BIM技术在装配式钢结构建筑设计及施工中的应用

文｜甘肃省建设投资（控股）集团有限公司 潘存瑞；甘肃省建设投资（控股）集团有限公司/甘肃省建筑科学研究院（集团）有限公司 吴星蓉 周磊 魏宏亮

0 引言

建筑业高质量发展对钢结构在建筑工程中的应用和性能提出了更高要求，建筑设计和应用模式逐渐成为建筑领域的研究热点[1]。在建筑工程设计的应用领域中，预制装配式钢结构建筑因其多方面的优势而得到了越来越广泛的应用。在预制装配式钢结构建筑的形式中，装配式钢结构得到了很大的发展。但是，由于构件较多、接缝差异较大等一系列突出特点，预制钢结构建筑的设计和施工存在一定难度。随着BIM 技术在建筑领域的深入应用，将在预制装配式钢结构建筑生命周期中的信息集成与扩展、设计过程的可视化、信息模型的平台化等方面发挥了巨大的作用和价值。

BIM 技术主要包含两个维度的信息，即建筑信息模型和建筑信息建模[2]。目前，BIM 在装配式钢结构建筑中的应用还存在很多不足。具体表现为BIM技术在提高建筑设计效率、降低成本、减少工作量方面的优势没有得到充分发挥。这些问题限制了BIM 技术在装配式钢结构建筑设计中的进一步应用。BIM 数据信息化需要各相关方参与和实施，以实现建筑全生命周期的数据信息化。

此外，装配式钢结构建筑以其在重量、强度、工期、工业化等方面的优势获得了快速发展。BIM 技术与装配式钢结构建筑的有机结合，能够充分释放建筑行业活力，顺应行业信息化、数据化转型升级、节能降耗的发展趋势。BIM 技术在装配式钢结构建筑设计中的应用，有利于优化建筑结构节点，提高连接点的适用性和稳定性。并利用BIM 技术在集成化设计、模块化设计思维，对建筑信息进行有效建模，从而实现建筑设计全过程可视化和数据化，有利于建筑空间优化、结构优化、能耗优化等一系列调整的开展，并能提前发现和避免潜在的问题。因此，研究BIM 技术在装配式钢结构建筑设计中的应用模式具有重要的实用价值。

1.装配式钢结构建筑应用BIM 技术的必要性

1.1 BIM 技术在装配式钢结构建筑中的应用价值

首先，BIM 技术在装配式钢结构建筑设计与建造中的使用可以提高不同部门之间的沟通效率，增强利益相关方之间的协调性，有助于缩短建设周期，显著优化施工环节，减少工作量，提高施工效率。

其次，可以提高装配式钢结构建筑的质量。通过建筑建模，BIM 技术可以提前发现建筑设计中的薄弱环节，进行有针对性的优化，改进施工工艺，提高建筑的整体施工质量。并能充分发挥装配式钢结构建筑自重轻、强度高的优势，使建筑空间布局更加灵活。

此外，还可以减少施工环节的资源消耗。一方面，它可以通过建筑结构的优化，实现建筑材料的最大利用；另一方面，得益于标准化施工环节的实施，可以减少污染物的产生，从而减少对环境的影响，降低能源消耗，提高建筑的综合效益。

最后，该技术作为装配式钢结构的创新平台，能够灵活应用和验证建筑行业最新的设计理念和技术，大大提升施工过程的集约化程度，有利于推动整个行业转型升级，促进行业发展结构优化。

1.2 BIM 技术在装配式钢结构建筑中的应用需求

首先，在装配式钢结构建筑的设计阶段，构件数据信息仍然不足，导致装配式钢结构建筑的设计任务量较大。因此，有必要利用BIM 技术优化方案设计，实现建筑建模、可视化空间规划、室内空间布局仿真和建筑性能分析的快速建模，并基于BIM 技术建立零件信息模型进行参数化设计和可视化碰撞检测。其次，装配式建筑装配式钢结构建筑在生产阶段，加工过程中仍有过多的人工参与，导致人为因素造成的差错事件频发，造成材料浪费。BIM 技术可以实现材料工程量的统计，提高钢结构构件的精度，帮助查询构件的详细信息[4]。

装配式钢结构建筑在施工阶段，还存在钢结构构件偏差，影响安装施工质量，以致管理混乱，工程变更过多而延误工期[5]。这些现象使得装配式钢结构建筑的施工过程成本控制和优化管理面临更大的压力和挑战。这就需要利用BIM 技术结合进度计划开展4D 应用，通过项目多目标的协同优化，实现施工进度、支撑方案编制、谈判、各方状态反馈的全过程可视化，实现项目多目标的协同优化。分析优化专项方案，达到优化工程质量和降低成本的目的。此外，BIM 技术在建筑施工中的应用还可以提高建筑材料的管理效率，优化施工现场布局。基于BIM 的施工方案模拟如下图1所示。

图1 基于BIM 的施工方案仿真

2.基于BIM 的装配式钢结构建筑设计应用

2.1 装配式钢结构建筑设计原则

装配式钢结构建筑设计需遵循通用性原则和可持续性原则，所有的预制装配式钢结构建筑设计都需要对前期策划工作予以高度的重视，加强预制装配式钢结构构件种类的控制，并且预制装配式钢结构建筑设计需要加强防火设计和防水设计，保证建筑结构的实用性功能；预制装配式钢结构建筑设计还需要遵循可持续性原则，即长寿化设计，通过利用建筑空间和结构潜力，使建筑空间和功能适应使用者需求的变化，使建筑具有更长的使用寿命。

此外，基于BIM 的装配式钢结构建筑设计，还应根据空间功能模块和立面模块的设计原则进行，以保证建筑的功能和空间，如表1所示。

表1 设计原则

2.2 基于BIM 的装配式钢结构建筑预制构件库

基于BIM 的装配式钢结构设计方法应统一标准构件和常用构件，形成预制构件库。在预制结构设计中，预制构件库中有相应的预制构件可用[7]。预制构件库是基于BIM 的装配式结构设计的核心，预制构件的生产是在BIM 模型的基础上进行的，预制构件库由预制构件生产单位和设计单位共享，设计时预制构件的选择可以限制在预制构件厂提供的范围[8]。

2.3 基于BIM 的装配式钢结构建筑模块化设计

首先，在功能空间模块构成层面对装配式钢结构建筑进行功能分析，对建筑内部各空间模块进行建模。装配式钢结构建筑模型建模具有模型信息集成度高、一次建模、重复利用和参数化建模的典型特点，需要创建不同深度层次的模型。通常，不同深度层次要求的模型，包括方案设计模型、初步设计模型、详细设计模型和竣工及运维模型。此外，应按照装配式钢结构建筑模型的建模过程进行功能空间的模块化设计。

2.4 基于BIM 的装配式钢结构建筑参数化设计

通过建立装配式预制构件三维模型和尺寸之间的参数化约束关系，设计师根据结构模型和工程实际的几何关系，在参数化设计中通过定义约束来改变三维模型构件尺寸。每当改变设计参数时，不仅需要在约束关系中考虑尺寸和工程参数的初值，而且改变后需要满足不改变参数间的基本关系和要求，参数化模型的建立过程如图2所示。

图2 建立参数化模型的步骤

首先，必须建立设计对象的几何和拓扑模型，根据工程项目的实际情况和几何尺寸要求，定义模型像素间的几何约束关系；在此基础上，进行装配式钢结构建筑的参数化特征建模，分析工程项目的结构特点和几何约束关系，定义变量参数，并严格遵照工程项目几何约束关系推导参数化表达式，编译与CAD 软件兼容的参数变量的约束关系，实现参数化设计。

实体建模在CAD 建模的基础上用实体的表现形式建立更为完整清晰的工程对象，可以实现对建模对象中预制构件体积和质量的精准计算，在有限元分析、数控加工等领域可提供更准确可靠的几何模型。构造立体几何法是指通过定义简单体素构造复杂实体的一种建模方法。基本体素描述是用少量的参数来描述最常见、最简单的三维几何体。另一类体素是轮廓扫描体素，即沿一定空间路径扫描截面轮廓而生成的体素。

2.5 边界平整及模块化厨卫

基于BIM 的装配式钢结构建筑设计需要重点关注边界平整、模块化厨卫等设计要素。其中，在边界平整的层面上，是指在进行装配式钢结构建筑设计的过程中，以构件作为建筑的受力核心。因此，在进行设计的过程中，要保证边界的平整度，从而实现施工环节效率和效果的显着提高。其次，在模块化厨卫层面，要保证设计指标与施工性能的匹配，促进厨卫最大限度发挥应有的性能和功能[9]。

2.6 装配式钢结构建筑的BIM展示

将BIM 引入装配式钢结构建筑方案设计阶段，结合结构和三板体系进行各空间的选型。其次，为实现钢结构建筑的结构系统、外围护系统、内部系统和设备管线系统的一体化设计提供信息支持。通过BIM 技术，整合装配式钢结构建筑体系与建筑功能的关系，优化结构体系和结构布局，选择合适的内外墙体系，细化建筑节点施工，实现装配式钢结构建筑高标准要求，一个典型的标准楼层布局BIM模型如图3所示。

图3 一个典型的标准楼层布局的BIM 模型

3.基于BIM 技术的装配式钢结构建筑施工应用

3.1 基于BIM 的三维场布优化

在工程项目施工现场场地的布置和优化方面，可通过BIM 技术根据现场环境特点、项目规模和相关方的需求对现场“四区”进行规划和布置，建立场地环境模型。主体施工阶段施工场地整体规划，将临时设施等载入场地模型中进行动态模拟，确保各施工道路、PC 堆场、钢筋加工棚、木工加工棚等位置的合理性，保证现场施工平面布置的最优化，如图4。

图4 BIM 施工现场布置

3.2 基于BIM 的施工组织优化

对主楼垂直运输机械布置进行模拟与优化，综合考虑塔吊、人货电梯扶墙点位置选择等，最终确定群塔及人货电梯布置定位，生成平面布置图，用于指导施工。群塔及人货电梯布置定位最终确定后，生成平面布置图，再由项目测量员计算坐标信息，确保无误后，用于指导现场测量放线，塔吊基础施工，塔吊及人货电梯安装施工。为避免群塔作业发生塔吊碰撞现象，对所有楼栋塔吊安装高度进行模拟与优化，相邻塔吊安装高度错开10 ～20 米，经项目各参与方讨论确定后，统计各台塔吊安装高度，用于现场塔吊安装高度控制。

3.3 基于BIM 的施工方案优化

根据工程项目现浇节点模板施工方案，创建现浇节点模板族及整体BIM 模型，并对装配式楼层现浇节点模板施工方案进行三维模拟及优化，同时生成现浇节点模板布置图和模板背楞加工图，有利于指导现场施工。

依据装配式楼层内支撑体系施工方案，创内支撑体系族及整体BIM 模型，并对内支撑体系施工方案进行三维模拟及优化。BIM 模型输出内支撑体系布置图，用于指导施工。

3.4 PC 构件安装模拟

模拟PC 构件运输车辆在城市道路上的运输状况，规划大型PC 构件运输线路；在施工现场内，运输车辆沿规划的环形运输道路，将PC 构件运输到指定的PC 构件堆场。PC 构件吊装模拟——依据PC 构件吊装施工方案，对PC 构件吊装施工进行三维动画模拟，用以指导吊装施工，使PC 构件吊装施工安全有序进行，保证施工质量。PC构件吊装顺序优化——通过PC 构件吊装模拟，对吊装顺序进行优化。

3.5 基于BIM 的施工管理应用

施工进度管控——在智慧工地平台中录入计划施工进度，同时录入实际施工进度。通过二者对比分析，可以发现在施工过程中影响施工进度的因素，及时作出调整，确保施工进度。

质量安全管控——利用移动端BIM 软件采集现场质量、安全等隐患影像资料上传至智慧工地平台，发现问题及时整改，保证施工质量，杜绝安全隐患。施工人员实名制管控——智能门禁系统与智慧工地平台关联，劳务人员刷卡入场。实时监控场内劳务用工情况，以便灵活调整。BIM 模型结合现场实际施工情况，通过BIM数据系统精确制定相关材料计划，并按照不同阶段输出相应工程量，方便现场快速、精准提取所需的数据。

4.结论

本文通过分析BIM 技术在装配式钢结构建筑中应用的必要性，研究了BIM 技术在装配式钢结构建筑中的应用价值和需求。通过对基于BIM 的装配式钢结构建筑设计的研究，分析了装配式钢结构建筑的设计原理和过程。通过对BIM 技术在装配式钢结构建筑设计与施工中应用的分析，研究了BIM 技术在装配式钢结构建筑建设中的具体应用。