基于BIM技术的钢结构工程深化设计应用探究

彭轶群

摘要：本文以某车站站房的钢结构工程为实例，应用 BIM（建筑信息模型）技术对结构复杂的钢结构项目进行可视化模拟，提高了钢结构项目信息传递准确性，解决钢结构工程在深化设计中遇到的问题。在 BIM 信息模型中完成复杂节点及构件模拟，碰撞校核，扫除项目施工障碍，可显著提高工作效率，节约工程施工成本。体现出 BIM 技术在复杂钢结构项目中应用的强大优势。

Abstract： This paper takes the steel structure engineering of a station building as an example， applies BIM （Building Information Model） technology to visually simulate the complex steel structure project， which improves the information transmission accuracy of steel structure project， and solves the problems encountered in the deepening design of steel structure engineering. To complete complex node and component simulation， collision check， and removal of project construction obstacles in the BIM information model can significantly improve work efficiency and save construction cost， which demonstrates the powerful advantages of BIM technology in complex steel construction projects.

关键词：钢结构;建筑信息模型;深化设计;应用

Key word： steel structure;building information model;deepening design;application

中图分类号：TU17;TU391                             文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）26-0192-04

0  引言

钢结构项目通常具有形式多样、结构复杂、工程规模大、设计难度大的特点，因此其所包含的信息量是巨大的。同时，参与管理的单位较多且工作搭接密切、频繁，对传递信息的准确性提出了更高的要求，因此企业对于钢结构的深化设计、构件的加工制作以及成品的现场安装等管理难度也相应增大。BIM（Building Information Modeling）的全称是建筑信息模型。这种全新的生产方式，已经通过大量成功的案例证明其具有巨大的价值优势。[1]发达国家的建筑业因为这种全新的生产方式的引入产生了重大的革新。BIM最大程度整合建筑项目信息的数据库，为工程管理、设计、施工各方打破了信息交圈的壁垒，提高了项目信息传递的准确性和时效性，提高了工程管理的精确性，极大的避免由信息交圈壁垒产生的无效成本。BIM的优势在于构建复杂的三维模型，并以此指导构件的加工生产及安装。这种优势可以为建筑行业带来极大的可能性。[1]目前钢结构项目中最常见的三类问题——复杂的深化设计、信息沟通交圈不充分和混乱的现场管理，已经能通过不停迭代优化的BIM技术有效的解决。因此，全面推广BIM技术的应用将是推动建筑产业现代化的重要组成，而BIM技术也必将是推动建筑行业进一步发展的助推器。

1  行业现状

深化设计是钢结构公司生产施工的重要步骤之一，作为生产的前期准备工作，深化设计一定要为接下来的实际生产施工打下坚实的基础。深化设计必须在满足国家规范的基础上对钢结构节点进行二次设计。前期对构件的分段是否合理不仅关系到原料的采购成本，而且影响运输成本，甚至现场安装的成本。因此深化设计是影响工程完成质量的第一关键点。

目前，許多构件加工企业仍然使用低效、原始的AutoCAD放样方法，深化设计成果的精确性难以保证;而复杂的连接节点和施工工艺，也给施工单位的现场施工带来很多问题。对于比较复杂的空间曲线和曲面，使用 AutoCAD难以完成任务。由于钢结构复杂的连接节点以及种类繁多的零件，深化设计的精确性完全依赖于设计师的个人能力，其准确性难以保证。并且在深化设计中遇到输入条件的变化，设计人员需要耗费大量的精力去确认修改部位，这种工作方式效率较低。因此，为了提高钢结构深化设计的工作效率，亟需应用先进的BIM技术。

2  BIM技术在钢结构深化设计中的应用

本文以某火车站站房改扩建工程为例，说明BIM技术在钢结构深化设计中的应用。该项目使用的深化设计软件为BIM系统中专门针对钢结构深化的Tekla Structures软件。根据设计院的设计蓝图结合国家规范对钢结构节点进行二次深化设计，并完成从设计蓝图转换为零件图、构件图和布置图的转变，满足指导工厂流水作业和现场安装的要求。

2.1 前期准备工作

①项目负责人需仔细审图，检查蓝图中提供的节点是否齐全、合理，对于没有给出的节点或者认为不合理节点会提出合理方案与设计沟通确定。②确定工作模式。由于该工程工程量较大，结构较为复杂，所以确定使用多用户方式建模，即将整个工程分区、分层交由不同的技术人员分别建模。③将工程中所有构件的规格和材质整理，并由专人输入相关信息并保存到Tekla Structures模型中。经专人检查确认信息准确无误后，保存模型。建模人员在建模过程中只需调用读取相关信息，无须手动输入，这样从根本上避免出现与构件相关的信息错误。

④确定编号规则，如表1所示。

⑤轴线、视图命名规则。在多用户模式下需要统一轴线、视图命名规则，方便绘图人员准确、快速调用。

2.2 模型建立

采用多用户模式工作的优点是将整个工程化零为整，每个人负责自己相对独立的区域互不干扰，最后完成整个模型。工作模式类似流水施工，其中一块区域完成后，绘图人员可以快速加入到另一块区域的绘图工作中。此模式可节约大量的建模、审核时间。

2.3 碰撞检查

碰撞检查即检查零件、构件之间是否存在物理或者逻辑上的碰撞。物理碰撞即物体实际发生碰撞。逻辑碰撞即零件或者构件之间的空间关系是否满足要求，例如检查螺栓排布问题，逻辑碰撞就是检查第一排螺栓与板边之间的距离以及螺栓之间的距离是否满足规范要求。利用BIM技术在钢结构深化设计过程中可以快速的进行碰撞校核，检查模型是否发生碰撞，以便快速沟通修改，如图2所示。

专业内部发生的碰撞比较容易发现，整改也相对及时，但是专业之间的碰撞发现较难，发现时往往已经很难整改，尤其是钢结构和土建结构之间的碰撞，任何一方整改都会造成较大损失，所以检查专业之间的碰撞是重要的步骤之一。虽然在设计阶段会进行专业间的碰撞校核，但是在项目实施过程中出现的洽商变更同样会导致出现碰撞。此时需要将最新的模型进行整合，重新做碰撞校核。对出现碰撞的部位及时上报并根据要求进行修改，避免出现因为碰撞导致的修改、返工。

在本项目实际操作过程中遇到了以下碰撞问题，总结如下：

①夹层钢梁与牛腿节点相碰。

在图号ST-104处存在夹层梁梁节点碰撞，经实际放样：1/5-5轴线与C-D轴线之间，在5轴往1/5轴1500mm处的钢梁GCL5，靠近D轴处，GCL与D轴上的GZ1牛腿节点相碰，如图3所示。建议修改方案是将牛腿减短50mm或钢梁GCL5往5轴移动50mm。

②混凝土梁高与同层埋件板冲突。

在图号ST-109处存在与夹层梁连接的埋件超过混凝土梁高度的情况，GCL与混凝土连接时，所连接的混凝土梁高为1000mm，埋板高度为1050mm，需要根据混凝土梁保护层厚度调整此处节点。此处的处理方法是改变埋板的高度或调整埋板节点。

③电梯井与夹层钢梁碰撞。

在标高12.880米处电梯与楼层梁GCL5碰撞，如图4所示。处理结果：取消此处碰撞的楼层梁。

④夹层钢梁与混凝土梁碰撞。

在标高12.5m处夹层结构布置图（一）中，9轴上的夹层钢梁和吊点与此处混凝土梁碰撞，如图5所示。处理方法是取消此处碰撞的梁和吊点，增加埋件及收边角钢，满足楼层铺板。

技术人员利用BIM技术发现碰撞问题，并及时与总包和设计单位进行沟通并一一修改，将问题解决在萌芽之中，避免因修改构件而造成损失。

2.4 模型审核

三维模型可以让人更清晰、更直观的认识整个模型，可以随意缩放以及采用任意视角来检查任意节点的处理方式是否正确。由于模型本身以及每天的修改量都非常大，容易出现模型损坏或者丢失的情况，所以项目负责人必须从模型建立之初，就开始模型审核，定时定期校核数据库。具体做法为：每天下班后，负责人将模型从服务器上拷贝一份，将模型进行一次校核，再把校核后的模型拷贝回服务器，这样便修正了模型中的逻辑错误。第二天继续检查模型中是否有建模错误。不仅如此，负责人每隔一天将校核过的模型拷贝并保存，防止硬件错误造成的数据丢失。如此一来，当模型全部建立完成时，第2-3天全部模型便可以全部审核完毕，达到出图要求，极大程度上缩短了建模、审核时间。

2.5 出图

模型建立、审核完成后，进入到出图程序，一般需要生成安装布置图、零件和构件加工图，最重要的是可以生成各种报表供不同部门调用相关信息。

2.5.1 对模型进行编号。模型完成后，需要对模型中零件构件运行编号。编号不只用来将零件构件命名，还可以用来检查模型中是否存在漏焊，帮助检查模型。构件编号应按以下几个步骤执行：①清除构件编号;②矫正模型;③矫正数据库;④校核并修正编号。

2.5.2 图纸制动更新。在项目运行过程中，随着设计图纸的逐渐完善、电气设备厂家的逐步确定，经常会出现设计变更，设计变更就意味着深化模型以及图纸同时需要修改。Tekla Structures软件作为老牌的钢结构BIM软件，其搭载的基于面向对象技术可以便利的修改模型及图纸。模型中将所有元素都定义为智能目标（包括梁、板、柱、螺栓等）。假如梁的属性进行修改，则其相邻的节点也会相应自动调整，此外，相对应的总体布置图和零件安装圖都能自动调整。这样一方面可以减少由于人工修改漏项而造成错误等通病，提高图纸质量;另一方面自动出图可以极大的提高出图的效率，从而为工程的顺利施工提供强有力的支持。

2.5.3 生成零件清单、构件清单、螺栓表：完整的模型可以提供准确的材料清单，方便物资部门的询价、招标、采购。完整的模型同样可以提供准确的构件清单，方便工厂合理分配加工任务;提供准确的螺栓清单，方便项目部的采购及安装;提供准确的构件表面积报表，根据报表可以估算出油漆、防火涂料使用量，供物资部或成本部进行采购材料或签订分包合同;提供准确的构件净重表，方便后期决算人员的结算。软件生成的各类报表服务于整个工程，是工程预决算的重要依据，减少了工程管理的难度。

2.5.4 生成零件图。零件图的基本要求是：图纸表达清晰明了，尺寸标注准确细致;避免出现表达冗余、罗嗦的情况。

2.5.5 生成构件图。对于复杂结构构件，应在图纸中补充3D视图，以清晰反映各零件的空间关系，使人能够一目了然，避免装配人员因读图错误导致的安装错误。在出图时要做到图面布局合适、尺寸标注合理。出图后对工厂和项目人员进行交底，明确图纸表达含义，对他们认为不清楚的地方进行解释或者修改。

2.5.6 生成安装布置图。安装布置图应包含构件信息以及构件之间的空间定位关系信息，以供现场安装人员准确定位安装。此外对于复杂工程，尚应输出各层平面及立面的布置图。

2.5.7 审核图纸。在Tekla Structures软件中，模型和图纸是一一对应的，前期模型审核完毕便保证了图纸中零件的正确，后期只需审核图纸中标注是否详细、图面布局是否合理。

3  结语

利用Tekla Structures软件对钢结构工程进行建模，通过三维模型可以便利的输出工程所需的各类数据及报表，有利于简化空间结构的复杂性，减少深化设计中的难点并且为后期的工程施工提供了巨大的帮助。项目管理人员在基于BIM技术的深化设计的过程中，可以提前预测施工过程中可能发生的问题，加强对项目的管理，保证工程建设的质量，节约工程的成本。信息化的模型极大的减少了过程中资料的缺失和遗漏，有利于项目资料一体化管理。

综上所述，通过采用BIM技术，可以有效的降低钢结构深化设计误差概率，而自动化出图可以极大的提高出图效率，为工程的顺利施工提供有力支撑。BIM技术在钢结构工程中的深化设计应用具有推广价值。

参考文献：

[1]黄子浩.BIM技术在钢结构工程中的应用研究[D].华南理工大学，2013.

[2]刘亚楠，杨柯红，宋婷.基于BIM技术的钢结构深化设计研究[J].价值工程，2017，36（27）：129-130.

[3]高屾.浅谈钢结构深化设计的技术应用[J].价值工程，2014，33（17）：126-129.