基于BIM 技術(shù)的鋼筋算量應(yīng)用研究

高濤陳云娟敬藝?yán)钇G龍覃敬超

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 濟南250101；2.廣西建工集團第一建筑工程有限責(zé)任公司，廣西 南寧530001)

0 引言

1 鋼筋算量與BIM 軟件概述

在建筑趨于現(xiàn)代化、信息化、智能化的今天，建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用價值已在全球范圍內(nèi)得到認(rèn)可，并在工程項目中得到快速發(fā)展和應(yīng)用。 近10年間，從基礎(chǔ)技術(shù)研究到標(biāo)準(zhǔn)的制定，再到工程實踐，BIM 技術(shù)應(yīng)用逐漸趨于成熟，這必將給我國建筑行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展帶來巨大的價值[1-4]。 BIM 技術(shù)下的新算量具有可視化、動態(tài)模擬性、碰撞檢查、出圖性等突出的優(yōu)點，大大提高了工程算量的精確性和速度[5-8]，將改善我國鋼筋算量的現(xiàn)狀。 隨著建筑行業(yè)市場的競爭越來越激烈，對于工程算量的誤差把控顯得特別重要，尤其如何快速地得到工程中鋼筋算量的數(shù)據(jù)，從而使經(jīng)濟利益最大化已經(jīng)成為各方關(guān)心的首要問題[9]。

文章比較了傳統(tǒng)手算工程量、電子表格工程量計算和BIM 工程量計算，直觀地展示了BIM 技術(shù)的優(yōu)越性。 利用廣聯(lián)達(dá)土建算量GTJ 軟件，計算了雞西市職業(yè)技能公共實訓(xùn)基地工程中鋼筋算量建模的方法。 深入研究了在鋼筋工程中模型建立、BIM 技術(shù)識別鋼筋信息、鋼筋布置修正等，提出了一些基本的解決方法。 同時，應(yīng)用BIM 土建算量平臺，得到工程的鋼筋工程量計算明細(xì)表和鋼筋用量匯總表，為以后的BIM 招標(biāo)控制價文件編制提供精確數(shù)據(jù)。

1.1 鋼筋算量

研究鋼筋算量的基本方法一般分為基于外皮長度的計算和基于中心線及實際保護層的計算。 前者是平法計算中較為傳統(tǒng)的方法，不考慮鋼筋量度差值，而且對其保護層厚度的計算并沒有按照實際尺寸，會造成鋼筋消耗量大于其平均消耗量，由此產(chǎn)生較大的誤差[10]。 后者的鋼筋計算要考慮量度差問題， 還要考慮鋼筋的實際保護層扣減，雖然工程量誤差小，但耗時耗力、效率低下。

手工方式進行鋼筋算量的流程為:熟悉施工圖，對照規(guī)范和圖集檢查施工圖，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求計算鋼筋的長度，利用鋼筋長度乘以密度計算鋼筋重量，匯總各類報表。 利用BIM 軟件建?？梢宰R別圖紙中的鋼筋信息[11-13]，自動布置鋼筋后進行正誤的檢查，這時利用基本的鋼筋信息知識進行校正，使工程量更加精確。與傳統(tǒng)計算鋼筋工程量相比，使用BIM 軟件進行計算可以很好地解決人工布置容易出錯的問題。 兩者算量計算原理的對比如圖1 所示，可以看出BIM 建模軟件可以對工程進行符合實際的設(shè)置，鋼筋工程的計算有其特定的規(guī)范，并按照最新的16 系平法規(guī)計算[14]。 在軟件中鋼筋匯總計算可設(shè)置鋼筋圖尺寸，其尺寸計算分為外皮匯總和中心線匯總兩種方式，將傳統(tǒng)的人工計算方法整合到軟件中，不僅提高了效率，而且大大地改善了工程量計算的正確性。

圖1 傳統(tǒng)方式與BIM 應(yīng)用方式對比圖

1.2 BIM 軟件

使用BIM 技術(shù)進行工程建模，需要一些基本的建模軟件。 BIM 技術(shù)發(fā)展至今，對BIM 軟件的開發(fā)也越來越成熟，但BIM 軟件沒有特定的劃分，主要按階段分為幾類主流軟件:在規(guī)劃階段和設(shè)計階段，多采用Revit、SketchBook 和廣聯(lián)達(dá)GICD 等軟件進行項目工程總體布局，建立整個工程的信息模型；在施工階段主要運用BIM360、廣聯(lián)達(dá)5D 和Tekla BIM sight 等對信息模型進行數(shù)據(jù)處理，模擬計劃施工流程來指導(dǎo)實際工程；運維階段利用Bentley Facilities和BIM-FIM 對整體工程的水暖電及消防實時監(jiān)測，對可能發(fā)生的潛在危害進行預(yù)防。

2 項目概況介紹

2.1 項目介紹

工程主要應(yīng)用廣聯(lián)達(dá)系列軟件進行工程建造，實訓(xùn)中心位于黑龍江省雞西市，項目總建筑面積＞10 000 m2。 結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，其長度為92.30 m、寬度為38.30 m。 項目工程量大，內(nèi)部構(gòu)件比較復(fù)雜，涉及土方工程、土建工程、鋼筋工程、裝飾工程等。 在對工程量的建模過程中采用BIM 技術(shù)建模手段，而非傳統(tǒng)造價軟件對工程構(gòu)建的逐一建模。 使用Revit 工程效果圖如圖2 所示。

圖2 項目BIM 模型效果圖

2.2 項目難點

在鋼筋工程的實際施工中，大多數(shù)采用CAD 二維圖紙對鋼筋信息解讀，相關(guān)工作人員再根據(jù)具體的平法信息指導(dǎo)施工。 在對項目的結(jié)構(gòu)施工圖研究討論后，發(fā)現(xiàn)工程圖紙信息量大、節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜、相關(guān)的鋼筋信息變更不統(tǒng)一以及施工管理繁瑣混亂等，極易造成錯誤和質(zhì)量跟不上技術(shù)要求，施工進度緩慢、誤工現(xiàn)象嚴(yán)重以及資金浪費。 尤其在實際施工中遇到復(fù)雜節(jié)點的鋼筋編排問題中，鋼筋施工人員很容易導(dǎo)致綁扎搭接錯誤，進而影響結(jié)構(gòu)的安全性。 因此，將BIM 技術(shù)三維模型與工程施工指導(dǎo)相結(jié)合，能夠有效地解決鋼筋工程中設(shè)計不合理的缺陷，從而提高施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、減少資金浪費，達(dá)到綠色施工的技術(shù)要求。

2.3 項目BIM 軟件使用

使用BIM 軟件建模時，針對不同的結(jié)構(gòu)類型，采用不同的操作步驟能夠更方便地繪制、更快速地計算。 軟件繪制構(gòu)件遵循的一般規(guī)律為:先主體構(gòu)件后零星構(gòu)件；先支撐構(gòu)件后水平構(gòu)件；先地上構(gòu)件后地下構(gòu)件；基礎(chǔ)構(gòu)件可作為最后一關(guān)[15]。 工程主要應(yīng)用廣聯(lián)達(dá)BIM 土建計量平臺GTJ2018 軟件體系，GTJ2018 軟件運行過程可大致分為3 個階段:

(1) 工程參數(shù)設(shè)置 包含了計算規(guī)則、清單定額庫、鋼筋規(guī)則3 大類。 計算規(guī)則主要以清單規(guī)則和定額規(guī)則兩種進行計價，兩種清單定額庫會根據(jù)統(tǒng)一的計價更新。

其優(yōu)勢是與手工算量或傳統(tǒng)工程造價類軟件相比，BIM 技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)二者交融，提高了鋼筋算量的時效性。

(2) 圖紙識別管理 利用CAD 軟件對二維圖紙進行檢查修正；再使用廣聯(lián)達(dá)新系列BIM 軟件進行圖紙輸入管理，加入建筑結(jié)構(gòu)等級參數(shù)以及基本的環(huán)境類別；在BIM 軟件中進行圖紙的處理，如分割圖層、定位信息等。

其優(yōu)勢是將二維圖紙直接導(dǎo)出三維模型，可以直觀地顯示工程信息概況，節(jié)省大量的建模時間和基本參數(shù)的設(shè)置，應(yīng)用BIM 技術(shù)借助三維可視化特點，使細(xì)部節(jié)點充分展現(xiàn)，指導(dǎo)施工，從而提升施工水平，提高建筑質(zhì)量。

(3) 構(gòu)件校核檢查 圖紙智能識別準(zhǔn)確率約為90%，但對于識別錯誤的圖紙或者其他構(gòu)件，BIM 軟件給予標(biāo)記并隨工程統(tǒng)一保存，同時提供了完善的圖紙管理功能，能夠有效管理原電子圖。

其優(yōu)勢是易于檢查，提高了工程量的效率和準(zhǔn)確性。

經(jīng)過軟件對圖紙的智能識別，通過提取軸線、識別柱、梁、板等，利用軟件進行檢查識別是否有錯誤。BIM 軟件在圖紙管理方面功能強大，智能識別準(zhǔn)確率約達(dá)90%，對于識別錯誤的圖紙或者其他構(gòu)件，可以自動給出紅色的構(gòu)件標(biāo)記，易于檢查提高工程量的效率和準(zhǔn)確性。 檢查后的三維模型如圖3 所示。

圖3 工程三維模型圖

3 實訓(xùn)中心工程案例分析

3.1 構(gòu)件鋼筋工程量

使用廣聯(lián)達(dá)BIM 土建計量平臺GTJ2018 進行鋼筋建模后，經(jīng)過軟件的匯總計算工程量，得到各類構(gòu)件鋼筋工程量。 對鋼筋模型進行三維可視化，三維模型中的所有的鋼筋工程量都可以與鋼筋表一一對應(yīng)，通過鋼筋表得到鋼筋工程量的基本信息，如筋號、直徑、根數(shù)、質(zhì)量等，這些相關(guān)信息給之后的鋼筋計價以及采購提供精確數(shù)據(jù)。

(1) 梁構(gòu)件的鋼筋工程量——以某根框架梁為例

在框架梁中，透過軟件的三維模型鋼筋圖如圖4 所示，可以清晰觀察到每根鋼筋的具體構(gòu)造，鋼筋三維模型中每根鋼筋都可以與鋼筋表中的鋼筋對應(yīng)。 梁上部通長筋的根數(shù)、質(zhì)量均可以在鋼筋表中查閱(見表1)，梁的箍筋、拉筋等也可以在鋼筋表中得到直徑、質(zhì)量等相關(guān)數(shù)值。 KL18(框架梁)位置為首層3 軸至8 軸，鋼筋重為206.34 kg。

圖4 框架梁鋼筋三維模型圖

表1 框架梁鋼筋明細(xì)表

(2) 柱構(gòu)件的鋼筋工程量——以KZ1 為例

柱的三維模型充分反應(yīng)了BIM 可視化的特點，在軟件中可以得到柱的截面尺寸和鋼筋具體信息。從柱鋼筋三維模型了解角筋、箍筋等排列方式(如圖5 所示)以及這些鋼筋的屬性特點，導(dǎo)出的鋼筋表規(guī)范這些工程量見表2，柱鋼筋表中對于構(gòu)件名稱劃分明確，很容易查到各類鋼筋。 KZ1(框架柱)位置為14 軸與A 軸交線處，鋼筋重為419.51 kg。

圖5 柱鋼筋三維模型圖

表2 柱鋼筋明細(xì)表

(3) 基礎(chǔ)構(gòu)件的鋼筋工程量

在基礎(chǔ)構(gòu)件鋼筋工程中，應(yīng)用GTJ2018 軟件把基礎(chǔ)鋼筋及墊層厚度均以三維展示，鋼筋表中的鋼筋信息包含了所有的基本屬性，三維模型中x、y方向鋼筋布置以及與框架柱的連節(jié)點如圖6 所示。 通過軟件分析得出基礎(chǔ)鋼筋表，見表3，與圖6 中鋼筋三維模型數(shù)量一一對應(yīng)。 DJ-1(獨立基礎(chǔ))位置為1 軸與A 軸交線處，鋼筋重為213.48 kg。

圖6 基礎(chǔ)鋼筋三維模型圖

表3 基礎(chǔ)鋼筋明細(xì)表

3.2 匯總鋼筋工程量

使用BIM 軟件進行各個部分建模后，進行各個部分的匯總，將鋼筋各個級別的不同直徑鋼筋進行統(tǒng)計，方便工程量的查閱以及后期招投標(biāo)文件的編制。 各類鋼筋工程量匯總見表4。

表4 鋼筋工程量匯總表/t

3.3 現(xiàn)場施工應(yīng)用

在鋼筋工程的施工中，若根據(jù)傳統(tǒng)的鋼筋圖紙進行鋼筋構(gòu)件的綁扎預(yù)埋，很容易造成鋼筋用料錯誤。 結(jié)合項目建筑結(jié)構(gòu)三維模型及BIM 模型可視化、精確化的實體特點，對每部分的鋼筋給予指導(dǎo)施工。 利用實際工程中的施工經(jīng)驗和三維模型中的理論數(shù)值作對比分析，對于鋼筋工程施工加以不斷優(yōu)化調(diào)整，使實際工程用量與BIM 模型之間的誤差減少到允許范圍之內(nèi)。

(1) 進度方面 通過BIM 技術(shù)模擬現(xiàn)場鋼筋工程施工，指導(dǎo)現(xiàn)場工作人員進行鋼筋精確綁扎，避免多余的施工步驟。 對施工過程中遇到問題，利用BIM 軟進行件虛擬模擬處理，結(jié)合BIM 五維技術(shù)(集成模型、施工模擬、進度控制、成本控制以及質(zhì)量跟蹤與管理)得到優(yōu)化方案以解決施工中的問題，保證工期的按時交付。

(2) 質(zhì)量方面 利用BIM 技術(shù)三維可視化的特點，對鋼筋尺寸和定位更精確，避免鋼筋種類應(yīng)用不合理，減少鋼筋綁扎尤其是復(fù)雜節(jié)點施工中的各種錯誤，如圖7 所示。

圖7 復(fù)雜節(jié)點鋼筋綁扎施工圖

(3) 綠色施工方面 在鋼筋工程施工前運用BIM 技術(shù)優(yōu)化選擇最優(yōu)方案，根據(jù)明細(xì)表統(tǒng)計進行物料管理及資金管控，更加合理地進行物料管理，從而節(jié)約了材料。 BIM 技術(shù)的應(yīng)用使施工管理更加規(guī)范化、精準(zhǔn)化，避免材料的浪費，達(dá)到物盡其用的效果，更加環(huán)保。

3.4 BIM 技術(shù)與傳統(tǒng)造價算量對比

從BIM 軟件對鋼筋二維圖紙的識別、關(guān)鍵節(jié)點的修改、鋼筋碰撞的檢查模擬到全過程應(yīng)用BIM 技術(shù)指導(dǎo)施工，通過實際現(xiàn)場鋼筋用料與應(yīng)用BIM 技術(shù)作對比，極大減少了鋼筋材料的損耗率，將其損耗率控制在＜0.5%(傳統(tǒng)造價算量損耗率為3% ～5%)，更好地管理現(xiàn)場施工和監(jiān)控。 鋼筋總量按傳統(tǒng)造價算量為1 237 t，按BIM 算量為1 198 t，而現(xiàn)場實際用量為1 174 t。 其理論結(jié)余率為5.4%、實際結(jié)余率為5.1%、一般損耗率為3%、實際損耗率為0.17%。

4 結(jié)論

借助廣聯(lián)達(dá)BIM 土建計量平臺GTJ2018，通過對CAD 二維圖紙進行三維建模，研究BIM 技術(shù)下鋼筋工程量的具體應(yīng)用，對鋼筋的工程量進行對比分析研究，得到以下結(jié)論:

(1) 在建立鋼筋三維模型過程中，研究BIM 平臺智能識別二維鋼筋信息，圖紙識別準(zhǔn)確率約為90%，可以清晰地看到鋼筋的具體排列方式、鋼筋的加密區(qū)與非加密區(qū)、鋼筋的彎起角度的具體規(guī)范和信息。

(2) 計算鋼筋的具體工程量，對主體構(gòu)件的鋼筋明細(xì)表進行了討論，明細(xì)表中各類鋼筋用量與實際工程用量的誤差在允許范圍內(nèi)，表明了鋼筋材料采購和招標(biāo)文件編制可以應(yīng)用BIM 平臺計算的數(shù)據(jù)。

(3) 對比傳統(tǒng)單一造價軟件，使用BIM 平臺能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，模擬檢查鋼筋碰撞問題來指導(dǎo)實際施工，將鋼筋材料的損耗率控制在0.5%內(nèi)，減少資源的浪費。