過二維加工圖清楚領(lǐng)會設(shè)計意圖，準(zhǔn)確制造和安裝相應(yīng)構(gòu)件。

2.5 輸出加工圖

經(jīng)過碰撞檢查和二次深化設(shè)計后的鋼結(jié)構(gòu)施工圖，可避免在施工過程中因施工圖錯誤造成的重大損失。將各專業(yè)檢查審核無誤的建筑三維信息模型，利用Tekla Structures軟件中具有的將建筑三維信息模型轉(zhuǎn)化為二維圖形的功能，轉(zhuǎn)化輸出為DWG 文件，便于在CAD軟件上查看、交流和打印。雖然轉(zhuǎn)化輸出的二維加工圖與三維信息模型是關(guān)聯(lián)的，但修改建筑三維信息模型后需要重新輸出，保證二維施工圖與建筑三維信息模型的一致性和準(zhǔn)確性［5-6］。

3 模擬施工

3.1 基于BIM平臺的施工方案編制

在項目施工方案編制過程中，充分利用建筑信息模型BIM 技術(shù)來評估施工組織設(shè)計與施工方案中施工現(xiàn)場場地布置、交叉施工、流水作業(yè)、施工安全等是否符合相關(guān)規(guī)范的要求。利用BIM 技術(shù)對空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)特別是鋼結(jié)構(gòu)各節(jié)點的細(xì)節(jié)進(jìn)行推敲、演示，詳細(xì)分析構(gòu)件加工制作和現(xiàn)場施工中可能遇到的問題。使用Midas Gen 有限元軟件對其進(jìn)行施工前模擬施工分析（見圖4），解決了大懸臂結(jié)構(gòu)的整體卸載可能導(dǎo)致失穩(wěn)的問題，加快了施工建模速度，確保了施工過程的結(jié)構(gòu)安全。方案編制階段借助BIM 技術(shù)、通過模擬施工、分析對比各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，綜合評價各施工解決方案的優(yōu)缺點，為項目決策機(jī)構(gòu)選擇施工安全有保障、經(jīng)濟(jì)效益好、施工質(zhì)量優(yōu)、施工進(jìn)度能滿足業(yè)主需求的項目施工方案提供技術(shù)支持。

圖4 模擬施工分析技術(shù)Fig.4 Simulated Construction Analysis Techniques

3.2 基于BIM技術(shù)的模擬施工和技術(shù)交底

基于BIM 技術(shù)中的三維可視化功能，以BIM 模型的三維虛擬建造為指導(dǎo)模擬項目實施全過程。通過將施工項目BIM 模型與施工進(jìn)度計劃、資金投入相關(guān)聯(lián)，將項目數(shù)字空間信息與時間信息、成本信息整合在一個可視的5D（3D+time+Cost）模型中，可以直觀精確地反映整個項目的建造過程。基于BIM 的5D 施工模擬技術(shù)可以在項目建造過程中合理地進(jìn)行場地布置、科學(xué)制定施工計劃、精確掌握施工進(jìn)度，優(yōu)化使用施工資源，對整個工程的施工進(jìn)度、投入、質(zhì)量、安全進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，達(dá)到以提高質(zhì)量、控制工期、降低造價、工期合理、保證安全的目標(biāo)。

利用BIM 三維虛擬建造虛擬施工三維動畫進(jìn)行技術(shù)交底，通過虛擬現(xiàn)實，給人以真實感和直接的視覺沖擊，配合演示及施工階段調(diào)整實施方案，項目管理人員對工程都有了較為直觀的了解，三維技術(shù)交底提高了交底的質(zhì)量，與業(yè)主的溝通更加順暢［7-8］?？梢暬夹g(shù)交底解決了傳統(tǒng)枯燥的交底單中不愿看、看不懂、記不住，交底流于形式的頑疾，有利于施工人員直觀領(lǐng)悟一些復(fù)雜施工工藝，讓其能真正看到、聽到、說到、做到，提高建筑從業(yè)人員的整體素質(zhì)，奠定企業(yè)文明施工、安全生產(chǎn)的良好基礎(chǔ)。解決了空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件平面二維深化設(shè)計圖復(fù)雜，因?qū)?gòu)件加工、制作人員、安裝人員技術(shù)交底不清，導(dǎo)致構(gòu)件加工錯誤無法安裝或構(gòu)件加工精度不夠、安裝困難、影響工程質(zhì)量和施工進(jìn)度的問題。

3.3 基于BIM平臺的施工管理

項目管理中心應(yīng)用BIM 5D 平臺與遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合實施進(jìn)度動態(tài)管理，實現(xiàn)進(jìn)度可視化實時監(jiān)控［9-10］?，F(xiàn)場管理人員可以通過網(wǎng)頁端或手機(jī)端查看實時信息，簡易高效，方便管理人員合理制定進(jìn)度計劃、資源投入計劃。借助BIM 5D 質(zhì)量管理系統(tǒng)搭建項目體系化質(zhì)量管理平臺，實現(xiàn)項目施工質(zhì)量的全方位、實時性、動態(tài)化監(jiān)管，輔助企業(yè)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)有效落地。質(zhì)檢員通過手機(jī)端將在工程施工質(zhì)量巡檢過程中所發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題及時上傳到平臺，并在BIM 5D 模型中進(jìn)行標(biāo)注；其他項目管理人員對實時收到的質(zhì)量問題進(jìn)行全過程跟蹤，督促相關(guān)施工參與方及時整改消除質(zhì)量隱患，從而保障工程項目高質(zhì)量交付。

在BIM 虛擬建造虛擬施工中確定現(xiàn)場作業(yè)中安全隱患較多的位置或工序，并將其在BIM 模型中進(jìn)行標(biāo)注，將存在安全隱患的位置信息錄入BIM 5D 安全管理信息系統(tǒng)平臺，指導(dǎo)施工過程中的現(xiàn)場安全管理。在實際施工過程中，通過云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，和傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場安全檢查將施工現(xiàn)場有安全防護(hù)設(shè)施損壞、施工作業(yè)不規(guī)范等安全隱患及時錄入BIM 5D 安全管理信息系統(tǒng)平臺，并發(fā)給相對應(yīng)的管理部門，責(zé)令整改；實現(xiàn)安全管理過程可追溯、結(jié)果可分析，不讓風(fēng)險轉(zhuǎn)化成隱患，不讓隱患轉(zhuǎn)化成事故［11］。

4 結(jié)語

⑴運用BIM 技術(shù)建立的鋼結(jié)構(gòu)模型不僅在方案論證過程中起到重要作用，而且提高了二次深化設(shè)計的準(zhǔn)確性，完善了加工圖，保證了構(gòu)件生產(chǎn)的準(zhǔn)確性。

⑵在鋼結(jié)構(gòu)吊裝術(shù)交底過程中也能發(fā)揮三維模型交底工人的優(yōu)勢，現(xiàn)場管理人員攜帶移動平板電腦將BIM 模型帶到現(xiàn)場，對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的吊裝情況模擬施工進(jìn)行快速檢查核對，提升工人施工工藝技術(shù)的同時，達(dá)到了管理升級、效能提升、節(jié)約時間成本的目的。

⑶BIM 技術(shù)在施工過程及前期的構(gòu)件制作過程中，在三維模擬、進(jìn)度管理、質(zhì)量交底、安全文明施工等方面都發(fā)揮了重大作用。

隨著BIM 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工程深化設(shè)計中的應(yīng)用，其構(gòu)件的生產(chǎn)過程中加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制、成本壓縮、施工安全等方面有著重大的發(fā)揮空間。未來BIM數(shù)字化技術(shù)將更科學(xué)更廣泛地應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)工程中，進(jìn)一步推動我國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)更好地發(fā)展。