钢结构深化设计与BIM技术的有机结合在改造项目中的创新应用

钢结构深化设计与BIM技术的有机结合在改造项目中的创新应用

姜光能,蒋丽萍

浙江东南网架股份有限公司,浙江省杭州市 311209

摘要：与其他传统建筑材料不同，钢结构具有强度高、重量轻、延性好等优点，在建筑工程中发挥着不可替代的作用[1]。具体来说，与建筑工程中的另一种常用材料混凝土相比，具有以下优点:(1)现场施工工作量小。钢结构主要由工厂预制和现场拼接而成，因此其主要环节在于预制，而现场涉及的工作量非常有限，因此可以大大减少劳动力需求，缩短工期，在商业建筑建设中具有非常显著的效益优势。(2)各种形状。钢结构具有突出的强度和延性，是一种柔性结构，使得钢结构可以形成许多混凝土结构无法实现的造型设计，尤其是在大跨度结构中，打破了传统混凝土结构对空间跨度的限制[2]。此外，钢构件的制作采用工厂化预制，可以精确实现复杂或不规则结构的设计制造，有利于同类型构件的大批量生产，从而大大增加了建筑外观设计的上限[3]。

关键词:BIM技术；钢结构；详细设计

1钢结构设计中存在的问题

1.1设计内容众多且复杂

近年来，我国建筑工程的发展逐渐向功能更多、空间更大、居住更舒适的方向倾斜，这对建筑的配套设备提出了更高、更多的要求。因此，工程涉及的内容越来越多，涉及的领域越来越广，包括建筑、结构、电气、暖通等。[4].但是，各种设计内容之间存在着千丝万缕的联系，需要进行合理的安排以协调它们的运作，从而最大限度地发挥它们的预期功能。但是，在目前的钢结构设计工作中，每个设计内容都是相对独立的。

1.2不同工种构件的碰撞

如前所述，钢结构建筑涉及的设计内容非常复杂，其设计工作相对独立，且大多由不同的设计媒介同时进行，会导致不同工种的设计方案中构件的空间位置发生碰撞。具体来说，建筑设计的主要目的是优化建筑各楼层的规划布局，根据甲方的要求完成建筑造型的设计，并生成三维模型进行展示。其主要设计平台是CAD、3DsMax等软件；建筑结构的设计内容主要包括各承重构件的尺寸、材料和位置，并以此为基础分析结构中各位置的受力水平，检查其强度、变形、稳定性等指标是否符合相应的标准。这个过程主要由PKPM等软件计算。建设项目的整体经济效益、施工组织和工程量主要由预算设计完成，预算设计主要采用广联达、LEED等。但由于软件类型和所属公司的限制，其大部分设计数据无法实现相互指导，导致设计人员在不同的设计内容中只能各自为政，相互之间很难进行信息交流。因此，不同部件在空间上很容易相互碰撞，甚至在辅助设备的设计上损坏承重结构，埋下安全隐患[6]。

1.3不考虑实际施工中的偏差。

钢结构的施工大致可以分为工厂预制和现场拼接两部分。实践表明，建筑质量的关键在于拼接时的手工操作。为了便于运输和组装，钢结构建筑的预制构件大多体积小、数量多，但构件在运输、吊装、焊接等阶段往往会受到外力作用和材料变形或位置偏差。虽然这些误差很小，但由于构件数量较多，大量积累后结构的整体偏差不会被忽略。此外，焊接过程中的应力集中也是整个结构产生偏差的重要原因。如果这些影响因素没有得到有效控制，或者在设计阶段留有足够的余量，项目的实际质量将远远低于设计预期[7]。

1.4缺乏可靠的成本控制

与传统建筑不同，钢结构建筑往往更难控制工程造价。以钢壳结构的国家大剧院为例，根据其设计方案，这项建设工程的预算约为25亿元。但在建设过程中，受多种因素影响，最终实际总造价达到。

30.67亿元，比设计高五分之一。同样的问题也经常出现在小型钢结构建筑项目中。建设成本的增加不仅不利于项目的顺利发展，还会影响开发商的资金流动，甚至会出现烂尾楼问题，给社会造成负担。总的来说，这些问题主要是由于钢结构建筑设计中未能充分考虑施工条件和项目运作，缺乏可靠的造价控制机制，导致施工阶段出现各种超出设计的费用[8]。

2BIM技术在钢结构深化设计中的应用

针对目前钢结构设计中暴露出的问题，设计人员可以进行有针对性的深化设计。简单来说，深化设计就是借助高科技的设计软件，实现设计的可视化，帮助设计师判断设计方案是否存在碰撞问题，节点连接是否可靠，施工成本是否在可接受的范围内。近年来，BIM技术得到了迅速发展和普及，并在钢结构设计中得到应用[9]。BIM技术是对建设项目从规划、招投标、设计、施工、运营、维护等全过程进行动态监管和调整。借助智能管理手段，通过相应的软件实现各个环节的串联和协调。BIM以其智能、科学、高效的自身优势，在建筑行业得到越来越多的关注。基于以上所列的设计问题，BIM技术在钢结构深化设计中的应用主要可以分为以下几个方面。

2.1钢结构设计内容整合

BIM技术应用于钢结构设计时，一般采用TeklaStructures进行分析。借助该软件，可以实现钢构件的综合设计。将建筑平面设计的基本参数引入软件，可以生成具有直观效果的三维模型，弥补二维平面图在判断空间位置上的不便。此外，在该软件中，可以根据建筑受力的不同类型建立粗略的模型，用于初步判断设计方案的合理性。在对暖通和电气的辅助设计进行改进后，软件可以进一步检查设计方案的经济效益，并提供修改建议。与传统设计相比，最大的区别在于打破了不同设计软件之间的壁垒，将多个设计内容整合到一个平台上，大大简化了设计流程，缩短了设计周期，也有利于设计方案的合理性判断。通过这种改变，不仅可以缓解传统设计中的设计独立性问题，而且有利于建筑合理性的提高和项目设计水平的整体提升。

2.2钢结构构件的碰撞处理

BIM技术可以生成具有直观效果的可视化模型，弥补了平面设计方案在空间位置表达上的缺陷。横梁、地板、楼梯、管道等。钢结构建筑中常用的，可以通过navisworks进行检测，帮助设计师在设计初期避免可能出现的碰撞问题，尽可能避免空间布局不合理导致的方案变更，间接降低项目风险。遇到碰撞问题，设计师还可以利用BIM技术进行优化处理，比如先在某个位置操作一个大尺寸的构件，造成空间遮挡，使得后续施工缺乏必要的操作面，进而导致构件返工。在这种情况下，BIM技术可以模拟施工过程，在结构的适当位置预留孔洞，从而为后续操作建立良好的条件。

2.3钢结构施工偏差处理

BIM技术是一种跨越整个项目周期的管理技术。既可以作为前期的辅助设计，也可以在后续的施工过程中提供持续的指导。具体来说，在施工过程中，可以将实际的施工参数导入BIM平台，利用相应的软件对施工质量进行评估。如果不符合要求，软件会反馈修正意见。此外，BIM技术还可以追溯钢构件生产和运输的源头，生成具有一定可视化功能的模型，动态模拟实际施工过程。实际施工中的误差会在处理后传递给设计师，让他们对方案进行适当的调整。以徐州奥体中心建设为例，其技术人员通过BIM技术对建筑的核心构件进行管理，在设计方案与实际模型的可视化对比中，实现对施工的实时指导和科学修正。

2.4钢结构施工成本控制

在传统的钢结构建筑设计中，工程造价和工程量的管理主要由广联达来完成，但这个软件只做工程参数的静态分析，缺乏对市场动态等外部环境的判断和调整。在BIM技术中，引入了时间的参考要素，通过分析材料成本、方案变更、项目进度等动态因素，可以准确计算成本。此外，BIM技术还可以比较各种方案的成本，选择经济性和功能性最佳的构件尺寸和数量，从而达到优化方案的目的。以徐州奥体中心为例，该工程涉及的钢构件主要为箱形弯扭构件、变截面锥形管和大直径弯弧管。通过BIM技术的模拟计算，可以得到各构件在各位置的应力水平。在此指导下完成施工工作，可以大大提高结构布置的合理性，同时可以大大规避潜在的施工风险，避免返工。钢结构施工成本控制除了合理运用BIM技术，还需要设计人员对市场趋势有准确的把握，及时调整方案，提高成本控制的准确性。

3结束语

总的来说，在功能需求多样化、施工技术科学化的工程背景下，钢结构设计急需改变，以适应行业快速发展的需要。其中，BIM技术作为智能化突出的全周期管理技术，在钢结构深化设计中优势突出。不仅可以改善构件的碰撞问题，还可以合理指导施工方案，优化施工项目的综合效益，具有非常显著的研究价值和应用潜力。

参考文献

[1]李伟,程琳,何晓宇.BIM 技术在装配式混凝土结构深化设计中的应用[J].土木建筑工程信息技术,2020,12(04):85-91.

[2]魏捷.基于 BIM 技术的钢框架办公楼施工管理与安全风险控制研究[D].合肥工业大学,2020.

[3]马泉,杨向阳,刘汇东,王金辉,邓丽娟.BIM 技术在乌鲁木齐市奥体中心劲性结构深化设计中的应用[J].建筑施工,2019,41(02):308-311.

[4]王思 蓉. 探 析 BIM 技术 在建筑 结构设计 中应用 [J]. 四川 水泥,2021(01):43-44.

[5]冷新中.BIM 数字化加工技术在钢结构加工中的应用研究[J].中国建筑金属结构,2021(01):90-91.