陈远、洪阳、刘畅、田旭
唐山冀东发展燕东建设有限公司 河北唐山 064000
摘要：工业是社会发展的主要动力和物质保障，在整个国民经济中占据绝对主导地位。随着我国建筑业的转型升级，“十四五”期间，对工业企业提出了更高的要求。对装配式钢结构建筑的建造模式、信息化应用水平、系统化集成设计程度等提出了要求，在新一代信息技术驱动下，以系统化集成设计和精益生产建造为主要手段的新型建筑工业化贯穿于整个建筑工业化进程。建筑工程全生命周期管理逐渐成为建筑行业的主流趋势，本文以建筑工程项目为例，从钢结构深度设计、模型优化集成、施工现场布置等方面开展BIM技术研究、管线综合优化，争做建筑级BIM技术应用，为BIM技术从民用建筑向工业建筑的转型升级和落地实施奠定基础。
关键词：建筑工业化；BIM技术；钢结构装配式
介绍
工业建筑不同于传统的民用建筑，在注重建筑本身的安全性和实用性的同时，更关心的是建造的工业建筑是否能满足正常生产的要求。一般来说，工业厂房具有楼层高的特点、大跨度、大建筑单元、专业类别复杂，在施工管理方面，采用传统的管理模式，不仅容易造成人、机、料的大量投入，而且难以由于工程项目施工难度大、专业性强、工序复杂繁多，难以合理控制工程施工进度，容易造成施工效率低下、设计与施工脱节的现象。随着信息化和BIM技术的成熟，实现了从手工绘图到二维平面图再到如今的三维模型的转变时代。BIM技术的借鉴，最大程度地提高了建筑工程项目施工进度的可控性、模型的可追溯性、可视化、模型信息集成等，为解决此类问题提供了可能。以大型铸钢项目为例，研究BIM技术在工业化建筑中的应用，为今后装配式钢结构工业项目与信息化的集成应用与建设提供理论指导基础。
1 项目概况
本项目位于唐山市曹妃甸协同发展示范产业园重型机械热加工中心项目一期东侧，占地166亩，总投资30918万元。该工地抗震类别为Ⅱ类，场地特征周期Tg为0.65s，设计地震分组为3组，抗震设防烈度为7度，抗震等级为4级。如图1所示，本项目分为1主厂房及2栋辅助用房，为现浇钢筋混凝土框架结构体系与门式刚架体系相结合的钢结构综合厂房，主厂房建筑高度为23.45m。该项目建成后将成为华北地区重要的大型铸钢生产基地，不仅有利于区域经济发展，而且对振兴装备制造业、促进产业升级具有重要意义。唐山乃至整个华北地区经济的快速可持续发展。
图1 大型铸钢项目效果图
2 BIM技术在设计阶段的应用研究
一个项目的关键环节是设计，而模型构建是BIM技术实施的首要环节。随着人们对工业项目的需求越来越复杂，设计的难度也逐渐增大。传统的二维设计，处于各专业相互孤立、相互争斗的时代，不能适应协同设计的要求，容易形成信息孤岛，已经不能满足当前工业建筑设计行业的要求，逐渐被三维设计所取代，三维设计更趋向于协同化，三维模型的建立是正向设计过程，数字化、信息集成化程度高，BIM+装配式+钢结构工业建筑协同发展是信息技术与新型施工方法的高效结合，是未来建筑业发展的必然趋势[1]。目前距离正向设计还有很大差距，更多的是一个不断积累的过程。从二维到三维的转变。项目开工前，根据设计院出具的二维平面图，利用CAD软件对建筑、结构、通风、电气等相关专业图纸进行拆分，并对各专业的建模工作进行分组、细化按照LOD300级别对BIM进行建模，充分利用BIM可视化、参数化的特点，将模型中每个构件以图元形式赋予专属信息属性和ID参数，以参数族的形式存在于模型中每一个参数化族就像是一个个“积木”，通过赋予的参数信息被摆放到指定的位置，如图2所示，最终形成一个整体的项目模型。
图2 大型铸钢项目三维信息模型集成
2.1 参数化设计
工业项目不同于传统的土木工程，需要更加注重厂房生产加工设备、吊车梁、人员通行的通讯平台、维修平台、生产线等的空间布局。在工业项目的建筑设计阶段，工程在传统二维平面设计模式下，设备管线、基础布置定位、生产机械安装位置等只能在平面布置图中标出平面定位，剖面图、立面图无法覆盖全部设备车间内，设计师经常用文字标注标高等空间竖向参数，对于现场施工人员和设计师来说，可视化程度低，可理解性相对较差，没有直观的体现，设计的精度和准确性也难以控制，往往在施工安装过程中才发现，此时只能通过设计变更、签证等方式进行补救，但会严重影响施工进度并造成不必要的经济损失。
传统 CAD 设计出现问题时，项目中某个数据的改变必然会影响整个项目，其他专业也会受到影响。例如，如果车间的开间或深度发生变化，周围的部件、设备基础，预埋管线位置也会错位，影响正常施工。现代工程急需的是信息的整合与协调。由此产生的Revit软件利用软件的建模功能引入参数化设计，参数化定义各个构件元素，实现数据的关联和互通。该模式下，在图纸修改过程中，建筑的形状或者构件的形状都是通过参数来控制的。这些参数可以是尺寸信息，也可以是材料信息等。信息以参数化的方式集成，建筑实体由参数控制。一个参数可以存在于多个元素中，起到链接各个元素的作用。同时，在修改过程中，参数全方位传递，自动完成图纸中相关视图的修改，实现设计更新一体化设计。以工字型双肢柱为例，通过包含各构件的参数公式，实现水平支撑数量、斜支撑数量、构件宽度、高度等参数信息的联动及快速修改即可实现，实现一族多用和模型的快速构建，如图3所示。
图3 大型钢铸件项目族模型参数设置
2.2 深化设计
采用Tekla Structures软件，以CAD平面图为底图参照，对项目主要结构构件进行深入的钢结构设计，实现了从平面到三维的转变。在保证结构安全、快速施工、经济适用的基础上，依托门式钢架结构形式和施工方案，利用软件提供的节点库及日常工作中添加的节点族，可实现节点形式如对柱梁节点、主次梁连接等进行优化，生成钢结构工业厂房三维信息模型，实现建筑的“所见即所得”，如图4所示。
图4 钢结构厂房内外模型详细设计
对于一个完整的钢结构深化模型来说，不应该只有“树干”，还应该有“四肢”。对于钢结构厂房来说，除了主要构件的施工，节点优化也是整个深化过程中的关键环节深化设计始终强调：强柱弱梁，强节点弱构件。厂房主要由钢柱、吊车梁、屋面梁、柱支撑、水平支撑、檩条、刚性拉杆、拉杆、波形钢板等构件。针对工业厂房构件，本项目钢结构深化设计阶段主要分为5个部分，即基础预埋施工、梁柱施工、支撑体系施工、围护结构施工、女儿墙柱、钢爬梯、雨棚辅助结构施工等深化设计工作。
（1）预埋基础。
基础预埋件详细设计是模型建立的第一步也是最重要的一步，基础预埋件定位不准确，可能会影响钢柱、地脚螺栓等构件的顺利定位安装，甚至影响整体建筑物结构安全。本项目占地面积大，地质条件相对复杂，位于环渤海中部地区，降水时间约60至90天，绝对工期仅需150天，在工期短、施工难度大、施工技术要求高的条件下，通过BIM技术对桩基进行预布置，为项目部提前确定降水方案提供技术支持。图5为本工程桩基础的布置，通过可视化的三维模型实现构件的精确定位。从下部锚栓定位的准确性、杯口柱基础的质量到钢柱群的安装精度，都直接影响着钢柱安装的准确性。地脚螺栓的定位成为控制的重点难点，构件的制造精度是关注的重点，根据基础平面布置、不同规格的地脚螺栓、轴线定心、偏心轴分类，制作定位板，根据与定位板尺寸有关，考虑平面刚度，定位板厚度可考虑在3~6mm之间，定位板孔尺寸比螺栓圆钢大1mm，轴线交点为在定位板上绘制一个交点，以此交点作为定位板的定位点和复测点。
图5 大型铸钢工程桩基础布置三维模型
（2）梁、柱施工。
门式结构的主要承重钢构件是钢柱和钢梁，柱网采用基础定位的方式进行定位，柱子纵向定位轴线之间的距离就是跨度，决定了屋架的尺寸；横向定位轴之间的距离即为柱距，决定了吊车梁及屋面板的跨度大小，本工程在满足生产工艺要求的基础上，充分协调跨度与柱距，使吊车梁及屋面板的柱网尽量统一，建筑平面合理。
（三）支撑体系建设。
门式刚架的支撑系统一般包括拉杆、水平支撑、柱支撑等，支撑有柔性支撑和刚性支撑，柔性支撑一般采用圆钢，刚性支撑一般采用角钢或圆管，支撑主要用于传递横向力的作用，将结构构件连成整体。横向框架结构是由屋架、柱及其基础组成的平面骨架，是厂房的基本承重结构。如图6所示，详细模型支撑体系的构造。厂房所承受的垂直荷载和横向荷载主要通过横向平面框架传递到基础和地面。纵向框架结构是由连接梁、吊车梁、纵向柱、柱支撑和基础。其作用是保证厂房结构的纵向稳定性和刚度，承受起重机的纵向水平荷载、纵向水平地震作用、温度应力、作用于山墙上的纵向风荷载及天窗框架端墙并穿过屋面结构[2]。
图6 某大型铸钢项目屋面系统部件优化建模
（4）围护结构施工。
围护结构一般包括檩条、角撑、斜撑、支撑。常规檩条截面有：C型、H型。C型檩条采用铰接节点连接，应留有10~15mm的间隙。檩条间留有缝隙。高频焊接H型钢檩条采用铰接节点连接，檩条间应留有10~15mm的缝隙。檩条端部下翼缘需切割。C型檩条孔宜采用18～25mm长的圆孔，为消除安装误差，高频焊接H型钢檩条孔宜采用加大圆孔，孔径宜比螺栓或螺栓直径大4～5mm。设计要求中，为避免设计变形，双铰C型檩条的连接焊缝应采用间断焊。角撑两端连接螺栓的孔位宜采用18~25mm长的圆孔。为保证设计的准确性，本工程按轴线分为三部分，左、对中、右部分进行优化整合，如图7所示。
图7 大型铸钢工程围护结构优化建模
（5）辅助建筑物修建。
女儿墙柱一般在工厂内焊接于柱上，对于现场需与柱或梁焊接的女儿墙柱，应设置现场安装定位螺栓，螺栓可采用16-20mm C级普通螺栓。空气塔一般采用托梁与屋面连接，空气塔底部与屋面连接处应考虑防水。室内钢梯与室外屋面维修梯的连接处应考虑现场定位，连接处应设定位螺栓。
2.3 BIM管道管理优化设计
工业建筑管道设计复杂，一直是工程设计施工中的难题。本工程主体为钢结构，基础及钢梁上有土建及机电施工。钢结构钢结构安装与土建是一条流水线作业，交叉作业频繁，因此安装前与土建的配合尤为重要，直接关系到钢结构施工的各个分项工程，因此是安装施工的重点。整个工程要合理选择主体结构安装方式，统筹安排施工工序，加强施工管理，确保顺利进行，缩短工期。钢结构施工与土建施工的有机结合是关键整个项目。
本项目引入BIM技术，在施工前期利用BIM可视化技术对各专业优化后的三维模型进行集成，根据施工流程，在BIM土建模型基础上，对各专业管线进行对工程内各专业、各系统管线进行统一规划、合理布置，如图8所示，完成各专业、各系统管线布置、管线平面布置及竖向立面的三维协调设计。提前协调解决各专业管线布局不合理、专业间软硬碰撞等问题，遵循综合管线避让原则，进行合理合规设计，合理利用空间，优化综合管线布局，并对生产线工艺机器的安装、工艺管线的布置提前做好空间预留。施工人员按照三维设计图进行施工，避免了由于管线布置不合理、管线碰撞等造成的拆除返工，提高了施工效率和施工精度，实现了降本增效，践行了低碳理念以及环保建筑。
图8 大型铸钢项目管道模型优化设计
2.4 碰撞检测
一般来说，建筑、结构、机电等相关设计工作都是由不同专业开展的，容易引发各种碰撞、冲突的位置问题[3]。通过整合各专业的三维模型，可以对所下达的原始平面设计图进行可视化，便于快速生成设计图。对设计院设计图纸进行全面系统检查，对原设计图纸中不易发现的错漏、碰撞等问题及时进行优化调整，本项目通过碰撞检测共发现问题78处，其中15处土建问题、机电问题63个，如图9所示。通过与设计院沟通，优化设计方案，调整管线高度，提前消除设计阶段存在的问题，减少了施工过程中返工、变更的发生。有效地避免了施工过程。
图9 大型铸钢项目碰撞检测及流水线优化
2.5 深化绘图
通过建立三维模型，以该模型为参照，利用Tekla软件生成钢结构加工制造详图、零件图、布置图、材料清单信息，如图10所示。通过导出的数据信息、生成工程量清单、数据报表，物资采购部门可实现物资采购的精细化管控，避免材料浪费；为商务部招标、建设工程量结算提供数据支持；方便生产制造部门及时掌握生产加工顺序、材料切割数量、尺寸规格等，更好地控制生产精度和供货进度；对于施工技术人员，通过生成的三维模型，优化施工安装顺序，模拟构件、设备和钢筋的装配结构安装、吊装位置，提前预留设备、管线施工空间，并提供专业的施工技术指导，确保设计、加工、施工的准确性和时效性[4]。
图10 大型钢铸件项目Tekla图纸
3 BIM技术在施工阶段的应用研究
3.1 施工现场布置
施工现场平面布置图是施工方案在现场的空间体现，能有效体现现有建筑物与拟建建筑物、拟建建筑物与临时设施、临时设施与施工机械之间的相对空间关系。 (材料)。施工现场平面布置是否合理，对施工组织、施工进度、施工成本、安全、文明施工等都有直接的影响。因此，科学合理的施工现场布置对施工组织、施工进度、安全、文明施工有着十分重要的作用。建造。
在施工过程中，场地布局不合理会大大增加施工成本，例如施工现场车辆进出路线规划不合理，可能导致车辆运输拥堵，无法调头，影响施工进度。料场、加工棚位置不合理，可能随着施工进展需要搬迁或重建，增加工程造价；施工机械位置不合适、料场位置不合理，可能造成材料或设备的二次运输，造成成本浪费。因此，科学合理的施工现场布局是保证建筑施工活动顺利进行，降低施工成本，实现安全文明施工的有效保障措施，有利于实现建筑施工企业利润最大化。
由于实际场地狭小，各工种、各专业的交叉作业较多，构件的运输、卸货、现场摆放等均有场地限制，本项目在引入BIM技术的基础上，满足工程施工的顺利进行。利用BIM技术的可视化特点，充分考虑施工流程段的划分、车辆进出方式、材料堆放区域等，优化行走路线，减少人员数量。施工机械及材料运输的施工图设计。并构建适合本工程的施工CI族库，如图11所示。结合施工现场实际情况，构建施工现场布局三维模型，如图所示图12，并引入建筑CI家庭库钢结构仓库施工组织设计，优化施工现场布局，规划、模型化施工现场，建设项目施工区域、构件堆场、生活区等，做到规范、文明施工，提高施工场地的利用率。
图11 大型铸钢项目企业CI家族库
图12 大型铸钢工程施工现场三维平面布置图
3.2 施工现场安装
本项目依托前期搭建的三维信息模型，优化施工方案钢结构仓库施工组织设计，确定总体安装顺序为基础预埋、钢柱安装、钢梁安装、拉杆支撑安装、二次结构安装、彩瓦安装。工业建筑中，比较重要的环节有基础预埋、钢结构主要构件的施工和安装。
（1）预埋基础。
本工程基础预埋螺栓数量较多，预埋螺栓数量及分布不均，为保证预埋螺栓位置准确，必须控制预埋精度。根据本工程特点，制定了详细的施工流程，并制定了嵌入方法，如图13所示。
图13 大型铸钢工程螺栓预埋定位
（2）钢柱安装。
钢柱安装主要分为吊装、柱脚定位、钢柱固定、柱脚放置、垂直度校正等工序。
钢柱吊点设在预焊连接耳板上，将钢柱吊至位置上方，对准螺栓孔及十字线，然后缓慢下放，在钢柱偏斜一侧用千斤顶顶起。立柱，用两台经纬仪同时对立柱进行两个方向的观测和控制，控制立柱顶部轴线偏差在规定范围内，最后将螺栓紧固至额定扭矩，立柱底部钢柱安装时应尽量到位，最终校正可采用千斤顶加调节螺母的方法进行校正。
钢梁采用单块吊装，吊装前应按要求调整板、螺栓，拉好两端风绳，吊装到位后应及时与支架螺栓连接，吊装梁上缘应横梁与立柱之间的连接板应连接好，用水平尺、皮带线调整，符合规格后拧紧螺钉，图14为现场实际安装图。
图14 某大型钢铸项目施工现场现场安装
综上所述
当前，我国正处于数字化转型升级的关键时期，随着信息技术的不断发展和应用的不断成熟，BIM技术作为建筑行业发展的利器，能够实现高度集成通过赋予建筑各专业数字化参数，实现信息化，为项目带来快速、高效的施工，实现建筑智能化建造的赋能。本项目以BIM技术为数字化载体，将工程设计、生产、加工、施工通过前期搭建三维参数化信息模型，整合、汇总项目中各专业间的数据信息，对钢结构进行深化设计，优化设计节点10余个；对所有设计节点进行碰撞检测专业模型，优化70余处碰撞点；现场布置施工场地，优化场地布局。 BIM在项目规划、运营、维护等全生命周期的共享与传输，可以使工程技术人员及时对项目做出正确的认识和高效的响应，对提高生产效率、节约成本、降低成本、降低环境成本等方面发挥重要作用。成本并缩短施工工期。
参考
原文请见《Concrete World》2023年第01期第38-45页
