BIM 数字化技术在复杂建筑钢构安装过程的应用研究

何余华 李夫强 周金龙

(中国建筑第六工程有限公司)

在现代建筑项目中，钢构安装是一个关键且复杂的阶段，对项目的成功实施至关重要。为了提高钢构安装的效率和质量，BIM 技术被引入并广泛应用。BIM 技术通过数字化建模和协同设计的方式，为钢构安装过程提供了可视化和智能化的管理工具。这种技术能够帮助项目团队有效地处理施工冲突、优化施工策略和资源管理，从而提高施工效率、减少资源浪费和降低安全风险。通过BIM 技术，施工团队能够在钢构安装前模拟和预测问题，并采取相应的措施进行优化，从而在实际施工中避免错误和延误。因此，研究将对BIM 技术在建筑钢构安装中的优势和局限进行深入探讨，并结合实例分析BIM 技术的应用过程。

1.复杂建筑钢构安装中的难点与问题

1.1 钢材结构安装的复杂度问题

复杂建筑钢材安装的一个主要难点是结构的复杂度，在一些大型的建筑项目中，钢构设计可能十分的繁琐，包含了复杂的几何形状和特殊的连接方式。复杂的几何形状的钢材需要施工团队具备精确的测量和布置能力，由于结构的形状可能是曲线形状或异型形状，传统的测量方法和工具可能无法满足精确的需求。其次，特殊的连接方式和斜角连接也增加了安装的复杂性，在复杂建筑钢材结构中，连接件的设计和安装可能不同于常规的连接方式。因此，需要施工团队进行特殊的构件加工和安装技术，包括特殊的焊接技术或螺栓连接技术来实现结构的强度和稳定性。此外，异型结构的安装也是一项挑战，安装异型的钢材结构可能需要特殊的搭设和支撑工具，以确保结构的准确安装和稳定性。

1.2 钢材结构安装的精度问题

精度问题涉及到结构的尺寸精确性、位置精确性和安装的质量，在复杂建筑钢构的安装过程中，是一个非常关键的考虑因素。钢材的尺寸精确性是安装的基本要求，每个构件的尺寸必须与设计图纸或规格要求完全符合。任何尺寸偏差都可能导致连接不安全或结构不稳定，在钢材的制造过程中，必须严格控制构件的尺寸精度，确保准确性。在安装时，钢材必须按照设计的要求放置在正确的位置上，保证水平位置和垂直位置的精确性。如果构件位置出现偏差，可能会导致整个结构的不稳定或影响其他构件的安装。钢构在安装时，焊接的质量也会影响安装的稳定性。焊接时应严格按照相关规范和标准进行操作，确保焊缝的质量，以确保钢构的牢固性。

1.3 钢构安装中的施工调度问题

钢构的安装需要合理地分配人力、机械和材料等资源，需要考虑到钢构的数量、大小和复杂度，并且施工团队的能力和设备的可用性也是一项重要的考虑因素。在施工的工序上，钢构的安装涉及到多个工序，包括基础施工、预制构件就位、吊装安装、焊接、调整和固定等。这些工序需要按照顺序合理地安排，以保证施工的连贯性和高效性。同时，需要考虑工序之间的协调和交叉关系，避免工序之间的冲突和延误。在施工的工期安排上，需要考虑到钢构安装的时序计划，包括各个工序的工期、先决条件、资源的可用性和安全要求等因素，并合理的安排每个工序的时间和顺序。在人员的监督管理上，钢构安装的施工调度需要进行有效的监督和管理，包括每日的工作记录、工序的检查和评估，以确保施工的进展按计划进行。在协作沟通方面，钢构安装涉及到多个施工方和专业团队的协助完成，因此需要加强协作和沟通，并及时解决施工中的问题和冲突。

综上所述，复杂钢材的安装中存在诸多的难点和问题，通过预先规划和准备、加强技术能力、严格控制质量和加强人员的协调与沟通，可以确保钢构安装的准确性和施工的正常进行。BIM 技术可以通过优化钢构安装方案，以可视化效果立体地展示钢构的安装过程，帮助施工人员直观地了解到建筑的实时状态，确保安装作业的正常进行。

2.BIM 技术在复杂建筑钢构安装中的特点

BIM 技术是一种在建筑和工程领域应用的数字化建模技术。它涉及使用计算机软件和工具，以三维模型的形式创建、管理和可视化建筑项目的各种信息。BIM 技术将不同学科和专业的数据集成到一个综合的三维模型中，包括建筑、结构、机电设备、管道、景观等各个方面的数据[1]。通过这种集成，BIM 技术能够提供全面的建筑项目信息，包括几何形状、尺寸、材质、属性、性能等。BIM 技术的主要特点是它不仅仅是一个三维建模工具，而是一个包含建筑项目全生命周期的多维数据管理系统。它可以在设计、施工、运营和维护等阶段进行信息的共享、协作和分析，帮助各个项目参与者更好地理解和决策。在设计阶段，BIM 技术可以用于创建钢结构的三维模型，包括各个构件的几何形状、尺寸和位置等信息。这些模型可以更直观地展示整个结构，帮助设计师和施工团队更好地理解和沟通设计意图。在钢结构安装中，不同构件之间必须保持良好的空间关系，避免碰撞和冲突。BIM 技术可以进行碰撞检测，通过模型的几何和空间信息，自动检测潜在的冲突并进行警示[2]。这有助于预防施工中的问题，减少重复工作和延误。BIM 技术可以为每个钢结构构件添加数字化标识和配送信息，这包括构件的型号、序列号、规格、材料等。这些标识和信息可以与施工进度和供应链管理系统进行集成，实现自动化的材料配送和追踪。在人员的实时协调和沟通上，BIM 技术可以支持不同团队之间的实时协作和沟通。通过共享和访问模型的云平台，设计师、施工团队和供应商可以更好地进行信息共享和协作[3]。这有助于减少误解和延误，提高整个施工过程的效率和质量。

3.BIM 技术在复杂建筑钢构安装中的应用分析

3.1 BIM 技术的应用流程

BIM 技术可以通过可视化模拟复杂建筑的安装过程，帮助施工人员在工程施工过程中进行设计、施工、运营和维护等方面的决策和管理。BIM 技术的应用流程如图1 所示。

图1 BIM的流程图

图1 中，首先，需要收集和整理与钢构安装项目相关的数据和信息，包括设计文件、施工图纸、构件尺寸和规格、材料属性、施工计划等。这些数据和信息将作为建立BIM钢构模型的基础。根据收集到的数据和信息，使用BIM 软件开始创建钢构模型的基础。在模型中添加基础的构件形状和几何属性，确保它们符合设计和施工要求。可以使用BIM 软件自带的构件库或导入定制的构件库来快速创建构件。在模型基础上，逐个添加和建模具体的构件，包括钢柱、钢梁、钢板、连接件等。根据设计和施工图纸，设置每个构件的尺寸、形状和属性。确保模型的准确性和尺度的一致性。在添加构件的过程中，进行空间协调和碰撞检测。确认每个构件的位置和间距是否符合设计要求，避免可能的碰撞和冲突。BIM 软件通常提供自动化的碰撞检测工具，可以快速发现并标记潜在的碰撞问题，为每个构件添加更详细的属性和信息。通过在模型中设定施工步骤和顺序，可以预测施工过程中可能出现的问题，并优化施工流程。将BIM 钢构模型与相关的参与方共享和协作，使用BIM 软件的云平台或共享文件夹，实现实时共享和更新模型。参与方可以在模型中添加注释、标记问题和共享进度，促进信息的交流和沟通。根据设计和施工进展，不断更新模型中的信息和属性，保持模型与实际施工的一致性。

3.2 钢构安装流程

3.2.1 预埋件的安装

地脚螺栓是一种用于固定建筑物地基和钢结构之间的连接装置，在实施钢构安装之前，确保建筑物地基的稳定，采用BIM 软件进行虚拟建模，安装示意图如图2 所示。

图2 预埋件的BIM安装示意图

图2 中，首先根据设计图纸和要求，利用BIM 软件建模，确定地脚螺栓的位置和布局，选择在每个立柱或支撑梁的接触点处安装地脚螺栓。使用合适的钻头和钻孔设备，在地基上钻孔，孔径和深度需要根据设计要求和地脚螺栓的规格来确定。确保钻孔垂直且位于设计位置上，孔的尺寸与地脚螺栓规格相匹配。使用空气压缩机或吹风机等工具，清理孔洞中的灰尘、碎石和杂物，确保孔洞干净，以便地脚螺栓紧固。将预先准备好的地脚螺栓插入孔洞中，确保地脚螺栓垂直并正确对准位置，使用锤子轻击螺栓的顶部，使其均匀进入孔洞，直至底部。使用扳手或扭力扳手等工具，逐个拧紧地脚螺栓，按照设计要求和地脚螺栓的规格，逐步拧紧每个螺栓，使其紧固在地基上。最后，检查螺栓的垂直度和水平度是否符合要求，可以使用水平仪或量规进行检查和校准。确认无误后，将锚栓和钢筋进行焊接操作，灌注混凝土以达到固定和防腐的作用。

3.2.2 钢柱的安装

钢立柱的安装加固是钢结构建筑中的重要工作，以确保立柱的稳定性和承载能力。在准备工作阶段，采用BIM技术进行建模，了解立柱的具体尺寸、型号和安装要求。

准备所需的工具和材料，包括吊车、起重设备、螺栓、焊接设备等。根据设计图纸和标志，准确定位立柱的位置，使用水平仪和测量工具进行测量，确保立柱的垂直度和水平度符合要求。在立柱底部安装临时支撑或定位支撑，以确保立柱呈垂直状态，并防止立柱在安装过程中倾倒或移位。用吊车或起重设备提升立柱到指定位置，在提升过程中，确保立柱与周围结构和人员的安全距离，同时注意操作平稳和垂直提升。在钢柱距离底部20cm 时，缓慢下落保持稳定，将立柱底部与地基连接固定。根据标准和设计要求，使用适当的焊接或螺栓连接方法，确保连接可靠和坚固。根据立柱的高度、跨度和承载能力，采取加固措施，包括加装支撑架、剪力墙、斜支撑等，以提高立柱的稳定性和整体结构的承载能力。

3.2.3 悬挑端梁的安装

采用BIM 软件对钢结构安装过程进行设计，模拟安装的流程，确保支撑的准确位置和稳定性。

图3 钢立柱的BIM安装示意图

图4 悬挑端梁的BIM安装示意图

悬挑端梁长度为5m，重量为50t。在吊装的过程中，钢构材料的两端端口焊接用坡口焊，左右两边的钢板用螺栓连接。根据设计要求，在BIM 中进行虚拟组装和协调，将悬挑端梁的各个部分进行组装和互联。确定悬挑端梁的安装位置和支撑方式，并设立临时支撑或定位支撑，以确保悬挑端梁的准确安装。通过BIM 软件计算，需要焊接长度达到800mm 时再松钩。根据设计要求，使用焊接方式，将悬挑端梁与建筑结构的其他部分进行固定和连接。确保连接的强度和稳定性，减少螺栓或焊缝的失效风险。最后，确认悬挑端梁的安装质量和连接性能，进行必要的检查和测试，确保悬挑端梁和周围结构的质量和稳定性。并且更新BIM 中的建模信息和数据，确保矛盾或问题的发现和解决，便于施工和后续工程管理。

3.2.4 钢材焊接与涂装

首先清洁和处理钢材表面，确保焊接区域清洁和无污染。根据钢材的材料和结构形式，现场安装焊接采用二氧化碳气体保护焊，保护气体为CO2，纯度为99.98%，高空组装采用手工电弧焊。根据焊接工艺规范和操作指南，进行焊缝的组织、对齐和夹持，控制焊接电流、电压和焊接速度，保持稳定的焊接参数和形状。在焊接完成后，进行焊缝的修整和整理，清理焊缝和周围区域，去除焊渣和杂质。在对钢材进行涂装之前，需要对钢材表面进行清洁和处理，去除油污、锈蚀和氧化物，常用的表面处理方法包括机械除锈、化学除锈和喷砂等。首先对底层部分进行涂装，根据钢材的要求和涂装系统，先涂刷或喷涂底层涂料，底层涂料可以起到防锈和提高涂层附着力的作用。最后进行面层涂装，根据设计和使用要求，选择适当的面层涂料和颜色，面层涂料可以提供最终的外观效果和保护功能。根据涂料生产商的持有的NACE2 级认证，保持涂层干燥和固化的时间和条件，确保涂层的质量和耐久性。

4.BIM 技术在钢构安装中的局限性和优势

BIM 技术可以通过3D 模型来展示钢构安装的整体图像和构件之间的关系，使得设计、施工和管理人员能够更直观地了解项目的情况。同时，BIM 技术还可以实现多方协同设计和沟通，提高信息共享和决策效率。BIM 技术可以通过模型碰撞检测功能，及时发现设计和施工中的冲突和不协调，并优化方案，以减少施工中的问题和改动，提高钢构安装的质量和效率。然而BIM 技术也存在一些局限性，在钢构安装中需要使用一定的软件和设备支持，对操作人员的技术水平要求较高。如果没有提供适当的培训和支持，可能会导致操作困难或错误。BIM 模型的准确性和数据一致性对于保证安装的准确性和安全性至关重要，如果BIM 模型中的数据缺失、错误或不准确，可能会导致施工中的问题和延误。钢构安装中，需要将BIM 模型与其他相关系统，例如施工计划、物资管理等进行集成和协调，这需要确保各个系统之间的数据和信息的流通和一致性，如果没有良好的沟通和协作，可能会导致不协调和冲突。

5.结论

BIM 技术是一种在建筑和工程领域广泛应用的数字化建模技术，通过集成各种信息到一个三维模型中，实现项目参与者之间的协作和决策支持。并且能够提供全面的建筑项目信息，帮助项目参与者在全生命周期中进行设计、施工、运营和维护等方面的决策和管理。因其可视化、协同设计、碰撞检测和施工优化等优势，能大大提升钢构安装的质量和施工效率，减少施工的风险和成本。同时，加强施工人员的技术水平的培训，克服BIM 技术中的局限性，控制好预埋件、钢柱、主桁架的安装以及焊接与涂装流程，提高工程的质量。因此，合理利用BIM 技术可以实现钢构安装过程中的有效管理和控制。