BIM 技術在裝配式鋼結構住宅中的應用

謝強

（山東華邦建設集團有限公司，山東 濰坊 262500）

1 BIM 技術的應用價值

1.1 精準的下料預加工

BIM 技術能夠準確清晰地提出工程項目鋼結構施工物料清單，支持各種類型鋼構件生產(chǎn)下料等工作，詳細準確地確定下料清單，全面提高下料和預加工的準確度，縮短復雜材料和規(guī)格板面加工的時間，提高生產(chǎn)數(shù)據(jù)的精準度，有效協(xié)同配置人力、物料、時間等內(nèi)容，實現(xiàn)對誤差大的廢料、圖紙修改等建設成本的嚴格控制[1]。

1.2 可視化精準設計

利用BIM 技術開展裝配式鋼結構設計，可以將構件的形狀、尺寸、材質(zhì)、熱傳系數(shù)、防水性能、抗風壓強度等多種信息詳細、完整地羅列出來，這為工程生產(chǎn)中下料預加工板塊、構件提供了有力支持，節(jié)省了紙質(zhì)辦公這一環(huán)節(jié)的成本，可以保證數(shù)據(jù)精準度，同時有助于節(jié)能環(huán)保。利用BIM 技術還可以全方位地呈現(xiàn)復雜施工階段、連接方案等施工技術工藝，就其中是否存在設計問題進行明確，及時糾正設計方案中的不足，達到優(yōu)化設計方案的目的[2]。

1.3 參數(shù)化虛擬建造

利用BIM 技術可以真實地確定物料相關幾何屬性參數(shù)，比如物料造價、編號、熱共性等，就鋼結構住宅造型、節(jié)能、安全等重要指標進行仿真模擬計算，有效協(xié)調(diào)施工進度、系統(tǒng)等方面，采取合適的設計方案優(yōu)化關聯(lián)指標，實現(xiàn)設計和施工協(xié)同工作，有效提升施工效率和質(zhì)量。利用BIM 技術虛擬建造功能還可以盡量避免技術干擾問題，提前確認好各個位置的關系，為后期安裝鋼構件施工操作提供有力的支持[3]。

1.4 相關專業(yè)一體化

設計師可以在信息化平臺中共享設計信息，保證各個專業(yè)和各方單位可以及時地了解建筑鋼結構造型、外部空間、內(nèi)部結構、物料材質(zhì)等內(nèi)容，利用BIM技術糾正多專業(yè)設計中存在的沖突，優(yōu)化設計版塊，精準計算型材，合理調(diào)整參數(shù)，確保設計方案和施工技術方案能夠和標準質(zhì)量要求相吻合。

1.5 全方位出圖自動化更新

在BIM 系統(tǒng)中，建筑鋼結構平面圖、剖面圖、俯視圖等都可以自動生成并且自由轉(zhuǎn)換。如果設計師需要修改鋼結構架構參數(shù)，只需要調(diào)整其中某項參數(shù)就能夠自動可視化修整成果圖。這種方式可以實現(xiàn)設計工作效率的有效提升，有效避免傳統(tǒng)設計工作中漏改、改錯等設計問題。此外，在具體落實鋼結構安裝技術方案過程中，可以利用數(shù)字化、可視化設計方案有效指導施工人員操作，保證施工人員對各個技術要點進行明確掌握，利用坐標數(shù)據(jù)嚴格控制安裝精度和允許偏差，實現(xiàn)作業(yè)效率的提升，實現(xiàn)施工技術方案的高效落實。

2 裝配式鋼結構住宅常見問題

2.1 PC 結構設計

PC 結構是預制鋼筋混凝土裝配式結構的英文縮寫，PC 結構和鋼框架結構是當前中國建筑行業(yè)工業(yè)化的2 種主要形式。雖然中國建筑工業(yè)化已經(jīng)取得了一定的發(fā)展，但是工業(yè)化程度效率仍然不高，即便是經(jīng)濟較為發(fā)達的城市也沒有實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，建設標準化工作進展相對落后，很多零部件仍然無法通用，沒有實現(xiàn)標準化生產(chǎn)。不過在國家節(jié)能環(huán)保政策的引導下，傳統(tǒng)粗放型建筑施工已經(jīng)逐漸被淘汰，新型建筑結構體系逐漸登上舞臺，雖然當前還處于探索階段，但是有著十分廣闊的發(fā)展前景，很多地區(qū)開始出現(xiàn)PC建筑工業(yè)化體系，示范性項目也逐漸增多。中國鋼結構住宅工業(yè)化建筑設計相比于發(fā)達國家起步晚，PC 結構設計存在一定的不足，很多戶型設計中沒有采取規(guī)范化的組合方式，無法實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)建造。有的住宅結構設計是傳統(tǒng)的PC 結構，組合形式不多，這不利于裝配式建筑工業(yè)化發(fā)展進程的推進[4]。

2.2 構件規(guī)格不統(tǒng)一

如果沒有標準化地完成各個構件設計，會導致增加工程加工制作成本和難度，有的構件甚至還需要運輸?shù)浆F(xiàn)場后進行切割，耗費了大量的材料和資金，降低了施工效率。也正是由于缺乏模塊化、標準化設計，導致有的住宅建筑安裝中沒有統(tǒng)一墻板水平、豎直排列方向，構件較多，需要投入的成本較高，沒有充分發(fā)揮出其經(jīng)濟性價值。部件缺乏足夠的互換性，匹配度不夠，無法大規(guī)模生產(chǎn)，不利于鋼結構住宅工業(yè)化、標準化發(fā)展[5]。

2.3 缺少全裝修和設備一體化的集成化設計

當前中國裝配式住宅建筑處于前期發(fā)展階段，難以高效地實現(xiàn)結構、零部件、機電器具、裝配施工、裝飾裝修等一體化集成設計，設計人員沒有深刻地認識到裝配式住宅建筑的技術、質(zhì)量、效益等方面的協(xié)調(diào)問題，缺乏足夠的設計能力，很少設計出模塊化的產(chǎn)品。在裝配式住宅設計領域，建筑信息模型技術正在逐漸推廣應用，但是仍然沒有實現(xiàn)設計施工一體化[6]。

3 基于BIM 技術的裝配式鋼結構住宅設計方法

3.1 戶型庫的建立

臥室、客廳、廚衛(wèi)等模塊共同組成了戶型庫，設計師根據(jù)精細化設計可以確定模塊大致尺寸，對模數(shù)協(xié)調(diào)性進行充分考慮后，建設通用的模塊。同時，要保證各個功能模塊可以相互組合，最終構成多種類型的戶型圖[7]。

3.2 戶型的平面組合

在連接戶型過程中，需要對墻柱重合問題加強分析。連接組合和重合組合是戶型之間組合的2 種方式，重合組合主要指的是建筑、結構方面的組合，連接組合主要是建筑和其他設備的組合。內(nèi)墻、內(nèi)外隔墻、柱子、剪力墻都是戶型重合組合的部分。為了提高戶型重合的效率，可以將其他重合部位構件盡量刪除，保留相對長的構件。戶型的組合如圖1 所示[8]。

圖1 戶型的組合

3.3 標準層的創(chuàng)建

戶型之間的組合、交通模塊和戶型的組合為主要樓層標準層，戶型、樓梯、電梯、前室、走廊、電梯井等是住宅標準層的組成內(nèi)容，有的住宅還存在一些不符合標準的結構。在裝配式鋼結構住宅設計中，需要配備一些標準化功能模塊，還要處理一些不標準的結構，只有充分組合這些結構才能組建完整的住宅建筑。在設計標準層時通常采用對稱布置方式。戶型對稱能夠規(guī)整結構柱網(wǎng)，能夠提高住宅結構整體穩(wěn)定性。在設計建筑結構中，先要做好標準層的合理設置，要盡量簡化標準層。

3.4 整體建筑的協(xié)同設計

整體協(xié)同設計需要組合首層、標準層和其他部分，形成完整的住宅結構。在各個部分樓層連接過程中需要協(xié)調(diào)處理建筑、結構等各個專業(yè)整體。協(xié)同設計內(nèi)容主要包括專業(yè)內(nèi)協(xié)同性和專業(yè)間協(xié)同性。所謂專業(yè)內(nèi)協(xié)同就是要保證設計符合該專業(yè)標準、規(guī)范。專業(yè)間協(xié)同是保證各個專業(yè)能夠協(xié)調(diào)不沖突。

通過協(xié)同設計能夠保證各個專業(yè)技術更好地合作，避免設計和施工中出現(xiàn)沖突，加強信息交流，避免信息孤島，有助于產(chǎn)品設計、制造、物流、裝配一系列工序的順利銜接，有助于裝配式鋼結構住宅標準化、工業(yè)化發(fā)展[9]。

3.5 自動生成工程圖并匯總工程量

相比于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構住宅，裝配式鋼結構住宅能夠批量生產(chǎn)運輸，可以簡化施工現(xiàn)場作業(yè)，節(jié)省施工時間，如果實現(xiàn)了工業(yè)化、標準化生產(chǎn)還能夠大大節(jié)約成本。利用BIM 技術可以高效地分類匯總整個裝配式鋼結構組件數(shù)量和類型，能夠保證工作人員快速獲取詳細的工程數(shù)量列表。此外，BIM 技術的繪圖和自動更新數(shù)據(jù)功能十分強大，在自定義圖紙模板后能夠?qū)崿F(xiàn)設計方案圖的優(yōu)化，便于簡化管理施工中的連接節(jié)點。利用BIM 技術還能夠可視化觀察施工過程，明確是否存在施工沖突，保證設計方案可行。

4 BIM 技術在裝配式鋼結構住宅中的應用

某保障性住房項目建筑單元共計10 棟，總建筑面積為144 785.72 m2，住宅上部分主體結構為鋼結構，其中1#—9#綜合使用支撐結構體系和扁柱-H 形鋼結構，10#樓采用的是扁柱-H 形鋼結構。該項目使用大約10 000 t 鋼結構。

4.1 建立鋼結構模型

該項目使用Tekla Structures軟件建立鋼結構模型，該軟件允許多人同時操作同一模型，能夠保證鋼結構住宅三維模型快速構建。工作人員在BIM 模型中輸入鋼構件螺栓孔孔徑、構件材質(zhì)、零構件的BIM 編號等所需要的信息。

4.2 整體受力分析

在軟件構建模型并且檢查無誤后導出dxf 的受力構件文件，然后再將該文件導入到MIDAS Gen 軟件中，分析結構永久荷載、地震等作用下整體結構剛度、強度、穩(wěn)定性等受力情況。

4.3 連接節(jié)點細部受力分析

在ANSYS WorkBench 軟件中導入鋼結構連接節(jié)點，分析連接節(jié)點局部受力情況。系統(tǒng)可以快速發(fā)現(xiàn)局部應力超出規(guī)范要求的情況，工作人員根據(jù)分析結構畸形調(diào)整，再次分析建模，直到所有位置都和規(guī)范要求符合。

4.4 碰撞（干涉）檢查

與傳統(tǒng)二維圖紙相比，三維立體模型的碰撞檢查功能可以將發(fā)生沖突的位置快速準確地定位，減少尺寸不匹配、構件施工沖突等問題，進而保證如期完成工程建設，減少工期延誤引發(fā)的經(jīng)濟效益降低問題。

4.5 二維加工圖輸出

Tekla Structures 和SolidWorks 還可以實現(xiàn)三維模型到二維圖紙的高效轉(zhuǎn)換，有著強大的轉(zhuǎn)化功能，還可以輸出二維加工圖，為工作人員交流提供便捷。通過這些軟件系統(tǒng)檢查和審核后輸出的加工圖較為準確，如果發(fā)生設計變更，系統(tǒng)還能夠自動進行二維圖紙的改動，保證和三維模型一致，確保圖紙的準確度。

5 BIM 技術在裝配式鋼結構住宅施工中的應用

5.1 鋼構件的安裝要點

鋼構件的安裝要點如下：①清理干凈基礎部分，吊裝首層鋼柱，做好基礎標高螺栓螺母的調(diào)整，然后開始安裝鋼柱；②從底板向上500～1 000 mm 處劃一道水平線，起吊柱子，在安裝后固定前核對平面標高基準；③邊安裝邊校核鋼柱的垂直度，避免累積誤差過大，應當在溫度恒定的時間段進行校核工作；④安裝鋼梁，做好鋼梁保護，平衡好各個吊繩，避免起吊后變形。吊索角度應當控制在60°以上，牢固地綁扎并通過計算準確地確定所用吊索；⑤按照從中部向四周擴散的方式對稱焊接接頭，遵循先頂層梁后底層梁的順序焊接，然后完成次頂層梁、次層梁焊接。柱對接焊縫可先可后。

5.2 預制構件吊運過程

在吊運預制構件過程中，首先要確定好起重機的選型。裝配式住宅所用鋼結構構件往往有著較大的體積和質(zhì)量，所以需要借助起重機這一大型吊裝設備完成吊運作業(yè)。工作人員需要按照工程實際情況需要，明確構件體積、質(zhì)量后合理選擇起重設備規(guī)模，確保能夠和工程相適應。如果選用的型號過小，那么在吊運過程中可能會發(fā)生滑落等安全問題；如果選用過大的設備，會白白浪費設備和資金。同時，工作人員要注意查驗起重機的進場手續(xù)，按照說明合理操作起重機。其次，在使用起重機前，需要對操作人員展開針對性的培訓，避免操作人員技術水平不高或者沒有按照規(guī)范操作引發(fā)安全事故。最后，充分做好安全防護措施。在起吊和安裝鋼構件過程中，要設置警戒線，避免無關人員進入到施工現(xiàn)場，避免人員停留于起重機下方。

5.3 三維場地布置，空間資源精細管理

施工現(xiàn)場大多都有著較大的空間，但是開發(fā)利用率卻不高。在建造裝配式鋼結構住宅過程中，人們更多的關注點在項目本身上，比如對施工質(zhì)量、安全、進度等高度重視，但卻不重視施工現(xiàn)場管理。比如有的單位沒有實現(xiàn)對現(xiàn)場資源的高效利用。在裝配式鋼結構住宅施工中，可以充分利用BIM 技術實現(xiàn)精細化管理，提高現(xiàn)場空間資源利用率。場地三維化構建并不困難，難點在于管理者如何將其落實。管理者可以利用BIM 技術的可視化功能快速地決定應當如何開展現(xiàn)場空間資源的利用，控制項目成本的同時增加項目經(jīng)濟效益。三維場布可以直觀地協(xié)調(diào)和呈現(xiàn)各個部門在施工現(xiàn)場的工作內(nèi)容，管理者的任務就是制定決策，分配任務。

5.4 物料精確統(tǒng)計，動態(tài)管控

利用BIM 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)物料信息要素的梳理，能夠在二維碼中集成構件的生產(chǎn)日期、生產(chǎn)廠家、構件尺寸等信息內(nèi)容，綁定物料和二維碼，利用BIM 模型進入到二維碼信息管理系統(tǒng)，清晰地了解建筑物構件的相關信息。此外，BIM 模型記錄構件狀態(tài)信息的能力并不是很強大。為了改善這方面的不足，工作人員可以開發(fā)管理系統(tǒng)，專門用于記錄和管理裝配式建筑工程施工中的各種信息數(shù)據(jù)，同時統(tǒng)一二維碼信息和BIM 模型信息，提高物料跟蹤管理能力。

6 結語

總而言之，在裝配式鋼結構住宅建筑中應用BIM技術能夠?qū)崿F(xiàn)鋼結構設計、制造、安裝過程整體優(yōu)化，設計師可以利用可視化模型清晰地查看設計方案是否合理，能夠協(xié)同各個專業(yè)，保證施工順利高效地開展。雖然當前BIM 技術在裝配式住宅中的應用仍然存在一定不足，但是憑借著諸多優(yōu)勢，無論是BIM 技術還是裝配式住宅，都有著十分廣闊的發(fā)展前景，未來可期。