BIM技术在装配式钢结构建筑中的应用 ①

□□ 任 媛

(山西职业技术学院,山西 太原 030006)

引言

伴随着世界范围内信息化技术的不断发展,数字信息技术推动了各个行业的飞速进步,特别是对于以建设行业为主体的传统产业来说,数字信息技术可以让建设行业焕发出新的生机,还可以让建筑制造业水平得到持续改善与提高。在建筑行业中,目前广泛使用的有BIM(Building Information Modeling建筑信息化模型)技术。同时,建筑业正面对着重大的变革和创新,其中最为典型的是装配式钢结构建筑的兴起,它具备强大的集成化和经济环保等方面的特征,并且各国对装配式钢结构建筑的关注程度越来越高,已出台了许多相关政策和标准,有效地促进了建筑业的发展和进步。因此,将BIM技术应用到装配式钢结构建筑的设计、生产和施工中是目前建筑行业发展与研究的重点之一。

1 BIM技术在装配式钢结构建筑设计中的应用

1.1 构件信息建模

1.1.1构件族库建立

随着BIM技术在建筑行业中的应用越来越广泛,构件信息建模是装配式钢结构设计的基础步骤。构件族库的建立是构件信息建模的重要部分,其中包括构件参数设置和构件族生成。在构件参数设置中,需要根据需求设定构件的几何信息、材料信息和连接方式等参数[1];在构件族生成中,需要根据不同的构件规格及其形式,生成相应的构件族,并保存于库中,以便在后续的钢结构设计与施工中,可以直接调用库中已有的构件族,使设计及施工流程更为高效。构件族库的建立应考虑其可维护性和可管理性。可维护性主要体现在构件信息的定期更新和管理,如有新的构件规格或参数需要更新,可及时进行更新并保存于库中;可管理性主要体现在库的分类和组织,如将构件族按照类型、规格和材料等分门别类组织,方便后续的调用和使用。在构件族库建立的过程中,需要结合项目需求和要求,合理规划和设计库的结构和内容,以实现高效设计、可维护和可管理的目的功能。

1.1.2构件族参数设置

在构件族参数的设置应根据装配式钢结构的具体形式和功能来制定。根据钢结构的设计要求和标准规定,将设计参数加入构件族中,并进行相关的计算和验证。构件信息建模是钢结构建筑BIM设计中的主要应用之一,因而构件族参数的设置必须准确而全面地建立构件基本信息,包括构件名称、物料编号、焊缝/螺栓编号、构件截面、构件质量、材料规格和构件间关系等。同时,通过BIM软件对构件进行三维建模,实现图形化和可视化的设计效果,方便构件管理和施工排版,提高工作效率。

1.2 单元结构空间建模

通过BIM建模软件对钢结构单元进行三维建模,可以实现对单元结构的精细化设计、模拟与优化。BIM模型还可以实现对不同工程建模结果的协同,提高沟通效率,并减少误差。在单元结构空间建模过程中,应使用合适的BIM软件,并进行详细的参数设置,以保证建模结果的精确性和一致性,并对建模过程和结果进行有效管理,保障建模数据的安全性和供应链的可追溯性。同时,建立相应的BIM技术培训和应用体系,提高设计和施工人员的使用水平,加快该技术在行业中的推广和应用。

1.3 荷载信息建模

荷载信息模型是BIM模型构建的基础。在装配式钢结构建筑设计中,往往需要考虑多种荷载信息,如各种气候条件下的风荷载、雪荷载和自重,以及建筑物使用过程中的各种静荷载和动荷载等。因而建模荷载信息对于建筑设计及施工至关重要,应减少荷载信息的疏漏,提高建筑物的安全性和可靠性。在BIM软件中,通常使用参数化的形式建模荷载信息,可便于设计人员和工程技术人员在设计过程中进行可视化分析和协作。荷载信息模型的建立通常需要进行类型分类、参数设定、位置安排以及载荷值的确定。针对不同类型的荷载需定义不同的荷载类别,如静态荷载、动态荷载、短期荷载和长期荷载等。在BIM软件中,设计人员可以利用荷载类别来设定荷载的属性和参数,如载荷方向、大小和分布模式等,使得荷载模型更加准确和完备。此外,在荷载信息模型中,应严格按照设计要求和标准规定进行参数设置和荷载值的确定。

1.4 模型协同

1.4.1模型链接

在装配式钢结构设计中,模型链接是BIM技术的主要应用之一。利用BIM技术将设计所需的钢结构模型和相关数据链接在一起,实现数据、信息和资源的共享,提高了设计和施工效率。通过模型链接,设计人员可以快速而准确地获取所需材料数量和规格,进而进行施工过程中的预算、计划和分配等工作。模型链接还可以帮助设计人员实现模型间的协作和一致性,避免在建模过程中出现不一致和失误,提高了设计质量。设计人员通过模型链接可以将设计模型与其他相关模型进行集成,并在设计过程中及时检查设计参数的一致性,减少失误和重复工作。施工人员可以利用链接模型快速确定施工方案,提高了现场施工效率。在施工过程中,模型链接可以授权工程管理人员随时查看施工图纸和材料清单,方便设计人员和施工人员之间的沟通协作和协作。

1.4.2模型共享

在装配式钢结构建筑的设计和施工中,模型协同是BIM技术的主要应用之一。在钢结构设计流程中,模型协同包括了各种设计方案的协同、相互影响的分析以及构件之间的碰撞检测等。模型共享是为了让设计人员和施工人员使用相同的数据,实现建筑信息的互通和共享。除了模型协同和模型共享之外,BIM技术在装配式钢结构建筑的设计和施工中还可以应用于模型构建、变形分析、材料预测和施工模拟等方面。通过建立精确的数学模型,可以分析并预测不同工况下的结构受力状态及其变形情况。BIM技术对结构受力的预测功能可帮助设计人员选择恰当的材料,从而达到建筑节能和耐久的目标。

1.5 模型分析

在钢结构设计中,模型分析是非常关键的一步。模型分析目的在于捕捉设计建筑的荷载响应及结构强度,可以通过有限元等方法实现结构建模,并获得结构的内力响应。此外,模型分析可以进行构件的设计优化,提高钢结构的整体性能。基于BIM模型的预测及模拟可以快速获得各种荷载模型的响应,如动态荷载、地震荷载、温度及温差荷载等,根据模拟分析结果对结构进行优化,可节约用材且提升结构性能。

1.6 模型检查

在钢结构建筑设计中,模型检查是BIM技术常用功能之一。通过对建筑信息模型的数据检查,可以及时发现并纠正设计中存在的问题,包括建模错误、构件缺失及数据冲突等,从而提高设计效率和质量。针对装配式钢结构设计流程中的特殊要求,可以通过定制化检查钢结构模型中的问题,帮助设计人员在较短的时间内完成设计工作,减少因设计失误带来的损失。

2 BIM技术在装配式钢结构构件生产中的应用

2.1 构件加工图信息提取

加工图是装配式钢结构构件生产的依据。提取其信息能够提升加工效率和减少误差。BIM技术可以直接从模型中获取加工图信息,避免人工提取加工图的繁琐过程。其将模型导入BIM软件中,提取钢结构构件的几何、数量和材质等信息,生成对应的加工图。在提取过程中,先做好模型的准确性和完整性的校验。BIM技术还能够为钢结构构件生产管理工作提供支持,如基于模型的预制构件生产原料用量和产量统计等。利用BIM技术可以使制造过程更高效,有助于提高构件质量。BIM技术可以在制造过程中追踪产品的生产状态并控制进度,在施工现场指导构件拼装和监测等工作。

2.2 构件的工厂生产

2.2.1数控加工

为了满足装配式钢结构建筑高品质和高精度等要求,BIM技术已被引入构件数控加工过程。利用BIM模型对零部件进行分组以及构件的制造、加工、运输、组装等过程进行全程的跟踪管理[2],可以有效减少加工过程中的误差,提高加工精度和效率,减少不合格构件数量,降低生产成本。此外,BIM技术可以实现与现场操作的联动,实时监测装配状态,加强对装配质量的可控性,确保装配式钢结构建筑的安全性、可靠性和经济性,同时结合模块化设计和BIM技术实现工厂和现场的良好衔接,提升生产速度。该方法可以在工厂中实现数字化生产,将嵌板、加筋板、柱和梁等钢结构构件按照“一体化”技术进行加工,提高了构件的加工速度和精度。

2.2.2物流管理

在装配式钢结构构件的工厂生产中,BIM技术可用于物流管理。BIM技术可建立三维虚拟模型,将构建过程中所需材料和设备信息集成到模型中。将这些信息用于物流流程设计,可优化装配的顺序和时间。BIM技术还可在供应链中跟踪物流流程,通过实时监控和数据分析来实现物流运作的顺畅和高效。BIM技术可基于物流流程进行模拟,以预测日常生产中的物流流程,从而实现精细化管理和优化运营效率。

3 BIM技术在装配式钢结构现场施工中的应用

由于装配式钢结构的母材、节点和构件尺寸精度要求较高,现场测量容易产生误差,因而使用BIM技术进行精细化设计及现场指导可以大大提高精度,减少误差,并缩短施工周期;使用BIM技术可以降低人力资源的投入,减少人为失误,保障施工质量,提高工程的经济效益。在现场安装中,BIM技术可以在施工前依据3D模型对施工方案进行深入分析,为现场施工提供指导,提高施工效率[3];通过虚拟现实技术(VR)为现场员工提供可视化的培训和指导,提前做好风险点的识别;可借助扫描仪及移动设备对现场数据进行实时采集和处理,快速反馈施工现场信息,提升现场决策的效率。由此可见,在装配式钢结构现场施工中,BIM技术可以提高施工精度、效率和安全性,降低施工成本,提高装配式钢结构建筑施工水平。

4 结语

BIM技术在装配式钢结构建筑设计、构件厂生产及现场施工中具有极大的应用价值和优势。通过BIM技术可对装配式钢结构建筑的空间布局、构件拼接和钢材用量等进行优化,有效降低施工成本。在现场施工中,BIM技术能够实现现场精细管理和施工进度可视化跟踪,提高施工质量和效率。通过应用BIM技术能够实现装配式钢结构建筑设计、生产及施工过程中的高效、精准管理,并为建筑行业向数字化、智能化和绿色化方向发展建立良好的基础。