BIM技术在建筑工程施工中的综合应用研究

刘楠

1　引言

随着BIM技术的逐步应用，通过计算机信息化技术的辅助，结合更加科学的过程分析和模拟实验数据，为施工中的技术重难点提供了极为有效的决策依据，并能够极大地提高工作效率。

某学院图文信息中心工程，是钢筋混凝土结构、劲钢混凝土结构和钢结构等多种结构形式相结合的大型建筑工程。单体建筑面积64806m2，局部钢结构连廊属悬垂钢结构。结构及节点受力复杂、施工工期紧张、施工场地受限等因素为深化设计、方案选择、过程管控提出了很高要求。

2　BIM应用方案的选定

2.1　钢结构深化设计及加工

为缩短技术准备时间和加工周期，在钢结构工程深化设计及加工制造阶段，运用Tekla Structures结构设计软件进行结构建模，实现矩形管截面桁架、箱型钢吊柱等构件及相贯节点深化设计及制造工程指导，提高钢结构深化设计效率和准确性，并引用AutoNEST软件与Tekla软件辅助进行构件加工制造。

2.2　施工方案BIM比选优化

运用BIM的计算机辅助计算和可视化的优点，使用BIM结构分析软件SAP2000，对建筑悬垂钢结构体系进行模拟分析，参照分析数据进行施工方案的比选和优化。

2.3　BIM碰撞检查及模拟

应用BIM协调管理软件NavisWorks，对钢结构深化设计模型进行碰撞检查，预先发现在深化设计、加工制造和安装施工阶段的碰撞问题，避免返工和浪费；对施工方案拟定的安装过程在三维空间与时间维度进行整合，进行可视化的施工模拟，实现虚拟预演和进度分析。

3　关键环节BIM应用方法

3.1　钢结构加工制造环节BIM应用

钢结构的生产制造由三个部分组成，即深化设计、排料优化、加工制造。BIM技术在钢结构的加工中，主要体现在前期的深化设计、材料的排料优化（套料）及设备切割的程序编程中，钢结构深化主要由BIM技术钢结构软件Tekla Structure（以下简称Tekla）来实现，套料及编程由AutoNEST软件来实现。

3.1.1Tekla深化设计

在Tekla软件中，钢结构深化设计包含三维实体模型建立、实体模型审核、创建钢结构加工详图、图纸和数据的输出、与其他软件数据交换。深化设计流程如图1。

根据设计图纸，通过创建轴线→建立三维实体构件→节点创建→模型审核等步骤，搭建一个完整的BIM模型，并利用软件自带的碰撞检测功能进行检查，发现各构件之间及连接方式上是否有冲突。

在Tekla中创建三维模型图、零件图、构件图、整体布置图等各种钢结构加工详图，并且模型与详图之间相互关联，模型变动与图纸变动同步。创建钢结构详图后，将图纸及各种报表数据进行输出，与其他软件进行数据传递、交换。

3.1.2套料、编程

在钢结构加工前，所有的零件放样完毕后，为合理布置裁切材料的位置以达到节省材料的目的，需对不同板厚、规格、数量的零件进行套料，使用AutoNEST软件与Tekla软件配合，进行材料的套料。

图1　Tekla软件环境下钢结构深化设计流程图

Tekla软件通过NC文件将信息输入AutoNEST软件，该NC文件（dstv格式）包含了所有关于这个零件的形状、尺寸以及特性信息，使用AutoNEST软件自动将零件的这些信息批量转入，为前期的数据输入节省大量的时间，并保证所有输入数据的准确性。

套料完成后，根据套料方案，利用AutoNEST软件编程功能，自动编制切割程序，使得切割效率显著提高。

3.2　施工方案BIM比选

无论是钢筋混凝土结构、劲钢混凝土结构还是钢结构，它们都不独立存在，彼此之间相互依附。因此，在确定钢结构连廊的安装方案时，应充分考虑施工方法、施工顺序对于各个结构体系的受力影响，避免选择可能对结构内力产生不良影响的方案。

3.2.1BIM环境下的结构受力分析

首先，将图文信息中心工程的地下及地上部分的剪力墙、框架柱、框架梁、楼板、钢结构连廊等，搭建模型构件，再对连廊每一个杆件和节点进行编号，便于在数据分析时进行比对。

然后，在初步制定几个施工方案的前提下，在SAP2000软件中根据不同的拟用方案，输入不同工况下的施工顺序。应用SAP2000有限元程序的线性静力分析功能，对钢筋混凝土结构、劲钢混凝土结构及钢结构连廊进行模型分析，得出对应的分析结果。

图2　结构内力分析

钢桁架主要节点的轴力、剪力、弯矩作用的表现形式是位移情况。通过对不同方案的位移值数据，尤其是主要节点的Z向位移值进行对比和分析，容易比较出不同施工方案对于钢结构自身、混凝土主体结构的影响特点和规律。最终选择阶段受力性能良好，对结构内力变化影响小、施工便利的施工方案。

3.2.2施工过程监测

在施工过程中，对钢结构连廊若干个节点进行节点位移观测，使用全站仪的无棱镜测距功能，被观测的节点部位粘贴反光片，对钢桁架上弦梁、下弦梁节点在每一个施工步骤都进行一次位移监测，得到每个观测点的累计位移数值，运用折线图将观测到的数值进行统计。

3.2.3监测数据分析

将实测位移值与SAP2000软件分析的位移值进行对比，能够看出，受到实际施工的环境温度、材料、焊接质量、观测条件等方面的综合影响，实测位移值与理论分析值存在一定的偏差，但其数值整体上在极小的范围内波动。

选择的施工方案的实际过程与理论推测相符合，即证明施工方案拟定的安装顺序对结构的影响在预期的可控范围内。在钢结构整体施工过程中，每一步骤都对楼体混凝土主体结构进行沉降位移观测，测量结果满足规范要求，未发现不均匀沉降的情况。

3.3　施工过程可视化应用

在施工过程中实施BIM技术，主要价值在于：

（1）设计意图可行性分析；

（2）设计图纸的复核；

（3）施工现场4D管理；

（4）主要演示手段。

通过对建筑信息模型的可视化漫游、专业间的碰撞检查、结合Excel或Project进度计划文件的施工进度管理、施工过程的动画预演等方式，能够有效的实现上述目的，并最大限度的节约资源。

图3　项目BIM协调管理应用流程图

3.3.1施工图纸审核

结构复杂、图纸繁多是现代建筑工程技术管理面临的现状，施工图审核需要比以往投入更多的人力和时间资源，并且对于技术人员具有跨专业的施工经验和审图能力要求越来越高。BIM技术在施工图审核方面为我们提供了全新的信息化手段。

（1）漫游审核

将AutoDeskRevit软件建立的模型，导入到Navisworks软件中，通过“漫游”功能，对于一些“空间高度”、“空间宽窄”等特征敏感的区域和部位进行有针对性的模拟分析，特别是对一些构件节点细节、专业内的设计冲突、专业间的设计冲突等问题，通过三维的模型审核实现。

（2）碰撞审核

实时漫游观察能够发现图纸中存在的大多数直观错误，一些难以发现的细微错误，可以通过软件提供的碰撞检查功能实现图纸审核。软件在模型显示窗口以不同颜色高亮显示碰撞的构件，为施工技术人员提供直观的检查结果显示。

3.3.2施工虚拟预演

结合预定的施工进度计划，在Navisworks中进行4D模拟，借此实现施工进度的虚拟预演，并分析预定的施工计划进度中存在哪些问题和矛盾。

图4　漫游审核图纸

将三维的BIM模型与时间属性相结合，即将进度计划图表与三维模型结合，能够实现施工过程的虚拟预演；此外，对每一道工序的实际开始时间、实际结束时间与计划开始时间、计划结束时间进行对比，一目了然地看出每一道工序的进度状态。在比较复杂的工程中，尤其是涉及专业众多、工序繁琐的工程中，相比用图表分析施工计划，使用这种4D施工模拟具有巨大的优势，它可以非常直观地看到计划中的施工工序，自然也更容易发现其中的问题。

4　结语

通过对BIM模型的深度应用，对建筑结构深化设计模型进行碰撞检查，预先发现在深化设计、加工制造和安装施工阶段的碰撞问题，及时发现碰撞并解决，避免了返工和浪费；同时为施工图审核提供了全新的信息化技术支持，提高了图纸审核的效率和效果。

对施工方案拟定的安装过程在三维空间与时间维度进行整合，进行可视化的施工模拟，实现虚拟预演和进度分析，不仅为施工过程展示提供了方便可行、直观生动的演示方式，也为工程项目施工进度控制提供了形象的、精确的、基于BIM技术的项目管理途径。

BIM为施工过程带来的效益是显而易见的，管理工作的高效性、信息传递的准确性、投入资源的节约性、成本的降低、浪费的减少等，都为现代施工技术带来了革命性的变化。

[1]中国建筑业协会工程建设质量管理分会.施工企业BIM应用研究.中国建筑工业出版社，2013，03.