BIM與數(shù)字化加工技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

范學(xué)寧，湯 杰，鄭愛武，曾凡奎

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710021)

BIM與數(shù)字化加工技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

范學(xué)寧，湯 杰，鄭愛武，曾凡奎

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710021)

將BIM與數(shù)字化加工技術(shù)集成應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，實現(xiàn)構(gòu)件自動化加工，能有效縮短項目工期，實時掌握項目進(jìn)度。本文介紹了BIM 與數(shù)字化技術(shù)的集成原理及其在鋼結(jié)構(gòu)加工中的具體應(yīng)用，這對鋼構(gòu)件的加工過程具有指導(dǎo)性作用。

BIM技術(shù)；數(shù)字化加工；集成應(yīng)用；鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代化工程的引領(lǐng)者，因其自重輕、施工簡便、強(qiáng)度高等特點，廣泛應(yīng)用于大型廠房、場館、超高層等建筑領(lǐng)域。迄今為止，我國采用鋼結(jié)構(gòu)的建筑項目不在少數(shù)，且多被譽(yù)為建筑奇觀。但由于現(xiàn)代化建筑的外觀奇特、造型復(fù)雜，國產(chǎn)型鋼及鋼管的型號、品種和質(zhì)量很難滿足建筑要求，且鋼材焊接性能差、成本高，制約了我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。

在建筑信息化和數(shù)據(jù)共享化的大時代發(fā)展趨勢下，運用BIM和數(shù)字化加工技術(shù)輔助鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和施工，能有效解決傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑面臨的問題[1-2]。本文主要探討了BIM與數(shù)字化加工集成技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況，這對提高鋼材生產(chǎn)率和質(zhì)量、降低項目成本有重要意義。

1 BIM與數(shù)字化技術(shù)集成原理

BIM技術(shù)集成了工程項目各相關(guān)信息，是設(shè)施物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá)。數(shù)字化加工是利用生產(chǎn)設(shè)備對已經(jīng)建立的數(shù)字模型進(jìn)行產(chǎn)品加工。BIM與數(shù)字化加工的結(jié)合就是將BIM模型中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字化加工所需的數(shù)字模型，生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)該模型進(jìn)行數(shù)字化加工[3]，其集成應(yīng)用主要體現(xiàn)在BIM模型的深化設(shè)計和鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化加工兩個階段，數(shù)字化加工原理如圖1所示。

圖1 數(shù)字化加工原理

在BIM模型的深化設(shè)計階段，要求數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、多元化和關(guān)聯(lián)化。標(biāo)準(zhǔn)化是模型深化設(shè)計的基本要求，能確保數(shù)據(jù)的有效性，主要對鋼材牌號、截面、零構(gòu)件屬性以及圖紙的輸出、存檔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化過程管理。多元化能提供查看多種信息的途徑，如CAD圖紙可提供構(gòu)件的設(shè)計數(shù)據(jù)，材料清單可查看施工所需資源。BIM與數(shù)字化加工結(jié)合，通過BIM模型將安裝圖、制造圖關(guān)聯(lián)起來，各類數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，突破了傳統(tǒng)信息交流模式中信息傳遞的障礙，可以直觀地向施工人員展示工程的相關(guān)信息[4]。

鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化加工階段，可直接從BIM模型中提取零件的屬性信息(材質(zhì)、型號)、可加工信息(尺寸、孔洞)等原始數(shù)據(jù)信息，同時從企業(yè)物料數(shù)據(jù)庫中提取所需的材料信息，通過二次開發(fā)鏈接企業(yè)的物料數(shù)據(jù)庫，調(diào)用物料庫存信息進(jìn)行排版套料，并根據(jù)實際使用的數(shù)控設(shè)備選擇不同的數(shù)控文件格式，對結(jié)果進(jìn)行輸出。其加工的結(jié)果可以反饋到BIM模型中，對施工信息進(jìn)行添加和更新操作。

2 BIM與數(shù)字化技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)加工中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用階段

BIM與鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化加工技術(shù)集成應(yīng)用主要體現(xiàn)在深化設(shè)計、材料管理、構(gòu)件制造和現(xiàn)場安裝4個流程階段。

深化設(shè)計階段，先按照項目要求進(jìn)行批次劃分和工期計劃編制，并據(jù)批次對圖紙文件送審，審核合格后利用Tekla Structures和Auto CAD軟件對鋼構(gòu)件進(jìn)行三維實體建模，如圖2所示。鋼結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計3D展示如圖3所示。鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計如圖4所示。

圖2 鋼構(gòu)3維模型圖

圖3 細(xì)部3D圖

圖4 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計圖

材料管理階段。根據(jù)上述生成的清單文件編制材料采購計劃，將計劃文件導(dǎo)入施工過程管理軟件中生成材料采購訂單，進(jìn)行訂單發(fā)放并組織材料采購。材料進(jìn)場后，對訂單材料進(jìn)行驗收入庫，并將材料檢驗表文件上傳到管理軟件內(nèi)，與原材料信息進(jìn)行綁定。

構(gòu)件制造階段。利用數(shù)字化加工軟件SionCAM從BIM模型中提取原始加工數(shù)據(jù)信息，從企業(yè)物料數(shù)據(jù)庫中提取所需的材料信息，根據(jù)實際使用的數(shù)控設(shè)備對構(gòu)件進(jìn)行生產(chǎn)加工。

現(xiàn)場安裝階段。使用BIM模型對施工過程進(jìn)行控制，從圖紙文檔管理模塊中下載文檔查看構(gòu)件信息，并在生產(chǎn)管理模塊及時更新構(gòu)件的發(fā)運和到場信息以及在安裝現(xiàn)場的最新施工狀態(tài)，形成最終竣工模型。

2.2 具體應(yīng)用點

(1)模型自動化處理。

利用Revit軟件對深化設(shè)計模型的結(jié)構(gòu)節(jié)點、預(yù)留管洞等信息進(jìn)行碰撞檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行模型二次優(yōu)化與調(diào)整。例如在桁架層位置建模時，應(yīng)調(diào)整各桿件之間的碰撞，并對連接節(jié)點進(jìn)行優(yōu)化，保證安裝施工的精確定位[5]；在管線線路與鋼梁的交叉位置，預(yù)留孔洞并保證安裝精度。深化設(shè)計模型確定后，無損導(dǎo)入鋼結(jié)構(gòu)BIM平臺絲線模型數(shù)據(jù)、清單、詳圖等文件，為后續(xù)施工管理提供精細(xì)化模型支持。

(2)資源集約化管理。

所謂資源集約化管理，主要體現(xiàn)在材料快速盤點管理、建立常備材料庫以縮短材料周轉(zhuǎn)周期，以及使用混合排料提高材料利用率。在鋼結(jié)構(gòu)BIM數(shù)字化加工平臺中，通過使用物聯(lián)網(wǎng)無線射頻識別技術(shù)(掃描材料二維碼)，實時檢查和更新項目材料的精確位置和狀態(tài)，減少人工統(tǒng)計工作量，避免人工統(tǒng)計誤差，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、高效材料盤點管理，并將信息及時上傳BIM數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，可自動生成各類材料清單報表，提高材料使用的準(zhǔn)確性和時效性。

(3)工程可視化管理。

通過對施工人員、機(jī)械、材料的施工過程信息進(jìn)行綁定，結(jié)合項目工期計劃，形成全方位數(shù)據(jù)庫，為過程管理提供數(shù)據(jù)支撐。用掃描機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)建造全過程跟蹤管理。同時還可利用BIM平臺的拓展功能，進(jìn)行制造和安裝階段的工序拆分、細(xì)化編碼，實現(xiàn)施工全生命期的工序管理。并可以將所采集的構(gòu)建加工、運輸、安裝情況等以不同的顏色在BIM模型上進(jìn)行顯示，使工程進(jìn)度更加直觀。通過對施工全過程可視化管理，將施工現(xiàn)場各階段信息同步到BIM平臺，有利于管理者實時掌握項目施工狀態(tài)，建立工期計劃和過程糾偏機(jī)制，確保項目順利實施。

3 BIM與數(shù)字化技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)加工中的應(yīng)用意義

3.1 提升建設(shè)效率和經(jīng)濟(jì)效益

BIM技術(shù)與數(shù)字化加工的集成應(yīng)用，能對信息進(jìn)行實時、快速、精細(xì)化管理和準(zhǔn)確傳遞，實現(xiàn)了建筑業(yè)的工業(yè)化發(fā)展。基于BIM模型對鋼構(gòu)件3維設(shè)計和裝配模擬，全程追蹤材料的采購、制造、運輸、存放和安裝[6]，為建筑工業(yè)化過程管理提供了良好的方法。利用BIM模型數(shù)據(jù)和數(shù)字化加工的自動集成，替代傳統(tǒng)的“平面圖紙——深化設(shè)計——加工制造”流程，提高了建筑構(gòu)件的加工效率。

3.2 促進(jìn)建筑業(yè)信息化發(fā)展

BIM技術(shù)與鋼結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合，將使現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)建造進(jìn)入全面信息化管理模式，通過各方在協(xié)作信息平臺上的全過程參與，改變傳統(tǒng)管理方式。使鋼結(jié)構(gòu)建筑市場的發(fā)展向自動化、工業(yè)化、信息化和集成化邁進(jìn)。同時，鋼結(jié)構(gòu)工程以綠色、低碳和節(jié)能為顯著優(yōu)勢，逐步替代混凝土、砌體等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。由于傳統(tǒng)管理模式難以滿足鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展的規(guī)模與需求，促使必須通過信息化技術(shù)研發(fā)進(jìn)行管理革新，創(chuàng)造核心價值，要不斷開拓創(chuàng)新思維，吸取相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗，加快整個建筑行業(yè)工業(yè)化、信息化的發(fā)展步伐。

3.3 改變加工模式助推協(xié)同創(chuàng)新

鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化加工的過程，需要工程師、設(shè)計人員和制造商之間的合作以完成鋼構(gòu)件的設(shè)計、生產(chǎn)制造和安裝。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是先設(shè)計，再詳圖設(shè)計，最后制造，浪費時間而且變更復(fù)雜。在BIM技術(shù)條件下，這3個環(huán)節(jié)可以并行展開，將BIM的3維模型直接用于設(shè)計環(huán)節(jié)，使制造商與設(shè)計人員更直觀地對鋼構(gòu)件的外形、細(xì)節(jié)等進(jìn)行交流[7]，在設(shè)計中提前考慮制造問題，能夠節(jié)約時間，提高協(xié)調(diào)能力，降低鋼結(jié)構(gòu)安裝成本。

4 結(jié) 語

將BIM 與數(shù)字化加工技術(shù)集成應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，輔以Tekla Structures、AutoCAD、SionCAM和Revit等軟件處理技術(shù)，為鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化加工建立模型基礎(chǔ)，并在BIM平臺中及時反饋加工結(jié)果，實時對施工信息進(jìn)行添加和更新。在鋼構(gòu)件加工中按照本文的方法進(jìn)行實際操作和應(yīng)用，不僅能改變鋼結(jié)構(gòu)加工的模式和方法，提高加工效率、降低加工成本，還能有效地提高鋼構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。

[1] 孫澄，楊陽，韓昀松.數(shù)字化加工制造P-BIM技術(shù)框架研究——以鋼結(jié)構(gòu)建筑為例[J].新建筑，2014，14(04)：136-140.

[2] 李建宏，李定山，張明.BIM技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)制造廠管理水平的提升[J].鋼結(jié)構(gòu)，2014，29(06)：75-77.

[3] 王朝陽，劉星，張臣友.以BIM打通鋼結(jié)構(gòu)建造信息壁壘[J].施工企業(yè)管理，2015，5(05)：76-78.

[4] 姬麗苗，張德海，管梽瑜.建筑產(chǎn)業(yè)化與BIM的3D協(xié)同設(shè)計[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2012，4(04)：41-42+63.

[5] 趙金龍.BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)階段的應(yīng)用[D].長春工程學(xué)院，2016：36-37.

[6] 王朝陽，劉星，張臣友.BIM技術(shù)在武漢中心項目鋼結(jié)構(gòu)施工管理中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2015，44(06)：40-45.

[7] 尚超宏，苗興光.BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].鋼結(jié)構(gòu)，2016，31(07)：104-107.

Application of BIM and Digital Machining Technology in Steel Construction

FAN Xuening,TANG Jie,ZHENG Aiwu,ZENG Fankui

(Xi′an Technological University,Xi′an 710021,China)

With the development of information technology and the wide application of steel structure building,in the paper BIM and digital machining technology into steel production are integrated,and the automatic processing are implemented,and the project duration is effectively shorten and the schedule is easily control. The integration principle of the BIM and digital technology in the application of steel structure processing stage are introduced in paper and the specific application point are introduced in detail,which has a guiding role on the process of steel components.

BIM technology;digital machining;integrated application;steel construction

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.006

TU688

A

1674-5403(2017)03-0020-04

2017-05-10

范學(xué)寧(1993-)，女，陜西商洛人，在讀碩士研究生，主要從事土木工程管理方面的研究.

商洛市2015年科技計劃項目(SK2015-45).