BIM在某铁路专线钢结构工程中的应用研究

黄 鹂，李 娴，张学辉

(河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018)

BIM在某铁路专线钢结构工程中的应用研究

黄 鹂，李 娴，张学辉

(河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018)

钢结构体系本身的复杂性致使钢结构的设计、施工存在一些难点，如CAD设计图纸较难被施工人员读懂、一些设计缺陷在施工过程中才能被发现等，严重制约了钢结构的发展。为解决这些问题，从研究BIM软件的建模方法着手，结合某铁路专线钢结构工程，将BIM模型与传统设计图进行比较，研究了BIM建模在钢结构节点设计优化中的作用。结果表明，BIM软件给工程设计和施工带来极大的便利，将逐步取代传统的工程设计方法。

土木工程设计；BIM；钢结构；Tekla；节点优化设计

钢结构建筑是由大量钢构件采用焊接或螺栓连接建造而成的一种重要的建筑结构类型。与传统建筑相比，钢结构建筑具有众多优势，包括强度高、塑性和韧性好、强重比高、施工速度快、环保效果好、符合住宅产业化以及可持续发展的要求[1-2]，因此是未来建筑的发展方向之一。中共中央国务院《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》提出，力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。《建筑产业现代化发展纲要》要求，到2020年，装配式建筑占新建建筑的比例达到20%以上，到2025年，装配式建筑占新建建筑的比例达到50%以上。目前中国已有30多个省市陆续出台了装配式建筑专门的指导意见和相关配套措施，而钢结构是装配式建筑最合理的结构形式，必将迎来更迅猛的发展。

然而，由于钢结构体系复杂、节点较多、杆件连接方法复杂等特性，使钢结构设计施工存在若干难点，表现在：1)钢结构图纸较难看懂，一个节点往往要结合平面、剖面等很多图纸才能看懂；施工现场钢结构专业技术人员缺乏[3]，施工人员对整个钢结构工程没有一个整体的概念，所以在施工中很容易出现错误，导致施工事故时有发生；2)从目前常规的CAD图纸中不难发现，大部分节点的板件或杆件的尺寸需要进一步在施工前放样确定，这将给施工带来一定的难度，并加大了工作量；3)由于钢结构工程是由大量杆件采用螺栓或焊接连接建造而成，因此在设计图中就很容易出现局部节点设计不合理或者净空高度不满足要求而导致碰撞的情况，有些问题在设计过程中不易被发现，只能在施工过程中发现[4]，从而引发设计变更，对工程工期和成本造成不利影响[5]。因此，传统建造方式无法完全满足其施工要求，需要寻找一种新的方式满足钢结构工程设计施工要求。建筑信息模型(building information modeling，简称BIM)是近年在计算机辅助建筑设计领域出现的新技术,以建筑工程项目的各项信息数据作为模型的基础建立高度集成、完整的建筑工程项目信息化模型[6]。由于BIM具有可视化、协调性、模拟性和优化性等特性，能够弥补传统建造方式的不足，满足钢结构工程设计施工的要求，因此， BIM在钢结构工程中的应用、普及迫在眉睫，尤其是对于目前发展迅猛的大跨空间钢结构，BIM施工模拟是保证工程施工过程安全、可靠的前提[7]。综上所述，对BIM在钢结构工程中的应用进行研究非常有实用价值。

BIM的信息载体是多维参数模型，实现手段是BIM软件[8]。要想充分发挥BIM的价值，为项目创造效益，将涉及到十几乃至几十种BIM软件[9]，而具体到钢结构领域，较为常用的BIM软件为Tekla，其是芬兰Tekla公司研究开发并推出的钢结构详图设计软件，是通过先创建三维模型的方法，而后自动生成钢结构详图和各种报表，在模型中可以显示结构零部件的各类加工信息，例如截面尺寸、材质、规格、节点类型等[10]。因此,本文以该软件为研究工具，以某铁路客运专线钢结构站台为研究案例，以钢结构BIM建模及节点优化设计为研究重点，探索BIM在钢结构工程中的应用。

1 BIM在实际工程中的应用

以某铁路客运专线钢结构站台为例，该站台为钢管桁架结构，其平面尺寸为449.2 m×40 m，覆盖面积约为17 968 m2，共有①—○22轴22榀桁架，桁架跨度均为40 m，其中①—⑧轴、○15 —○22轴桁架悬挑1.65 m，⑨—○14轴桁架悬挑6.65 m。结构采用钢管桁架体系，由钢管柱、桁架梁、H型实腹檩条、系杆和水平支撑组成[11]。桁架梁采用空间三角形钢管桁架，桁架纵向间距为21 m。钢桁架及钢柱采用Q345C级钢，檩条采用焊接H型钢Q345B。本项目的主要难点在于：桁架梁为弧形，所以绘制其上檩条、系杆和水平支撑等构件时不能在一个平面中完成，需不停地转换视图平面进行操作。这些难点恰为此类工程的共性问题，因此本文尝试采用BIM技术，对上述问题进行解决。

1.1 BIM在钢结构建模中的应用

由于BIM模型是BIM应用的基础，因此本文首先研究该车站钢桁架的BIM建模方法。

本工程的钢桁架梁是弧形的，利用Tekla软件自带的节点库难以完成整个模型的创建，所以需要手动完成节点的绘制。建模时要有步骤、自下而上地进行，下一构件要在上一构件创建完成的基础上进行创建。钢桁架的建模过程主要分为以下几个步骤。

1)创建单榀钢桁架。单榀钢桁架包括钢管柱、弧形上弦和下弦、腹杆、桁架下弦与柱的连接节点、柱顶盖板和上弦端部盖板等，然后在3D的平面图中将单榀钢桁架进行复制，完成22榀桁架模型的建立。

2)创建檩条。由于桁架上弦为弧形，导致每根檩条的角度都稍有不同，需调整角度后逐一建立H型实腹檩条。

3)创建螺栓。檩条建完之后，要绘制檩条与上弦的支座节点，包括檩托、加劲肋等。檩条和上弦连接节点设置有螺栓，但是由软件轴线自动生成的平面图并没有包括螺栓所在的平面，因此需要自己创建平面才能正确放置螺栓。图1为檩条与上弦连接节点模型图，图2为创建螺栓的视图平面，它是用图3中虚线上的两点创建的平面。

4)创建系杆。在创建系杆之前，先要画系杆和檩条的连接板和螺栓，系杆的创建在已有的①至○22轴视图平面内完成并平移至其实际所在的位置即可。如打开①轴视图平面，并绘制如图4所示的上下两根系杆，再回到3D视图的平面图中将其移动到如图5所示的位置。

5)创建水平支撑。在创建水平支撑前，先要完成檩条加劲肋与水平支撑之间的连接板件的绘制，其中圆弧形的板件要将切角属性对话框中的“类型”改为圆弧形，图6为圆弧形板件的模型。

6)检查。很多杆件连接的地方都要进行切割，如图7是切割前后的对比，完成切割之后的最后一步就是检查模型中有没有错误和疏漏。

图1 檩条与上弦连接节点模型Fig. 1 Connection joint model of purlin and principal rafter

图2 创建螺栓的视图平面Fig.2 View plane of creating the bolt

图3 创建螺栓的过程Fig.3 Process of creating the bolt

图4 系杆视图平面Fig. 4 View plane of the tie rod

图5 3D视图的平面图Fig. 5 3D view of the plane

图6 圆弧形板件的模型Fig.6 Model of circular arc plate

图7 零件切割前后对比Fig.7 Comparison of parts before and after cutting

1.2 BIM在钢结构节点优化中的应用

在传统的CAD绘图过程中，钢结构部分构件之间会发生不易被设计人员察觉的碰撞，这些碰撞只有在放样或施工过程中才会被发现，导致设计变更、延误工期等后果。如果采用BIM建模，在建模过程中就可以用肉眼观察，发现相关问题并及时手动调整，避免前述问题。下文以檩条与上弦连接节点为例，研究BIM在节点设计优化中的用途。图8为原设计檩条与上弦连接节点图，图9为经手动调整优化后檩条与上弦连接节点图。根据原节点设计，在BIM建模过程中发现加劲肋与水平支撑的连接板发生碰撞，这种杆件空间碰撞在传统的CAD设计过程中很显然未被设计人员察觉，必须经过优化修改，于是在Tekla中手动调整两侧加劲肋的位置，中间加劲肋位置不变，将加劲肋的间距调整为250 mm时刚好能避免碰撞。所以，把加劲肋的间距修改为250 mm，修改之后的节点不仅符合相关规范要求，也成功避免了构件之间的碰撞。

图8 原设计檩条与上弦连接节点图Fig.8 Connected node diagram of purlin and principal rafter of original design

图9 经手动调整优化后檩条与上弦连接节点图Fig.9 Connected node diagram of purlin and principal rafter after manual adjustment and optimization

2 研究结果

图10 a)—图10 c)分别是悬挑6.65 m的桁架的CAD图、使用Tekla建立的BIM模型图以及实际工程完工之后的图片，图11和图12分别为站台BIM整体效果图和现场实景图。从图片对比来看，BIM模型能从三维空间角度展示各构件的空间位置关系，并且BIM模型与建成后的实体工程非常接近，而这是传统的CAD图难以具备的优势。

此外，在节点优化过程中，通过采用BIM技术，发现本项目钢桁架檩条与上弦连接节点处、檩托与上弦连接节点处原设计均存在两处碰撞问题，并及时对发生碰撞的2个节点进行了优化设计，从而避免了此类问题对后期项目施工造成的不利影响。

图10 钢桁架图Fig.10 Steel truss diagram

图11 站台BIM整体效果图

Fig.11 BIM overall effect diagram of the platform

图12 现场实景图

Fig.12 Real map of the scene

3 结 语

目前，国务院《关于进一步加强城市规划管理工作的若干意见》中明确指出，要发展新型建造方式，大力推广装配式建筑，发展钢结构这种结构形式是大势所趋。应用BIM软件对钢结构工程进行设计，很大程度上解决了钢结构二维图纸复杂且不够直观的问题，并且利用BIM建模可以检查节点设计并加以优化完善，甚至代替传统的钢构件放样过程，为设计和施工带来很大的便利。不久的将来BIM将逐渐取代传统的二维设计[12]，为建筑业带来又一次新的革命。

然而，目前BIM在中国工程界的应用尚未普及，本文也只涉及到建模部分及简单的节点设计优化，后续需要研究通过不同的第三方插件，将结构模型发送到不同的结构分析软件中[13]，对优化后的节点进行承载力验算；并用Navisworks施工模拟软件对信息模型进行可视化协助施工和碰撞检测2个角度的研究[14]，实现BIM对工程项目的管理，达到加快建设进度和节约成本的目标[15]。

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Research on application of BIM in steel structure engineering of a certain railway

HUANG Li, LI Xian, ZHANG Xuehui

(School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

The complexity of the steel structures causes problems which seriously restrict the development of the steel structure. For example, it is difficult to understand the CAD design drawings, and the design defect can’t be found before the construction process. In order to solve these problems，this paper studies the modeling method of BIM software, then combining with the practical engineering of a certain railway line, compares the BIM model with the traditional design, and studies the role of BIM modeling in the design optimization of steel structure joints. It shows that BIM software has great convenience in engineering design and construction, and will gradually replace the traditional engineering design methods.

civil engineering design; BIM; steel structure; Tekla; optimization design of joints

1008-1534(2017)01-0045-06

2016-10-05;

2016-12-01；责任编辑：冯 民

河北省自然科学基金(E2015208089)

黄 鹂(1971—)，女，湖北黄冈人，教授，硕士，主要从事土木工程方面的教学和研究。

E-mail：1010huangli@163.com

TU17

A

10.7535/hbgykj.2017yx01009

黄 鹂，李 娴，张学辉.BIM在某铁路专线钢结构工程中的应用研究[J].河北工业科技,2017,34(1):45-50. HUANG Li, LI Xian, ZHANG Xuehui.Research on application of BIM in steel structure engineering of a certain railway[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(1):45-50.