BIM技术在钢结构设计中的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 27 日 作者简介：朱兵（1990），男，汉族，湖北钟祥人，中级工程师，从事工作类型为结构设计，具体研究方向（专业）为钢结构抗震。-69-BIM 技术在钢结构设计中的应用 朱 兵 中冶武勘工程技术有限公司，湖北 武汉 43008 摘要：摘要：文章以 BIM 技术在钢结构设计中的应用为研究内容，首先阐释了 BIM 技术的内涵、特征以及常用的软件，继而从提高建模效果、助力深化设计、优化设计模式三个方面探讨了 BIM 技术在钢结构设计中的应用意义，并提出了 BIM 技术的应用思路与对策。钢结构是现代建筑工程最常用的结构之一，并且，随着建筑业的不断发展，钢结构的形式日益多样。传统的钢结构设计以二维平面设计为主，存在诸多的不足，既不能准确、全面呈现钢结构的立体模型，也难以有效衔接钢结构设计与钢结构施工。对此，BIM 技术有着重要的应用价值，是推动钢结构设计优化与发展的有效载体。2017 年，国务院办公厅发布了关于促进建筑业持续健康发展的意见，意见明确指出“加快推进建筑信息模型（BIM）技术在规划、勘察、设计、施工和运营维护全过程的集成应用”，各地方政府也以国务院办公厅意见精神为依据，出台了契合本地区实际情况的政策，各级政府的政策支持为 BIM 技术的应用创造了良好的外部条件。对此，要加强 BIM 技术在钢结构设计中的应用，提升钢结构设计的水平。关键词：关键词：BIM 技术；钢结构设计；应用 中图分类号：中图分类号：TU391 钢结构是现代建筑工程最常用的结构之一，并且，随着建筑业的不断发展，钢结构的形式日益多样。传统的钢结构设计以二维平面设计为主，存在诸多的不足，既不能准确、全面呈现钢结构的立体模型，也难以有效衔接钢结构设计与钢结构施工。对此，BIM 技术有着重要的应用价值，是推动钢结构设计优化与发展的有效载体。2017 年，国务院办公厅发布了关于促进建筑业持续健康发展的意见，意见明确指出“加快推进建筑信息模型（BIM）技术在规划、勘察、设计、施工和运营维护全过程的集成应用”，各地方政府也以国务院办公厅意见精神为依据，出台了契合本地区实际情况的政策，各级政府的政策支持为 BIM 技术的应用创造了良好的外部条件。对此，要加强 BIM技术在钢结构设计中的应用，提升钢结构设计的水平。1 BIM 技术概述 1.1 BIM 技术内涵 BIM，全称 Building Information Modeling，即建筑信息模型，最早由美国学者 Charles Eastman、Jerry Laiserin 等人于 20 世纪 70 年代提出。随着信息技术的不断发展，信息技术在建筑领域得到了广泛的应用，BIM 成为建筑行业的标准术语。BIM 技术指以可视化表达的形式呈现建筑工程信息，并构建三维模型的技术1。1.2 BIM 技术特征 BIM 技术的特征主要有三点：一是集成性。BIM 技术具有强大的集成功能，建筑模型数据库中涵盖了大量的信息，设计人员可以在数据库中快速找到需要的信息。二是参数化。BIM 技术的主要任务是建模，而参数化则是建模的前提。BIM 技术具有参数化的特点，并且，以参数建模，不仅可以丰富数据处理，也能推动3D 可视化模型的发展。三是优化性。基于 BIM 技术的设计是一个动态化的过程，能够结合实际需要，不断调整设计方案，持续优化设计效果。1.3 BIM 技术常用软件 确切地说，BIM 技术是一种先进的集成管理平台，各种类型的软件则是 BIM 技术的载体。当前，BIM 技术常用软件主要有建筑 BIM 软件、结构 BIM 软件、设备BIM 软件、施工 BIM 软件以及项目 BIM 软件五大类2，每类 BIM 软件又包含多个亚类，比如，建筑 BIM 软件包括建筑方案设计软件、可视化设计软件、建筑模型创建软件等，结构 BIM 软件包括结构建模软件、结构分析软件、深化设计软件等。中国科技期刊数据库 工业 A-70-2 BIM 技术在钢结构设计中的应用意义 2.1 提高建模效果 3D 建模是钢结构设计的基础工作。CAD 模型虽然可以进行 3D 模型的绘制，但效果并不佳，因为 CAD 的3D 模型是基于多个二维平面图而创建的，本质上是二维平面图的集合，而非真正意义上的 3D 模型。BIM 技术则不然，各种类型的 BIM 软件能够以设定标高的方式，在平面图中直接创建 3D 模型，提高了模型创建的准确性。同时，基于 BIM 技术的钢结构 3D 模型也具有平面图纸生成功能，能够快速生成不同观察视角的平面图纸。并且，与 CAD 的平面图纸相比，BIM 技术 3D模型生成的图纸更为的直观、真实，为钢结构工程的各参与方，如设计方、施工方、业主方等，了解钢结构工程提供了帮助。2.2 助力深化设计 BIM 技术不仅可以整体性提高钢结构设计的建模效果，也能助力钢结构深化设计，从细节层面强化钢结构设计品质。深化设计软件是 BIM 技术常用软件之一，最为典型的便是芬兰 Tekla 公司以 BIM 技术为基础推出的 X-steel 软件。该软件能够对导入系统的数据进行实时分析，在虚拟中完成钢结构模型的构建。同时，该软件也具有强大的节点分析功能，能够对钢结构中的节点类型以及主次要构建、材料规格、几何尺寸、截面类型等进行综合性表达。高度集成以及动态变化的优势，使得 X-steel 在钢结构深化设计中具有显著的效果，可以整体性提升钢结构设计的效果。此外，诸如 Revit structure、Bentley structure等基于 BIM 技术的结构建模软件，在钢结构深化设计中也具有广阔的应用价值。2.3 优化设计模式 作为钢结构工程的前置环节，钢结构设计水平直接关系到钢结构施工效果。在钢结构日益多样化、综合化、复杂化的今天，传统设计模式越来越难以满足钢结构设计的需求。钢结构设计涉及到多个环节、多道流程，传统设计模式以独立设计为主，设计师间缺乏必要的沟通，且设计与施工也未能紧密衔接起来。对此，BIM 技术在钢结构设计中的应用有着重要的意义，可以推动钢结构设计模式的优化。一方面，BIM技术在钢结构设计中的应用，以组建专门的 BIM 团队为前提，需要各设计师围绕钢结构中心模型开展协作设计，有效提升了设计工作的协同性，为设计中矛盾冲突的解决创造了条件3，另一方面，BIM 技术也强化了钢结构设计与钢结构施工间的联系，为钢结构工程管理工作的有序开展提供了便利。3 BIM 技术在钢结构设计中的应用思路 3.1 建立三维模型 传统的钢结构设计存在拓展性不佳的问题，难以根据现场施工的需求动态化调整设计方案，削弱了钢结构设计的作用。基于 BIM 技术的三维模型具有良好的拓展性，能够为日后的改造与拓展提供便利。因此，要将建立三维模型作为 BIM 技术在钢结构设计中应用的基础内容。BIM 技术中有大量的软件系统，设计期间，可将钢结构的各类数据输入到软件系统中，创建钢结构三维模型。同时，也可从模块化施工的角度，开展不同模块的设计，以三维模型增强模块设计与施工的匹配性，强化钢结构设计服务钢结构施工的水平。钢结构设计作为一项系统性工作，不仅要注重整体模型的设计，也要做好细节层面的分析，而 BIM 技术在细节分析中也具有显著的作用。现代钢结构的构建较为复杂，在施工中极易出现难以合理交互的问题。BIM技术有强大的计算能力，既能简化设计流程，提高建模效率，也能提高钢结构设计细节处理效果。要加强BIM 技术在钢结构细节分析中的应用，从宏观、微观两个层面发挥好 BIM 技术的设计价值。3.2 输出设计图纸 BIM技术普及前，CAD是钢结构设计最常用的软件。作为二维设计软件，CAD 在设计图纸输出中存在很大的局限性，一方面，平面图纸难以立体化呈现钢结构的整体情况，另一方面，设计人员在图纸绘制期间无法兼顾钢结构工程的其他环节。因而，一旦出现图纸错误，势必会影响钢结构工程的进度与质量。要发挥好BIM 技术在钢结构设计图纸输出中的作用，借助 3D 模型，全面反映钢结构的几何特征，并在 3D 模型的帮助下，将设计图纸直接输出，为后续施工建设提供便利。为从根源上降低各类隐患，要加强与钢结构生产厂商的沟通，确保生产出来的钢结构与设计图纸一致。BIM技术具有虚拟拼接功能，能够以虚拟的方式对钢结构进行拼接处理，预先创设钢结构现场模块，并采集各类数据信息，如结构数据信息、参数信息等，为设计模型的优化调整提供了便利4。要在设计图纸输出后，中国科技期刊数据库 工业 A-71-依托 BIM 技术开展钢结构虚拟拼接，提高三维模型信息与实际情况的契合度，为钢结构拼装提供可靠的指导。3.3 分析复杂节点 节点设计是钢结构设计的重点、难点。现代钢结构中有大量的节点，而 BIM 技术则在复杂节点的分析与设计中具有显著的应用价值。以某建筑工程顶端钢结构为例，该钢结构由钢桁架、连系梁构件组成，共75 个水平、斜向杆件。梁柱连接点作为钢结构中至关重要的载荷部位，应力较为集中，应该成为钢结构设计的要点。对此，在设计中要确保主桁架载荷设计标准高于次桁架设计标准、桁架平面内部载荷设计标准高于平面外部设计标准5。同时，在钢结构各构件的设计中，也要将钢结构整体的协调性、稳定性作为设计目标。Tekla 是芬兰 Tekla 公司开发的钢结构详图设计软件，也是当前最主要的钢结构节点 BIM 技术。Tekla具有强大的实体建造能力，不仅汇聚了众多节点模板形式，具有专门的模板节点库，更具有参数化节点以及二次开发功能，在钢结构节点设计中有着重要的应用价值。要借助 Tekla 进行钢结构深化设计，提高节点设计水平，为节点的制作、安装提供保障。3.4 助力单体衔接 随着建筑业的不断发展，建筑物规模也在扩大。建筑工程钢结构呈现出单体多、界面复杂的发展趋势，对钢结构设计提出了更高的要求。因此，要加强三维BIM 技术在钢结构单体衔接中的应用。三维 BIM 技术中包含大量的软件，其中，Tekla Structures 作为专门负责钢结构详图设计的软件，在钢结构单体衔接处理中具有重要的应用价值。可将钢结构相关设计信息输入到 Tekla Structures 中，利用三维建模，解决传统平面设计不可视化的判断，提高冶金工程钢结构设计的精准性。同时，也要依托三维 BIM 技术，使所有设计参数值均在一个平面上运行，形成不同单体设计成果，如此，不仅可以最大限度地保证钢结构的合理化，也能提高工作效率，减少不同部门间的摩擦，为后续钢结构施工夯实基础。3.5 开展碰撞检查 碰撞检查是钢结构设计中的有机组成部分，在减少构件碰撞问题，保证钢结构施工有序开展中发挥着重要的作用。随着建筑事业的不断发展，钢结构形式逐渐增加，呈现出复杂化、多元化的特点。传统的二维设计图纸难以及时发现钢结构设计与施工中的矛盾，自然难以起到碰撞检查的作用。对此，BIM 技术有着重要的应用价值。一方面，BIM 技术能够准确呈现钢结构模型，为碰撞检查提供了良好的条件，另一方面，BIM 技术自带监测功能，能够实时监测碰撞点。因此，要发挥好 BIM 技术在钢结构设计碰撞检查中的作用，依托 BIM 技术的监测功能，全面、准确、及时地呈现出碰撞点，并在结果输出后，有针对性地开展好优化设计工作，确保钢结构施工中不会出现碰撞问题6。BIM技术也能从管理层面预防碰撞问题的出现，可借助 BIM技术创建钢结构施工现场模型，借助专门的系统分析钢结构设计与施工的冲突风险，及时调整工作，以科学的管理降低碰撞问题的发生几率，充分发挥好 BIM技术在碰撞检查中的作用。4 BIM 技术在钢结构设计中的应用策略 4.1 构建专业化的 BIM 团队 团队建设是 BIM 技术在钢结构设计中应用的先决条件，对此，要从以下两个维度构建专业化的 BIM 团队。首先，严格成员选择。BIM 技术在钢结构设计中的应用，既为钢结构设计的创新开展提供了技术支持，也对设计人员的能力、素质提出了更高的要求。设计人员不仅要熟悉钢结构的特点、功能，掌握钢结构设计的一般要求，更要精通 BIM 技术，能够熟练使用 BIM技术开展设计工作。同时，BIM 技术的特性也需要设计人员具有创新意识以及协作能力，能够自主、合作解决钢结构设计中的难点，提升钢结构设计的品质。要结构BIM技术的特性及其在钢结构设计中应用的要求，出台 BIM 团队成员遴选标准，健全团队成员准入机制，确保进入 BIM 团队的人员均为能够满足钢结构设计需求的人员，从源头上保障钢结构设计的品质7。其次，健全团队组织架构。“麻雀虽小，五脏俱全”，完善的组织架构是充分发挥 BIM 团队在钢结构设计中作用的基本要求。要加强团队组织架构建设，明确团队管理者以及各成员的责任。4.2 做好设计任务的分工 钢结构是建筑中采用较多的结构，形态多样，特别是在装配式建筑不断发展的今天，钢结构的形态更为多元化。从宏观的角度而言，钢结构主要包括框架、排架、钢架、网架四个类型，每个类型的钢结构又包中国科技期刊数据库 工业 A-72-含若干个具体的结构，如框架包括框架梁、框架柱等，排架包括钢屋架、钢桁架、钢柱等，不同的钢结构有着不同的适用范围和性能要求。因此，在 BIM 技术的应用中，要做好设计任务的分工。首先，推行定岗定责机制。明确钢结构设计的范围、内容、目标，结合团队成员的设计经验，明确各岗位的设计职责，将钢结构设计总体任务分解为联动的岗位责任任务，让全体成员深入参与到钢结构设计中。其次，做好钢结构设计的协调管理。如前所言，BIM 技术的主要优势之一便是推动了设计从个体设计向团队设计转变。要高度重视钢结构设计中的协调管理，团队成员完成分内设计工作后，要将钢结构共享给其他成员，为其他成员开展碰撞检查提供便利，从而减少钢结构设计中冲突，提升钢结构设计品质。4.3 加强设计管理 根据辞海的解释，结构为“各组织成分的搭配、排列或构造”可见，结构有两层含义，一方面，结构包含众多组织成分，且各组织成分依据一定的规则搭配、排列或构造，另一方面，结构是一个完整的构造体，即各组织成分的组合物。结构设计是现代产品设计的重要组成部分，指依据已确立的原理方案，完成具体的产品结构图，最大限度实现产品的功能，是产品设计的基本目标，而结构和产品功能则有着密切的关系。结构是产品功能的物质基础，结构设计水平，对产品功能有着具体而直接的影响。因此，在钢结构设计中要遵循功能性原则，将保障产品功能作为钢结构设计的切入点和价值归宿。同时，也要加强钢结构设计管理，切实发挥好 BIM 技术在钢结构设计中的作用。在管理科学不断发展的今天，质量管理方法的类型、形态日益多元化，不同的质量管理方法，在钢结构设计质量管理中有着不同的应用价值。要结合钢结构设计质量管理的需求，采取好适宜的质量管理方法，提高质量管理水平。举例而言，QC 小组成员因相同的任务、目标聚集到一起，彼此间没有级别等方面的差距，具有融洽的民主氛围。QC 小组实施自主管理，注重激发每个成员的创造性。可将 BIM 团队建设与 QC 小组建设结合起来，借助检查表、柏拉图、因果图、管制图、散布图和直方图等方法来分析钢结构设计中的问题，持续提高钢结构的设计品质。5 结语 BIM 技术作为多维模型信息集成技术，能够借助全专业模型的建立将钢结构的各项信息全面、准确、直观地呈现出来，对此，要从建立三维模型、输出设计图纸、分析复杂节点、助力单体衔接、开展碰撞检查五个方面加强 BIM 技术在钢结构设计中的应用，并围绕团队建设、任务分工以及质量管理，推进 BIM 技术的深入应用。参考文献 1王强,孙秀秀.BIM 技术优势以及在建筑工程设计中的应用J.建筑工程技术与设计,2017(08):836 2李康龙.BIM 技术在钢结构节点设计中的二次开发研究与应用D.南华大学,2016 3王强,孙秀秀.BIM 技术优势以及在建筑工程设计中的应用J.建筑工程技术与设计,2017(18):836 4董博文.BIM 技术在钢结构设计中的应用J.建筑工程技术与设计,2017(08):730 5张涛.BIM 技术在钢结构工程设计制造中的应用研究J.科学与财富,2016(15):33-35 6王波.BIM 技术在钢结构桥梁设计中的应用J.中国公路,2021(15):78-79 7周荣东.浅析 BIM 在建筑设计和结构设计专业中的应用J.居业,2023(08):134-135