BIM技术在钢结构厂房建造中的应用

针对传统的钢结构厂房建造过程在设计、构件加工制造和安装等阶段存在效率低下、工作繁琐、资源浪费、信息丢失等问题，以马达加斯加钢结构厂房建造项目为实例，详细介绍了BIM技术在钢结构厂房建造中的应用情况。其中在钢结构加工制作中，BIM技术的应用可以实现3D节点和模型的模拟、自动生成三维图纸、精准模拟碰撞等，可以有效地提高工作效率，减少错误，提高业主满意度；在现场安装阶段，BIM技术可以直观、生动地模拟施工的全过程，实现模块化吊装，减少工人高空作业等，提高工作效率，减少危险情况的发生。

 

一、概述

 

BIM技术(又称建筑信息模型)，是Building Information Modeling的简称，是近些年信息技术在建筑业快速发展的必然结果。其实质为通过专业软件，将建筑物系统和全部构件参数化、信息化，以三维可视化的形式形象直观地对建筑物进行分析、修改和设计，并生成加工制造、现场安装等阶段施工所需的文件。传统的钢结构厂房建造过程在设计、深化设计和安装制作等阶段存在效率低下、工作繁琐、资源浪费、信息丢失等问题。钢结构厂房结构较复杂、涉及专业较多，很容易产生各个专业在不同阶段使用各自的模型，信息沟通不及时、最终与其他专业发生碰撞、冲突等情况的发生。应用BIM技术，可以很好地解决此类问题。本文首先分析了BIM技术在钢结构厂房中的应用情况，对BIM技术在钢结构厂房中的建造流程进行了说明，并结合马达加斯加钢结构厂房实例，研究了BIM技术在钢结构厂房建造中的应用情况，详细介绍了BIM技术在钢结构厂房加工制造及现场安装中的应用。

 

二、BIM与钢结构厂房建造

 

BIM技术相比于其他以往的传统绘图软件(例如Micro Station和Auto CAD)的最大优势在于可视化，设计人员可以充分利用搭建的模型使得图纸显示功能化和模块化。此外，BIM技术还可以更直观更生动地对制图的结果甚至绘图过程进行展示，而且BIM技术可以自动生成各角度的视图，这样设计人员不仅可以减少对空间模型抽象思维的想象，更能减少设计过程中错误发生的概率，提高设计效率。另一方面，由于BIM技术，设计和建造钢结构厂房的各个专业或各个厂家可以实现较好的对接，减少各专业之间的冲突，降低成本。对于钢结构厂房的建造，BIM技术有利于施工单位在施工过程中的安装、构建的加工和各项分析等工作，且BIM技术的四维施工模拟可以清晰直观地模拟施工顺序、施工界面、各专业之间配合等工作过程。

 

对于钢结构厂房的建造来说，其中一个较大的难点在于碰撞识别，比如构件、管线或设备之间是否发生碰撞、是否满足安装所需空间和净空的要求等。图1为某钢结构厂房内部管线的鸟瞰图，从中可以清晰地看出管线与其他构件之间的关系，并且可以较快地找到碰撞点，进行碰撞检查。如发现问题，在前期尽快解决碰撞问题，可以节约成本、提高效率。

 

图1 某钢结构厂房内部管线鸟瞰

 

另外，为了方便现场人员进行施工顺序的调整、施工进度和计划的编制等工作开展，更准确地对现场条件进行判断，可以利用BIM技术建立可视化的模拟环境。目前常用的项目管理软件为P3，但是P3缺少形象直观的载体，只是单纯对项目的文字和图表进行描述。而这方面恰恰是BIM技术的优势，BIM技术不仅可以直观的对实体进行模拟，更重要的是可以对输出的结果进行展示、计算。相对于传统计算工作量大、工作时间长、计算结果准确率低等问题，BIM技术可以直接生成造价预算和工程量表格。此外，BIM技术提供的三维效果图、漫游、动画等技术可以让非专业人员清晰直观地对项目进行快速了解。BIM技术在钢结构厂房中的建造流程如图2所示。

 

图2 BIM技术在钢结构厂房中的建造流程

 

BIM技术在钢结构厂房中的应用可以为从业主、到项目管理公司(总承包)到工程竣工的全过程提供技术支持。一方面可以对建筑设计、工艺设备、钢结构和消防进行碰撞检查，另一方面又可以对工期和成本进行管理，并可分别提供钢结构在建筑设计、工艺设备、钢结构和消防中的模型。BIM技术可以在结构设计中采用PKPM软件或者Staad/Pro建立BIM模型，并且可以导出为IFC或者CIS/2的格式，再导入到Telkla Structrues中辅助进行深化设计，BIM技术可以生成模型、安装图和加工图以指导加工制作和安装。

 

三、工程应用

 

1、工程概况

 

钢结构项目位于马达加斯加首都塔那那利佛，该城市为马达加斯加共和国的政治经济中心。该钢结构项目占地面积为24万㎡，其中建筑面积达3.2万㎡。该项目的建筑设计为法国的某建筑设计院，中国某钢结构公司则负责钢结构的制作、运输和设计，而钢结构的安装由当地安装公司负责。项目要求较高，施工难度较大，该项目被划分为多个单元，每个单元的差异性较大，其难点主要集中于：工期紧张；由于参与方来自多个不同国家，沟通难度较大；业主要求高，并且由于当地风俗习惯，不允许现场焊接，焊接工序基本在车间完成。

 

图3 钢结构厂房内部结构效果

 

2、BIM在加工制作中的应用

 

BIM技术在钢结构加工制作中目前应用已经十分广泛，由于钢结构公司往往会进行深化结构设计，为了更好地应用BIM技术，可以将加工制作和钢结构的深化阶段有效结合。BIM在加工制作中的应用流程为：首先详图设计人员会在结构工程设计师导出的BIM模型的基础上，导入软件Tekla Structrues中，从而可计算得到截面核定后的框架，然后参照设计院提供的模型节点图，将得到的节点导入至模型中，经核对后，生成便于加工制作的零件图或构件图。BIM在加工制作中的应用效果主要集中在3D模型、3D节点、图纸自动化和碰撞检查等领域。

 

1)3D模型：以往的模型采用CAD平面图纸进行放样，很难从全局考虑，遗漏连接孔等问题时常发生。而使用BIM软件之后，可以更加直观和便捷地显示整个模型，工程师可以更加方便地根据三维模型增加构件或节点。本钢结构厂房的3D模型如图4所示。

 

图4 基于BIM技术的3D模型

 

2)3D节点：3D节点可以非常直观地显示出节点的细节，工程师可以根据设计师的要求，增加所需节点或者构件，同时也可以很好地避免扭剪型螺栓或者高强度螺栓在安装过程中空间不够的问题。本钢结构厂房的某个3D节点如图5所示。

 

图5 基于BIM技术的3D节点

 

3)自动化生成图纸：Tekla Structures软件功能十分强大，可以根据用户要求，自动将零件和构件在模型中搭建好，生成三维零件图和构件图(图6)。

 

图6 由BIM模型自动生成的图纸

 

4)碰撞检查：本钢结构厂房属于化工类厂房，管线数量多且相当复杂，图7为管线模型，如果在建造过程中出现管线碰撞交叉的情况，一方面会造成返工，影响工期，另一方面也会增加成本，造成浪费等。所以，前期解决好管线碰撞问题是十分必要且关键的，首先可以将该钢结构厂房的各个模型构件导入到Navisworks平台中，该平台可以自动生成碰撞报告，经处理后发给各个专业的相关负责人，由业主组织各个专业负责人进行沟通协调，解决碰撞问题。本模型主要有11处会发生碰撞，其中电缆桥架和钢系杆的容易发生碰撞，且上层桁架与圆钢支撑也容易发生碰撞，处理方法为增加钢系杆，降低钢系杆位置，调整上部圆钢支撑的位置。

 

图7 该钢结构厂房内部管线

 

图8为选取了4个相对典型的碰撞示意进行分析，其中图8a为3号的碰撞示意，其主要是电缆桥架与钢系杆发生碰撞，解决的方法为桥架的位置从侧边向中间移动100mm。图8b为6号的碰撞示意，为桥架与圆钢支撑发生碰撞，处理方法为调整桥架的结构形式或位置。图8c为7号的碰撞示意，发生碰撞的两个构件分别为系杆和设备管架，处理方法为降低系杆高度，并与钢结构厂家联系，对圆钢支撑做出调整。图8d为10号的碰撞示意，发生碰撞的构件为系杆和设备管架，处理方式为在该位置将圆钢支撑改为新的系杆，并联系钢结构厂家对圆钢支撑做出相应调整。

 

图8 模型典型碰撞示意

 

3、BIM在现场安装中的应用

 

Tekla BIMsight软件为Tekla推出的一套功能强大，同时可以在笔记本、手机或平板电脑等终端上使用的软件。该软件可以将设计的模型导出成为Tekla BIMsight软件支持的模型，可以在任意终端进行查看，而避免了以往在现场翻阅厚厚图纸的情况，且该软件可以非常直观形象地在相应位置找到构件的数量、型号等。图9为该软件的操作界面，从左向右的功能区分别为模型选择区、三维示意图区和构件对象区。

 

图9 Tekla BIMsight软件操作界面

图10 钢结构厂房吊装模块分区

 

考虑到安全、工期等因素，采用模块安装的思路进行建造，该钢结构厂房被分为22个模块(图10)，每个模块内的构件主要包含檩条、柱、梁等，而且上述构件可以一起安装，大大减少了现场人员高空作业的次数、在保障安全的基础上又提高了安装效率，该施工方法可以在其他类似项目中进行推广。图11—图13为现场安装和吊装模拟及完工后效果。

 

 

图11 现场吊装模拟

图12 现场安装模拟

图13 厂房完工后效果

 

结束语

 

本文结合马达加斯加钢结构厂房实例，研究了BIM技术在钢结构厂房建造中的应用情况，详细介绍了BIM技术在加工制作及现场安装中的应用。其中在加工制作中的领域内，BIM技术的应用可以实现3D节点和模型的模拟，实现自动生成三维图纸，精准模拟碰撞等，可以有效地提高工作效率，减少错误的发生，提高业主满意度。在现场安装阶段，BIM技术可以更加直观、生动地模拟从构件制作到安装完成后的施工全过程，并且由于BIM技术的引用，钢结构厂房可以实现模块化吊装、减少工人高空作业等，在提高效率的同时，减少了危险的发生，具有较高的推广价值。

 

第一作者：海洋，男，1977年出生，硕士，讲师，工程师。