BIM 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)用

馬江龍

（中國(guó)華西企業(yè)有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工模式相比， 鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑可以大大縮短工期； 鋼結(jié)構(gòu)自身的高強(qiáng)度和良好的延展性使得建筑具有更好的抗震性和耐久性，尤其適合于地震活躍地區(qū)的建設(shè)；這種建筑方式對(duì)環(huán)境的影響也相對(duì)較小，實(shí)現(xiàn)了綠色、環(huán)保施工[1]。 但是，這也對(duì)鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工過程中的精確控制、 部件的協(xié)調(diào)和質(zhì)量管理也提出新的挑戰(zhàn)[2]。 在這樣的背景下，BIM 技術(shù)的應(yīng)用成為了解決這些問題的關(guān)鍵手段， 它為鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑的設(shè)計(jì)、施工和管理提供全新的思路和工具。

1 工程概況

Z-Tower，位于城市的核心商務(wù)區(qū)，總高度達(dá)260 m，包括地下3 層和地上58 層。 總建筑面積為120 000 m2，其中商業(yè)辦公空間占據(jù)了90 000 m2，余下的30 000 m2則是為住宅及休閑設(shè)施所占用。該建筑特色為其外部創(chuàng)新的鋼結(jié)構(gòu)框架， 用于對(duì)抗地區(qū)常見的強(qiáng)風(fēng)。預(yù)計(jì)的總工程預(yù)算為8 億人民幣，其中鋼結(jié)構(gòu)部分的投資達(dá)到了2 億人民幣。 按照原定的施工計(jì)劃， 工程預(yù)計(jì)總施工周期為36 個(gè)月，其中鋼結(jié)構(gòu)裝配階段占據(jù)了其中的14 個(gè)月。

2 BIM 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的有效運(yùn)用

2.1 預(yù)施工階段

2.1.1 三維建模與模擬

工程團(tuán)隊(duì)對(duì)整座大樓進(jìn)行三維建模，確保每個(gè)細(xì)節(jié)都得到充分展現(xiàn)。在模型中，每一層的面積、高度和結(jié)構(gòu)布局都得到了詳細(xì)展現(xiàn)。 利用BIM 技術(shù)，工程團(tuán)隊(duì)模擬了鋼結(jié)構(gòu)重達(dá)5 000 t 的整體承重情況。 在三維模型中，Z-Tower 的外部框架被劃分為320 個(gè)模塊，每個(gè)模塊都經(jīng)過模擬以確保其與相鄰模塊的完美對(duì)接。 為確保施工準(zhǔn)確性，模型中還模擬了大樓在8 級(jí)地震力下的穩(wěn)定性，確保結(jié)構(gòu)的抗震能力。 此外，模型還預(yù)測(cè)了施工期間每個(gè)模塊的安裝時(shí)間，每塊鋼結(jié)構(gòu)平均需要3.5 h 來確保其位置和固定。 通過BIM 的三維建模與模擬，為整個(gè)項(xiàng)目的施工提供了明確、可靠的指導(dǎo)。

2.1.2 鋼結(jié)構(gòu)部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在Z-Tower 工程中， 大樓由320 個(gè)模塊組成，涉及鋼材約5 000 t。在BIM 環(huán)境下，每個(gè)模塊都被細(xì)致刻畫，包括其尺寸、形狀和接口位置。 例如，一種特定模塊的平均長(zhǎng)度為12.5 m，寬度為4 m。 在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，BIM 技術(shù)幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)原計(jì)劃中某些鋼結(jié)構(gòu)部件的厚度可以由原先的10 cm 減少到8 cm，而不影響其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而節(jié)省了大約200 t 的鋼材。 此外，模型中還標(biāo)明了每個(gè)部件的焊接點(diǎn)和螺栓孔， 為確保施工效率，BIM 技術(shù)還模擬了部件在吊裝時(shí)的平衡和穩(wěn)定性，為現(xiàn)場(chǎng)工作提供了精確的參考。

2.1.3 施工路徑與工程量的精確計(jì)算

利用BIM 技術(shù)， 能夠?qū)φ麄€(gè)施工過程進(jìn)行詳細(xì)的模擬，從而確保施工的流暢性和安全性。 對(duì)于Z-Tower 這樣的大型項(xiàng)目，其涉及的鋼材約5 000 t，構(gòu)建了320 個(gè)模塊。BIM 技術(shù)在此階段首先建立了一個(gè)完整的三維模型，對(duì)所有模塊的擺放和連接進(jìn)行模擬。這不僅明確了每個(gè)模塊的準(zhǔn)確位置和安裝順序， 還能夠預(yù)測(cè)潛在的施工難題。 通過BIM 模型，計(jì)算出了每個(gè)階段的施工路徑，如前50 個(gè)模塊需要10 d 完成，平均每天完成5 個(gè)。 同樣，工程量的計(jì)算也變得更為精確。 例如，通過模型可以清晰地看到第一階段需要用到的鋼材為1 500 t， 焊接工作約涉及3 000 個(gè)焊點(diǎn)。這些精確的數(shù)據(jù)為整個(gè)施工過程提供了清晰、具體的指引，以確保施工的效率和質(zhì)量。

2.2 施工過程中

2.2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控與進(jìn)度更新

在Z-Tower 鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑的施工現(xiàn)場(chǎng)，BIM 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控與進(jìn)度更新。利用其三維模型，每當(dāng)一個(gè)模塊完成安裝，施工團(tuán)隊(duì)即時(shí)在BIM 系統(tǒng)中標(biāo)注， 使得項(xiàng)目經(jīng)理能夠直觀地了解當(dāng)前施工進(jìn)度。 以第一階段為例，按計(jì)劃需要10 d 完成50 個(gè)模塊的安裝。通過BIM，經(jīng)過5 d 施工后，成功安裝了28 個(gè)模塊，略超出預(yù)期的一半。并且，模型中詳細(xì)顯示出了每個(gè)模塊的具體位置和連接狀態(tài)，如圖1 所示。當(dāng)中的焊接工作，每完成一個(gè)焊點(diǎn)，都在BIM 中做了詳細(xì)記錄。 到第五天結(jié)束時(shí)，已經(jīng)完成了1 500 個(gè)焊點(diǎn)的工作，占預(yù)計(jì)總焊點(diǎn)的50%。 此外，通過BIM 技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，任何施工偏差都會(huì)被即時(shí)捕捉，如某模塊的位置偏移了3 cm，立即得到修正的建議。

圖1 焊接工藝實(shí)時(shí)監(jiān)控

2.2.2 鋼結(jié)構(gòu)部件的跟蹤與管理

確保每個(gè)部件的精確安裝與即時(shí)反饋，每個(gè)鋼結(jié)構(gòu)部件在生產(chǎn)時(shí)都被賦予了一個(gè)唯一的ID 標(biāo)簽。 當(dāng)這些部件到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，通過BIM 系統(tǒng)掃描ID， 實(shí)時(shí)地記錄其在施工現(xiàn)場(chǎng)的存放位置和狀態(tài)。 以總共需要2 500 個(gè)鋼結(jié)構(gòu)部件為例，第一個(gè)月，接收并錄入了1 200 個(gè)部件。 每當(dāng)部件從存儲(chǔ)區(qū)移動(dòng)到安裝位置，BIM 系統(tǒng)都能夠?qū)崟r(shí)更新其狀態(tài)和位置。 在部件安裝的過程中，例如在第二階段中，施工團(tuán)隊(duì)每完成一個(gè)部件的安裝，便在BIM 中進(jìn)行標(biāo)注，清晰地反映出已安裝和未安裝部件的數(shù)量。 至第二階段結(jié)束， 通過BIM 的管理， 確保了1 175 個(gè)部件已完工， 而另外25 個(gè)部件因技術(shù)問題暫緩安裝。

2.2.3 與其他專業(yè)的協(xié)同工作

考慮到建筑內(nèi)涉及的電氣、暖通、給排水等多個(gè)專業(yè)，確保它們與鋼結(jié)構(gòu)部分的無縫對(duì)接顯得尤為關(guān)鍵。 在施工準(zhǔn)備階段，團(tuán)隊(duì)導(dǎo)入了電氣專業(yè)提供的模型數(shù)據(jù)， 與原有的鋼結(jié)構(gòu)BIM 模型進(jìn)行了疊加。例如，在樓層平面中，鋼結(jié)構(gòu)柱位置與電纜橋架路徑有13 個(gè)交叉點(diǎn)，通過BIM 模型的精準(zhǔn)疊加和模擬，優(yōu)化了其中的7 個(gè)交叉點(diǎn)，避免了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際沖突。同樣，在進(jìn)行暖通風(fēng)道布置時(shí)，BIM 模型顯示，原設(shè)計(jì)中有8 處風(fēng)道與梁板之間的垂直距離小于規(guī)定值。 施工團(tuán)隊(duì)及時(shí)與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)溝通，對(duì)這8 處進(jìn)行了局部調(diào)整。

2.3 施工后期

2.3.1 質(zhì)量控制與審查

在Z-Tower 鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工項(xiàng)目中，施工后期的質(zhì)量控制與審查得益于BIM 技術(shù)的深度應(yīng)用。 首先，所有的鋼結(jié)構(gòu)組件在出廠前都進(jìn)行了BIM 模型的對(duì)照檢查。以第7 層為例，共有38 塊鋼結(jié)構(gòu)部件，通過BIM 檢查，提前發(fā)現(xiàn)并糾正了其中的2 塊部件尺寸偏差問題。 施工現(xiàn)場(chǎng)，在每個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，例如焊縫、螺栓連接處，工程師使用移動(dòng)設(shè)備對(duì)照BIM 模型實(shí)施實(shí)時(shí)檢查。 在整個(gè)項(xiàng)目中，這種實(shí)時(shí)檢查機(jī)制共發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理了37 處與模型不符的情況。最后，在項(xiàng)目完工審查階段，BIM 模型與實(shí)際施工完成的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面對(duì)比。 例如，在樓體南側(cè)，通過模型對(duì)比檢查，確保了所有的接縫和連接部位與預(yù)設(shè)計(jì)劃完全一致，確保了項(xiàng)目的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)得到滿足。

2.3.2 修改與調(diào)整建議的實(shí)施

在Z-Tower 鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑項(xiàng)目中，在工程接近尾聲時(shí)，針對(duì)第12~15 層的連廊結(jié)構(gòu)，BIM 模型顯示了一個(gè)潛在的結(jié)構(gòu)沖突， 其中涉及到了15根橫梁和7 根立柱。 通過模型模擬，工程師提出了重新配置某些部件的方案。例如，對(duì)第13 層的4 根橫梁進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使其尺寸從原來的6.5 m 調(diào)整為6.2 m。 同樣地，第14 層的兩根立柱位置也做了輕微的移動(dòng)，確保與橫梁的連接更為穩(wěn)固。

2.3.3 項(xiàng)目文檔的整理與存檔

Z-Tower 項(xiàng)目在施工后期，針對(duì)此項(xiàng)目，共產(chǎn)生了超過2 500 份工程圖紙和文件，其中包括結(jié)構(gòu)圖、機(jī)電圖以及安裝指導(dǎo)等。 為確保文件的系統(tǒng)化管理，BIM 模型被設(shè)定為文檔管理的中心平臺(tái)。 通過模型，每一份文件都與其對(duì)應(yīng)的建筑部件或系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)， 從而為查詢和檢索提供了極大的便利。 例如，第8 層的某個(gè)梁的施工圖，只需在BIM模型中選中該梁，相關(guān)的工程圖紙、材料清單以及安裝記錄等即刻呈現(xiàn)。 在項(xiàng)目完工后， 所有與ZTower 相關(guān)的BIM 數(shù)據(jù)，總計(jì)達(dá)到1.2 TB，被整理歸檔并存儲(chǔ)在了專用的服務(wù)器上，確保未來對(duì)項(xiàng)目的任何回溯或查詢都可以迅速而精準(zhǔn)地進(jìn)行。

2.4 BIM 技術(shù)應(yīng)用效益

在Z-Tower 鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑工程中， 通過BIM 技術(shù)的應(yīng)用，顯著提高了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙的質(zhì)量。 這不僅減少了由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的變更和修訂，而且顯著提高了部件的安裝速度與精度。 傳統(tǒng)的深化設(shè)計(jì)方式：針對(duì)本工程，深化設(shè)計(jì)階段需要部署10 個(gè)工程師，歷經(jīng)50 個(gè)工作日完成，考慮到每位工程師每天的成本為500 元， 總投入達(dá)到了25 萬元；而采用BIM 技術(shù)：在深化設(shè)計(jì)階段，只需5 個(gè)工程師，并在30 個(gè)工作日內(nèi)完成，每位工程師每日成本同樣為500 元，但總成本僅為6.25 萬元。如表1 所示。

表1 BIM 技術(shù)與傳統(tǒng)方式的對(duì)比

Z-Tower 作為某省首個(gè)采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)的高層公建項(xiàng)目， 其利用BIM 技術(shù)對(duì)車間進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的指導(dǎo)， 以及對(duì)施工過程中的精細(xì)化管理，都表明了裝配式建筑與BIM 技術(shù)之間的完美結(jié)合。這種先進(jìn)的技術(shù)和方法將為裝配式建筑與BIM技術(shù)的未來發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用，其深遠(yuǎn)的社會(huì)影響不容忽視。

3 結(jié)語

BIM 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工中發(fā)揮了巨大作用。 從設(shè)計(jì)的初步規(guī)劃，到施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)反饋， 再到工程的后期管理，BIM 為整個(gè)項(xiàng)目的流暢進(jìn)行提供了有力的技術(shù)支持，不僅提高了施工的精度和效率， 還有效降低了因誤差導(dǎo)致的成本浪費(fèi)。未來，隨著數(shù)字技術(shù)和建筑行業(yè)的進(jìn)一步融合，BIM 技術(shù)會(huì)在鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工領(lǐng)域中得到更為廣泛的應(yīng)用。