BIM技术在超高层钢结构建筑施工中的应用.pdf

36BIM 技术在超高层钢结构建筑施工中的应用卓增灿（中国建筑第七工程局有限公司福建分公司，福建 厦门 361000）2023 年第 4 期（总第 225 期）散 装 水 泥Bulk Cement作者简介：卓增灿（1990-），男，福建古田人，本科，工程师，研究方向：建筑工程施工。摘 要：文章简要阐述了 BIM 技术的定义及特点，结合具体工程案例，分析了超高层钢结构建筑施工中 BIM技术的应用价值，并从可视化技术、三维建模、深化设计、辅助施工等层面出发，探究、总结 BIM 技术在超高层钢结构建筑施工中的应用。关键词：BIM 技术；超高层钢结构；建筑施工中图分类号：TU17文献标识码：B文章编号：1007-3922（2023）-04-0036-04随着社会经济的飞速发展，在城市现代化建设中越来越多地应用超高层钢结构建筑，因其具有施工体量大、工艺技术复杂、涉及专业领域多等特征，施工难度较高。为更好地落实超高层钢结构建筑质量、进度、成本、安全等建设目标，更有力地保障工程施工质量，施工单位需要顺应时代发展，在了解 BIM 技术定义、特点及应用价值的基础上，探究其在超高层钢结构建筑施工中的应用路径，充分借助技术优势，提高施工技术水平。1 BIM 技术的定义及特点1.1 BIM 技术的定义BIM是“Building Information Modeling”的缩写，即“建筑信息模型”。BIM 概念最早于 1978 年提出，与传统的三维模型概念相比，其加入了“时间”的概念，强调工程项目全生命周期数据信息的记录，能够准确反映出工程项目的动态变化过程。发展至今，BIM 技术经历了数字化建筑模型、虚拟化建筑模型、建筑产品模型、包含建筑物整个生命周期数据信息的专业性建筑信息和模型四个演变阶段。目前，我国将 BIM 技术定义为一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，其能够将工程整个生命周期中的所有信息（如构件性能信息、建筑几何特性、功能要求、施工进度、建造过程等）整合、集成到一个建筑模型中，以实现建筑物及功能特征的数字表达，促进各类信息、知识资源共享，为工程项目设计、施工、运营及报废拆除等阶段的决策制定和控制管理提供有力支持。1.2 BIM 技术的特点（1）可视性。主要表现为“所见即所得”。以往技术在利用 CAD 图纸进行建筑信息描述时，只能通过二维线条和图形来表现建筑结构特征。描述对象建造完成后，具体构造形式和结构特点只能依靠技术人员基于专业知识和实践经验去想象。而 BIM 技术不仅能够将二维图纸准确转化为可视化三维模型，还能将各构件间的关系、工程建设过程及各项参数信息，直观可视地呈现出来，从而为工程项目设计和管理提供便利条件。（2）模拟性。BIM 技术能够根据操作人员需求进行多种形式的模拟，如在建筑设计阶段进行光照模拟，以检验建筑的美观性和不同时间段的采光性；在结构设计阶段进行不同形式的荷载模拟，以检验建筑结构的力学性能；在施工准备阶段进行 4D 模拟建设，以检验施工进度规划的合理性等。（3）协调性。现代建筑工程施工体量大、涉及专业多，因此，对施工协调工作的要求极高。BIM 技术能够将所有专业的施工信息集成到一个建筑模型中，从而大幅度提升各专业间数据信息的共享度，为不同专业间的有效协调奠定良好的基础。2 工程概况华源国际中心项目位于厦门市思明区 0307No.4,2023Serial.No.22537片区观音山商务营运中心环岛干道东侧（A5 地块），项目总用地面积为 5 154.418m2，总建筑面积为 51 589m2，其中：地上 27 层，总建筑面积为 35 689m2；地下 4 层，总建筑面积 15 900m2。建筑物的建筑高度为 182.52m。本工程项目塔楼采用“钢框架+支撑”结构体系，其中，地下室部分采用“钢结构+剪力墙”结构，地上部分采用“全钢结构”，楼板采用“钢筋桁架楼承板+混凝土”组合式楼板。建筑物的构件类型包括外框钢管柱、框架梁、组合梁、次梁和钢支撑，总用钢量约 1.35万 t。钢材材质主要为 Q235B（锚栓）、Q345B、Q345B-Z15、Q345B-Z25。楼层大致分为 6 种类型，每种楼层布置图都包含箱型柱、焊接 H 型钢框架梁、焊接 H 形组合梁、焊接 H 形次梁、焊接H 形水平支撑和箱型支撑。3 超高层钢结构建筑施工中 BIM 技术的价值基于对 BIM 技术的了解及对已有 BIM 技术应用经验的总结，华源国际中心项目施工单位认识到 BIM 技术应用于超高层钢结构建筑施工中具有以下价值：（1）可提高决策和计划的编制效率与质量。超高层钢结构建筑的技术复杂度远高于常规类型的建筑，项目管理人员在制定决策时往往需要收集和参考更多的数据信息，以保证决策的科学性与可行性。而信息完备性和共享性是 BIM 技术的优势，应用在超高层钢结构建筑工程项目中，能够帮助项目管理人员构建参数化信息库，将各方面数据信息集成在一个数据平台中，并进行实时更新，以缩短项目管理人员收集数据信息的耗时，提高获取数据信息的完整度，从而提高各项决策制定效率和质量。此外，因施工体量大、施工物资种类繁多，所以，超高层钢结构建筑的采购工作量和难度较大。而利用 BIM 技术，工作人员能够随时随地了解物资的剩余量、需求量、物资存量可支持施工天数等数据信息，从而提高物资采购计划、配置方案的编制效率与科学性。（2）可提高多专业间的协同工作效率。基于可视性特征，BIM 技术能够以更加直观、具体的方式进行信息描述，从而大幅度降低信息的理解难度，使不同专业领域的工作人员更有效地进行沟通交流。同时，BIM 技术对施工数据信息的高度集成化，能够使各专业施工人员随时随地获取当前施工节点的施工资料，了解相关专业的施工方案和需求，为不同专业间的沟通交流提供便利条件，从而有效提高多专业间协同工作的效率和质量。（3）可显著减少工程变更和返工行为。相较于普通建筑结构，钢结构更具复杂性，若结构设计和图纸会审阶段存在工作疏忽，很容易在施工过程中出现结构碰撞问题，从而发生设计变更或返工行为。而借助 BIM 技术模拟性特征，技术人员可在正式施工前模拟施工，进行碰撞测试，以了解施工效果，发现碰撞隐患，从而合理调整施工方案，最大限度地降低工程变更和返工行为发生率。4 BIM 技术在超高层钢结构建筑施工中的应用4.1 BIM 可视化技术BIM 可视化技术应用主要体现在两方面，一是将 CAD 图纸、施工参数录入到 BIM 系统中，借助系统强大的数据处理功能和建模功能，构建出精准的 3D 模型。二是各专业将构建好的施工模型上传至 BIM 平台，通过一系列分析计算，将这些分散型模型有机组合，构建一个完整的工程项目可视化三维建筑模型。通过该模型，人们能够多角度、动态化地观察、分析建筑内、外结构及具体节点。将 BIM 可视化技术应用在超高层钢结构建筑施工中，可大幅度提高各环节施工质量和效率。例如，在华源国际中心项目中，给排水、电气、建筑智能化等施工单位根据专业施工图纸在 BIM 系统中建立管线布置三维模型，BIM 系统将各专业制作、保存的管线布置三维模型整合到同一个建筑模型中，形成反映本工程项目所有管线综合布置情况、具备多角度观察、效果图输出、数据标注等多种功能的三维模型。根据该三维模型，项目技术人员和管理人员能够直观地看到当前施工方案下，管线综合布设的最终效果，为技术管理工作提供重要依据。例如，根据可视化视图（见图 1）分析管线综合排布净高等。图 1 华源国际中心项目地下车库净高分析384.2 钢结构三维建模传统技术模式下，二维施工图纸并不能直观地反映出建筑结构及不同构件间的空间关系，不利于专业交叉作业的顺利推行和管理把控。尤其是在钢结构建筑中，因包含多种类型和规格的钢构件，且结构形式复杂，仅依靠施工图纸，很难保证施工效率和质量。而 BIM 技术具有极强的模型构建能力，能够根据施工图纸和施工参数构建出精准的三维建筑模型，并通过模型如实地表现出构件的尺寸、空间位置关系及施工效果。因此，在超高层钢结构建筑施工中，利用 BIM 技术进行钢结构三维建模，能够大幅度提高施工质量和便利性。在华源国际中心项目中，技术人员先利用BIM 平台的核心建模软件 Revit Architecture 构建三维建筑模型，通过精准编辑各项设计参数及合理调整构建内容属性，实现模型的参数化设计。此时，BIM 系统会根据空间布局、功能参数、材料尺寸、场地坐标、构件属性等输入信息，实时调整模型。相较于传统的设计方式，此技术不仅能够减少工作量，而且能够明显提高设计精度。构建建筑模型后，需要利用 Revit Structure 软件构建三维结构模型，利用该三维模型，技术人员能够从多个角度查看结构构件的形式特点和数据信息，如配筋信息、混凝土等级信息、荷载分布等。当土建、钢结构、机电、幕墙等分项工程的 BIM三维模型全部构建完毕后，可在 BIM 平台中整合所有模型，形成包含各专业数据信息的整体化三维模型（见图 2）。钢结构三维模型建立后，技术人员可将模型导入广联达算量软件 GCL 中，通过应用两种先进软件，实现智能化三维算量，在一定程度上提高工程项目的施工效率。图 2 华源国际中心项目三维建模流程示意图4.3 钢结构深化设计传统技术模式下的钢结构设计，先要利用专业的力学计算软件计算、设计钢结构的形式规格及技术参数，然后通过大量的 CAD 图纸逐一说明钢结构设计信息。然而，在超高层钢结构建筑中，钢结构的设计杆件和节点众多，单纯依靠 CAD 图纸已经无法清晰、全面地描述钢结构构件尺寸信息与连接方式，以至于在钢构件制作和安装过程中，容易产生不同形式的问题，影响工程施工质量。而利用 BIM 技术进行钢结构深化设计则能够有效应对上述问题。例如，在华源国际中心项目中，技术人员利用 BIM 平台中的 Tekla Structure 软件来完成钢结构的深化设计。一方面，在软件中对项目中的基础性杆件、螺栓进行三维建模，确定各自的设计参数和属性，然后将这些模型整合形成基础钢构件模型库，在后续钢结构设计过程中，可随时调用，不仅提高了设计效率，还能在一定程度上降低设计出错率。另一方面，借助软件强大的图纸整理和编辑功能，实现快速出图。例如，当施工人员需要柱角节点图时，技术人员可随时从模型库中调出相应的钢结构柱角三维模型，并利用软件的“模型投影”图纸编辑功能，快速生成完整的施工图纸。4.4 钢结构辅助施工BIM 技术具有强大的辅助施工功能，应用在超高层钢结构建筑施工中，可显著提高施工管理水平和施工质量。例如，在华源国际中心项目中，技术人员将项目 BIM 模型及相关施工数据输入到BIM 平台的 Navisworks 软件中，利用软件强大的模拟分析能力，实现工程项目的 4D 模拟施工，以更加直观、准确地掌握工程进度情况，更好地开展进度管理工作。同时，可利用 Revit 软件自带的碰撞测试功能进行单一专业施工内容的碰撞测试，或利用 Navisworks Manage 软件进行多专业间的碰撞测试，以在施工前及时发现施工图纸中的错误或专业间的作业冲突点，通过事前处理的方式，有效减少施工过程中的工程变更、施工碰撞等情况，从而保证各专业施工的有序性和高效性。5 结语综上所述，BIM 技术是现阶段建筑工程领域最为先进的技术形式，因具有可视性、模拟性、协调性等特征，在建筑工程施工中应用，可提高决策和计划的编制效率与质量、提高多专业间的协同工作效率、减少工程变更和返工行为等。基于此，为更好地保证超高层钢结构建筑工程的施工品质，施工单位应积极引入和应用 BIM 技术，通过可视化呈现、三维建模、深化设计、辅助施工等应用方式，最大程度地发挥 BIM 技术的优势和价值。参考文献：（下转第 41 页）41（4）高强度混凝土浇筑前，专业技术人员应考察、验收模板、支撑、钢筋及混凝土浇筑工序，并记录相关数据，若发现问题应及时采取应急措施进行补救和改正，以保证高强度混凝土质量。（5）浇筑混凝土过程中，专业技术人员应全程跟踪施工情况，对爆模等紧急情况，及时落实人力、物力进行整改，保证混凝土施工的完整性。4.4 高标号混凝土养护质量控制混凝土养护工作主要是科学、合理地控制混凝土的湿度和温度，湿度和温度控制关系到混凝土的强度增长，因此，应先分析湿度和温度对混凝土强度增长的影响，以更好地做好混凝土养护工作。（1）湿度对混凝土强度的影响。湿度对混凝土影响最为关键，当混凝土浇筑完成后，混凝土暴露于空气当中，水分快速蒸发，凝胶体失去水分产生紧缩，如果没有及时补充水分，混凝土面会干燥，产生收缩，影响水泥的正常水化反应，在环境温度和混凝土温度较高的情况下，没有足够的水分，就会限制混凝土强度增长。为了水泥能够正常进行水化反应，在混凝土浇筑成型后，应保证养护湿度充足，并加强早期混凝土成型养护，避免减少混凝土的收缩量。（2）温度对混凝土强度的影响。混凝土在不同温度下的强度增长情况不同。当周围温度较高时，混凝土强度增长速度较快，后期混凝土强度增长率较小。当周围温度较低时，混凝土强度增长速度较慢，后期混凝土强度增长率较大。因此，施工现场应严格控制混凝土温度，温度范围值由实验室确定，以保证混凝土强度增长值。（3）高标号混凝土养护应专人负责，保证混凝土一直处于湿润状态。（4）混凝土初凝后，应采用土工布等进行覆盖，浇水保持湿润，混凝土养护不少于 14d，白天至少每 3h 浇水 1 次，夜间浇水 2 次，高温或干燥气候时，适当增加浇水次数。（5）模板拆除应留置同条件试块，待送检达到要求后，方可拆模，禁止过早拆模导致柱边缺棱掉角。拆模后，采用白色养护剂养护，养护剂形成的薄膜可反射阳光，降低混凝土表面温度。5 安全措施（1）现场施工的施工机械应严格遵守机械施工操作规程。（2）7#楼感染科 2 层梁板外架应按专项方案搭设到位，外架高出板面1.5m以上，保证施工安全。（3）混凝土浇筑人员应戴安全帽、穿防滑鞋，并对现场施工人员进行安全交底。（4）应按专项临时用电方案设置临时用电，施工现场用电应由电工统一布置，严禁任何人乱拉乱接，三级配电箱应符合要求，机具设备应有合格证等。（5）关注天气预报，以便大雨、台风天气做好准备，临阵不乱，避免暴雨浇到混凝土。6 级以上大风和雾、雨、雪天气时，应停止施工。6 结语为了有效管控高标号混凝土施工质量，总结以下质量预防措施：（1）做好模板工程措施，增强施工人员质量意识，做好工程质量交底工作及各项施工前质量控制措施。（2）做好混凝土原材料质量控制。（3）对混凝土浇筑工序进行质量交底，做好混凝土浇筑质量控制。（4）高标号混凝土养护应专人负责，严格把控。参考文献：1 张家斌.高标号混凝土强度低于设计的原因分析J.中州建设,2002(10):62.2 郑和润,朱广波,郑国华,等.基于方差分析的高标号混凝土浇筑质量控制研究J.价值工程,2019,38(34):143-144.3 邱训华.浅谈高标号混凝土强度的施工影响因素J.商品与质量（建筑与发展）,2013(6):27.1 陈兴湘.BIM 技术在超高层建筑施工管理中的应用研究 J.工程机械与维修,2022(05):96-98.2 涂丽.基于超高层建筑设计的 BIM 技术应用 J.居舍,2022(07):94-96.3 陈军.超高层建筑装配式钢结构加工与安装技术要点分析 J.居舍,2021(31):79-81.4 韩龙飞,李松林,薛洪亮,等.BIM 技术在超高层施工中的应用 J.居舍,2021(13):39-40.5 刘宇轩.BIM 技术在超高层建筑复杂钢结构中的应用 J.施工技术,2021,50(06):87-89.6 王双元.BIM 技术在超高层建筑工程中的高效应用 J.甘肃科技纵横,2020,49(05):42-45.7 周峥,邓朗妮,廖羚,等.BIM 技术在钢结构深化设计与施工中应用热点的知识图谱构建方法研究 J.土木建筑工程信息技术,2020,12(03):16-21.（上接第 38 页）