BIM 在冶金行业钢结构中的应用

邢占清

（1.中钢设备有限公司，北京 100080；2.内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051）

建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM )于21 世纪被提取首字母“BIM”命名使用。Autodesk 公司于2009 年提出，BIM 技术主要目的是通过一个可以覆盖整个建筑工程设计项目全生命周期的信息数据库，实现各个工程阶段、不同建筑行业之间的信息数据库和信息共享系统相互集成和信息资源共享。也可以说BIM 记录工程建筑全生命周期的数据，是一个动态变化的过程，具有可视化、协同性、模拟性、优化性的诸多特点。BIM 绝不是一个软件，也不是一类软件，从多方面考虑问题，某些意义上更像一个活的平台，而充分发挥BIM 技术搭建信息共享平台，真正利用好BIM 技术，涉及的软件也许将多达几十个。美国Dana K.Smith （美国Building SMART 主席）在“Building Information Modeling-A Strategic Implementation Guide for Architects，Engineers，Constructors and Real Estate Asset Managers”中提出：“依靠一个软件解决所有问题的时代已经一去不复返了”。

1 冶金行业钢结构工程特点

2021 中国粗钢产量10.33 亿t，冶金行业相关企业超过2500 家。冶金工程工艺流程复杂，主要可划分为：原料厂、烧结厂、球团厂、炼铁炼钢厂、轧钢厂等产品线，决定了其建、构筑物形式复杂多样的特点。以冶金行业内体量相对较小的烧结工程为例，从混匀矿、燃料、熔剂接受开始至成品烧结矿出厂为止，包括配料、混合及制粒、铺底与布料、点火、烧结与冷却、抽风及除尘、烧结矿筛分、成品输出。工程主要建筑构筑物就有，燃料破碎室、配料室、一次混合室、二次混合室、烧结室、环冷机、成品筛分整粒室、烧结烟气循环、通廊转运站等内容，形式多样，关系复杂，部分冶金行业建构筑如图1 所示。

图1 冶金行业建构筑物

钢结构具有轻质高强，大空间，安装快速，循环使用、建筑污染少等诸多优点，被越来越多的企业优先使用，建筑主体材料除基础、地沟、少数特殊结构外实现全钢结构化，钢结构工程在冶金行里的比重越来越大。

2 BIM 技术与钢结构工程的结合手段

冶金行业巨大的钢结构建设、使用产生了巨量数据信息。有效使用和管理这些数据，可以在设计、制造、安装、运维阶段，更好地实现对资源的节约以及对环境的保护，为工业建设和运维增添一抹绿色。另外一个方面，冶金行业结构形式多样，规则性差，为针对如此体量单体或者构件、零件高效的管理，使用，追踪，统计甚至后期的维护，可以通过BIM 技术的应用来对传统的状况转型升级。

BIM 与钢结构的结合可以基于在项目project 的模块下建立钢结构的模型，建模方法可以有多种，目前国内比较主流有Revit、Bentley，Tekla，其中Revit和Bentley 以适用于工程建设各专业和各阶段，功能更丰富，而Tekla 更具有专业性，在钢结构模型创建、深化中更具有优势。

Revit 的特色在于除了可以绘制建筑物的模型以外，还赋予了对象额外的属性数据、完整的生命周期管理。作为一项BIM 软件，Revit 也提供了IFC（Industry Fundation Classes）共通格式档案的汇入与导出功能，以利不同软件之间的互通有无。

Bentley 运用MicroStation 本身良好的绘图能力，加入工程设计、建设、运营等其他参数，让CAD 图转变成具有属性的构件，有效整合2D、3D 的设计数量计算数据与模型进行运用，再结合其他MicroStation的buliding 系列附加模块扩充使用，让其BIM 有更多扩展运用。

Tekla 专于建筑工程中的钢结构设计，可以进行精细的结构细部设计与操作，例如详细的钢筋配置、检查、分析等，并能产生所需的数量明细表，工程时间轴功能仿真各个不同工程阶段的模型变化。还有其他一些国外和国内及新开发的软件，越来越多的软件供使用者选择工程的不同阶段，不同参与者可以选择更加匹配的软件。

3 BIM 技术在钢结构工程具体应用

3.1 应用BIM 技术建立钢结构三维模型

BIM 模型软件可以应用于钢结构模型的建立，通过其丰富的数据库、参数设置，匹配各种工程标准，通过不同的路径及接口建立钢结构模型。传统的钢结构工程中，工程人员建立二维模型后，需要通过数据分析、资料匹配甚至想象空间上的关系。在BIM 上钢结构工程人员可以直观三维，对构件所有的问题一目了然。本公司在国外某综合钢厂项目中采用Tekla 软件建立的备品备件库车间模型，如图2 所示。

图2 备品备件库车间模型

通过该模型可以清晰地看到整体的造型，构件的相互关系，对设计的深化阶段提供强有力的支撑，目前国内外很多钢结构公司都开始采用该软件。综合钢厂项目中建立的皮带机通廊钢结构模型见图3 所示。

3.2 实现数据协同化

工程的多样化以及各个专业的空间争夺变得越来越激烈，工程优化空间压缩意味着工程量的压缩，意味着工程造价的节省。钢结构工程人员需要结合甲方及前期方案要求准备工艺资料，包括但不限于总图、土建、通风、热力、电气、水道、仪表等内容，繁杂而多变，工程期间反复交叉，造成参与者工作量的几何级增加。当不同的专业及不同的人设置不同的内容，甚至同一个使用者采用不同参数的构件甚至只需要一个单一的软件或者一个单一的专业已经不能体现整个情形。而BIM 基于所有数据集合的情况下可以随时模拟出来相关情况和参数。例如，在某钢柱子边通过有热力等专业管道，某些时候钢结构参与者由于某些原因需要调整柱子截面时候，其可以直观观测到空间的情况，不用再和其他的管道专业进行数据的沟通。在土耳其某钢厂鼓风机站项目中，公司数字项目负责人发现了某地方管道与钢结构平台碰撞，直接截图发送地址给相关方，清晰直接地标明了问题地点，和相互关系。这一点及钢结构细部深化，零构件加工制作及钢材的合理利用方面提供了数据和参数支持。

3.3 应用BIM 技术模型分析、图纸及计算数据同源输出

钢结构项目的计算分析是一个不断重复及优化的过程。BIM 技术具备更加准确的计算能力、更加庞大的信息处理能力及更加强大的模型展现力，保证了工程分析更加贴近客观现实，更精准。需要输出使用的内容包括有施工图图纸、施工图详图、施工材料量表、计算结果文本，甚至在不太的需要者需要不同类型的输出内容。工程技术人员可以根据BIM 模块输出相应的图纸、图表计算书。BIM 不仅提高了复杂建筑的二维图纸的准确性，还可以把其应用于图纸优化及个性化图纸定制，将图纸的可模拟性和可优化性的实际应用价值表现出来，避免传统的计算与图纸的分裂，更加一致。研究发现，利用BIM 技术，设计阶段总工期减少了33%；由于图纸错误导致的变更降低约85%；成本测算时间减少80%；图纸深化设计时间缩短约60%；各专业协同工作、交流时间减少25%；施工整体质量提升83%；建筑物资节约8%；人工成本减少10%；缩短施工工期8%[1]。

3.4 BIM 技术应用于制造、安装方案模拟

钢结构项目制造施工有非常准确及很多重要的安装过程需要预拼装。施工方案需反复推敲。工程中经常出现例如安装某部分结构后，相关部分没有空间、无法安装，安装方向颠倒等情况。BIM 在模型建立后可以根据施工设定顺序，模拟安装过程，对关键施工节点进行模拟，能够通过三维建筑模型反复推演实际情况模拟施工顺序、施工方案，并根据模拟情况完善施工方案，通过专业施工的方式确保项目顺利开展，并确保材料的分配、劳动力职责划分更加清晰，从而高效、经济地开展工作。

3.5 工程进展、验收的精准化

钢结构项目执行中，由于钢材价格随市场波动迅速，工程管理人员对工程进度和现场材料及后续工程速度非常关心，仅仅依靠文字描述、图片对比，很难直观地反应施工进度及人财物消耗情况，加上在实际中受恶劣天气、方案修改、人机配合等情况的影响，工程的实际进展程度也会影响导致工程量的增减、进度调整没有一个量化的能力。BIM 可以通过参数设置迅速实现剩余工程量的统计，根据预先设置的施工条件预估进度和工程配置，为管理层提供可靠的决策依据，优化施工配置和施工进度，节省人力物力财力。比如钢结构构件的制造、通过三维空间的碰撞检查及根据检查。在工程验收时候，BIM 技术为工程材料信息的采集提供了全面有效的集成手段，利用该技术将工程材料的采购时间、出场厂家、入场时间等信息添加到三维模型中，并伴随着施工进程不断更新材料信息，将施工实际使用材料信息与采购材料信息一一对应，这样一旦工程某处出现问题，查找问题原因时也有据可循；另一方面，可实时查询构件的消耗情况，实现对物料的科学化管理，提高生产效率。

4 结语

冶金行业钢结构工程形式多种多样，有高跨钢结构、大跨结构、型钢平台、桥架管廊、球形罐体、漏斗、圆仓、方仓等形式[2-5]。其体量大，小则几千吨钢材，多则几万吨；费用高，钢材本身价格较高、且安装难度大，危险系数高。涉及专业人员广，构件数量广，安全影响广。然而通过采用BIM 技术优化设计方案、细化设计深度、模拟施工过程、精准提供数据等模块功能，可以有机的把工程的全生命周期展现出来，避免项目执行中各个阶段、各个人员之间零星分散产生的各种问题，从而节约时间、人力和财力。在工业4.0 时代，通过BIM 技术引用力争把钢结构工程变得精细化、数字化、智能化、为冶金工程的绿色低碳化添砖加瓦，鉴于BIM 技术应用软件繁多，应用水平良莠不齐，应用规程也在不断的规范[6-7]。要想真正把BIM 技术在未来的工程中应用好，发挥出大功效，各工程专业人员和国家工程管理还应不断探索。