浅谈BIM与钢结构的关系

▼浅谈BIM与钢结构的关系

?简单说来,BIM技术就是通过数字信息来仿真模拟建筑物所具有的真实信息,不仅包含诸如梁、柱、门、窗等三维几何形状信息,还包含大量的非几何形状信息,如建筑构件的材料、重量、价格和进度等,这些信息是常见二维CAD和三维CAD所无法提供和展现的。可以说,“BIM不仅仅是一个设计软件或一个图形化的工具,它是一个数据管理平台,是基于三维实体数据库,实现建筑生命周期中各个阶段、各个专业的各种相关信息的集成”。

作为建筑行业中一个重要的分支专业,钢结构制作介于建筑设计、结构设计和施工安装之间,起着承上启下的作用,从理论上看,钢结构制作又分为计算机仿真设计(钢结构BIM设计)和车间实体加工两个部分。

钢结构BIM设计自上世纪90年代末被引入替代2D-CAD设计至今已经10多年,过去,通常我们称之为钢结构三维实体建模,其作用也通常停留在建模和出图过程中,设计人员常常关注的是建模和出图过程的效率,但随着建筑业BIM概念越来越被推广、研究和应用,钢结构BIM软件商也越来越注重输出信息接口的标准化,一方面足以支撑对建筑BIM的协同,另一方面BIM模型本身包含的信息在后续钢结构制作厂家内的管理和制作流程中的完整应用也正被充分重视、研究、应用和拓展中。

★1、钢结构设计软件:

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★2、钢结构深化软件:

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本文从钢结构BIM创建开始,介绍其BIM在钢结构设计阶段的应用。

?关于钢结构BIM的建立?

一般情况下,钢结构制作企业在接到订单后的第一要务就是通过3D实体建模进行深化设计。钢结构BIM三维实体建模出图进行深化设计的过程,其本质就是进行电脑预拼装、实现“所见即所得”的过程。首先,所有的杆件、节点连接、螺栓焊缝、混凝土梁柱等信息都通过三维实体建模进入整体模型,该三维实体模型与以后实际建造的建筑完全一致;其次,所有加工详图(包括布置图、构件图、零件图等)均是利用三视图原理投影生成,图纸中所有尺寸,包括杆件长度、断面尺寸、杆件相交角度等均是从三维实体模型上直接投影产生的。

三维实体建模出图进行深化设计的过程,基本可分为四个阶段,每一个深化设计阶段都将有校对人员参与,实施过程控制,由校对人员审核通过后才能出图,并进行下一阶段的工作。

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?第一阶段,根据结构施工图建立轴线布置和搭建杆件实体模型。

导入AutoCAD中的单线布置,并进行相应的校合和检查,保证两套软件设计出来的构件数据理论上完全吻合,从而确保了构件定位和拼装的精度。创建轴线系统及创建、选定工程中所要用到的截面类型、几何参数。

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?第二阶段,根据设计院图纸对模型中的杆件连接节点、构造、加工和安装工艺细节进行安装和处理。

在整体模型建立后,需要对每个节点进行装配,结合工厂制作条件、运输条件,考虑现场拼装、安装方案及土建条件。

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?第三阶段,对搭建的模型进行“碰撞校核”,并由审核人员进行整体校核、审查。

所有连接节点装配完成之后,运用“碰撞校核”功能进行所有细微的碰撞校核,以检查出设计人员在建模过程中的误差,这一功能执行后能自动列出所有结构上存在碰撞的情况,以便设计人员去核实更正,通过多次执行,最终消除一切详图设计误差。

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?第四阶段,基于3D实体模型的设计出图。

运用建模软件的图纸功能自动产生图纸,并对图纸进行必要的调整,同时产生供加工和安装的辅助数据(如材料清单、构件清单、油漆面积等)。节点装配完成之后,根据设计准则中编号原则对构件及节点进行编号。编号后就可以产生布置图、构件图、零件图等,并根据设计准则修改图纸类别、图幅大小、出图比例等。所有加工详图(包括布置图、构件图、零件图等)均是利用三视图原理投影、剖面生成深化图纸,图纸上的所有尺寸,包括杆件长度、断面尺寸、杆件相交角度均是在杆件模型上直接投影产生的。因此由此完成的钢结构深化图在理论上是没有误差的,可以保证钢构件精度达到理想状态。

用钢量等资料统计。统计选定构件的用钢量,并按照构件类别、材质、构件长度进行归并和排序,同时还输出构件数量、单重、总重及表面积等统计信息。

通过3D建模的前三个阶段,我们可以清楚地看到钢结构深化设计的过程就是参数化建模的过程,输入的参数作为函数自变量(包括杆件的尺寸、材质、坐标点、螺栓、焊缝形式、成本等)及通过一系列函数计算而成的信息和模型一起被存储起来,形成了模型数据库集,而第四各阶段正是通过数据库集的输出形成的结果。

可视化的模型和可结构化的参数数据库,构成了钢结构BIM,我们可以通过变更参数的方式方便地修改杆件的属性,也可以通过输出一系列标准格式(如IFC、XML、IGS、DSTV等),与其他专业的BIM进行协同,更为重要的是几乎成为钢结构制作企业的生产和管理数据源。这也正是钢结构BIM被钢结构制作厂家高度重视的原因。??

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?钢结构BIM在企业管理中的应用?

在传统钢结构制作管理中,往往用纸面、传真、邮件等方式完成企业内部,或设计单位与制作单位之间的图纸和信息传递,效率受到很大影响,有时更会在传递时产生信息失真甚至丢失;同样,企业内部为更好地完成生产组织,必须依靠手工分拣、手工摘料和人工输入等手段来完成图、料信息源的收集,继而完成材料采购清单、构件清单、零件清单、下料加工清单、工艺路线卡、手工排版等信息的收集和计算,现在看来,这一切显得冗长繁琐和数据不精确,也成为后续工作变更的因素之一。

?经典案例剖析?

一、工程概况

整体项目位于大鹏半岛中部大鹏湾北海岸,大鹏新区大鹏街道办事处下沙社区。项目属于佳兆业金沙湾国际乐园06-02地块,该地块包含洲际酒店、凯悦酒店、艺术展览馆及演艺中心四个建筑单体。演艺中心位于该地块东侧部分用地。

演艺中心为观演建筑,中型乙等多用途剧场。1046 座中型乙等多用途剧场。计容建筑面积9962.14 ㎡,演艺中心总建筑面积27890.41㎡,商业面积692.68㎡,建筑层数:地上4 层,地下2层。建筑规划高度29.82m。

其中地上为剧院及临街商业,地下为车库、设备机房及观演类机房。

主要结构类型: 其一是高层现浇钢筋混凝土框架结构体系,其二是位于框架结构上方并依附于框架结构的空间网壳钢结构体系。

演艺中心项目的定位:本项目旨在通过为游客提供类型丰富的文化演出或定制企业秀,彰显度假区的时尚定位,以提升酒店入住率。她的意义不单是建造一所高品质的剧院,是主题乐园中一个具有原创性、地域性和艺术性的标志性建筑。

建筑效果图如图1所示。

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★★★项目难点:

★钢结构在设计上形式独特,结构新颖,整体呈大鹏展翅状,无疑加大了项目难度。且对拼装精度控制、安装精度控制以及安装过程监测精度要求高。

★特别是与混凝土结构拼装、钢结构节点预埋、机电穿插空间、管井预留空间等方面的精度要求比较高。如何将空间三维结构安装到设计的空间位置,控制过程极为复杂,是该项目的重难点之一。

★结构难点:在建筑的最上方覆盖了六片“柳叶”型屋盖,从南至北依次展开,形成平面有衔接、高底分层次的优美造型。第5、6片叶子不在建筑内部观众可视范围之内,且与下部钢筋砼主体结构之间距离较近,直接附着于主体结构之上,不需要设置专门的钢结构支撑体系,可根据幕墙设计的要求直接在主体结构上预留金属屋面支座预埋件。

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1~4片屋盖钢结构布置

第1~4片屋盖南侧及东侧边缘,设置了三个形状近似圆弧的巨型结构拱,最南侧一个大致沿东西方向,另外两个与之垂直,三拱相连。拱的下端固定支承于地下室顶面,与下方的钢筋混凝土结构框架柱相接。拱跨大约为32、26、27米,矢高大约为9、6.5、5.5米,采用直径为700mm的圆管。三个拱作作为叶片在东侧和南侧的结构支撑,与第1-4片屋盖连接形成整体,屋盖也为三个拱架在平面外提供了有效的侧向刚度。

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结构拱布置

第1、3、4片屋盖沿纵横向均采用空间钢桁架结构体系,横向间距大致为3米,纵向节间距大致为2~4米,桁架截面高度随屋盖建筑造型而改变,最高处约1.5米,采用大小不等的钢圆管截面,东侧及南侧局部悬挑部位采用楔形工字形截面,纵横向桁架之间设水平向及纵向支撑。第3、4片东侧由于厚度限制,无法采用空间桁架体系,因此采用实腹工字型钢梁,与空间桁架铰接出采用圆管转换。

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第3、4片屋盖在跨度中间分别设置支撑,支撑杆件下端铰于观众厅屋盖的钢结构。这样,位于西侧的钢砼柱、观众厅钢屋面提供的支点以及位于东侧的钢拱,共同形成了第3和第4片屋盖的竖向支承体系。

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结构拱布置

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屋盖与下部柱结构连接

第2片屋盖较为特殊,其跨度较大,中间没有可利用的竖向支撑,加之建筑提供的结构厚度较小,无法依靠自身刚度形成纵向受力结构。因此将第2片屋盖的受力方向调整为横向受力,在横向设置实腹钢梁,利用其与相邻屋盖之间均匀布置的钢系杆将竖向荷载传递给第1片屋盖和第3片屋盖。

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第2片屋盖结构布置

第1、3、4片屋盖在北侧各设置了一道加强桁架,提供屋盖所需的结构刚度。

屋盖钢结构主要受力构件采用Q345B,应符合《高强度结构钢》GB/T1591-2008的相关要求。截面形式主要为圆钢管和工字形截面,包括楔形工字型截面。圆管截面直径为108~700,厚度8~30,工字型截面高度为300~600。其整体模型为混凝土结构与钢结构。用MIDAS/Gen对整体结构计算:

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整体计算模型

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恒荷载模型

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恒+活组合下竖向位移

☆解决方案☆

在设计阶段引入BIM,所有参与这个项目的各个专业设计师,统一在BIM这个标准平台上进行操作。利用BIM模型整合各个专业让所有专业设计人员在共同的标准下进行协同设计的工作。这是一个复杂型的工程,而这个共同的三维平台我认为正是BIM的最大优势。

在对钢结构与混凝土结构定位时,因为该项目屋面钢结构的位置点普遍存在定位点为弧形结构板边缘处容易出现安装不牢靠,现场施工出现偏差导致的安装不了。钢结构节点预埋高度有限,尤其是与斜板处的拼装,钢柱高度有着严格的限制,可操作性空间也极其狭窄,在施工阶段中容易出现无法施工的情况。以及本项目屋顶存在大量的机电、以及管井容易对钢结构的结构布置方式出现竖向、水平位置发生冲突。

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为避免出现这些问题,通过利用BIM模型整合各个专业进行协调设计。风井高度提前优化好,达到通风要求的前提下降低其风井高度避免与钢结构碰撞。其次,调整钢结构布置方式避开钢柱节点安装位置不合理的地方。通过在BIM模型中调整优化钢结构,最后在无碰撞问题后,导出钢结构定位点平面图,反馈给设计人员进行,完善后续的结构建筑设计。

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最后通过多次的协调修改,在满足其结构设计要求的同时也减少了钢材用量。保障了后续施工的进度、成本的管控。

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钢结构优化前

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钢结构优化后

BIM核心技术贯穿设计和施工全流程

从目前对BIM应用的定位来看,前期的BIM设计是跟着设计来走的。我们一般会根据设计要求先规定出必要的原则,然后设计师根据这些原则,遵循合理的设计原则来搭建整个BIM模型,在设计的过程中,不断通过BIM模型找到设计中的问题,包括设计空间中存在的一些问题,并不是说设计做完了设计师就可以交接给下游,然后撒手不管了。我们的BIM是整合到整个设计过程当中,在这个过程中,我们的设计师会给出很多不同的研究模型,这些模型并不是最终的模型,但可以帮助设计师甚至是施工方,在设计前期就可以考虑并规避很多后期可能会出现的问题,这也是我们利用BIM所构建的流程的最大特点,即BIM完全是为设计服务的。

至于后续的施工阶段中,其BIM的价值依然可观,比如,从钢结构的放样、现场的拼接、工厂的预装、各构件的相对位置、杆件角度、接口尺寸和接缝、空间坐标、测量控制点等等都可以通过BIM应用实现价值最大化。

实际上,在设计模型向总包传递的过程中,有很多技术以外的客观因素在制约着BIM在中国的发展。很多大型工程都会面临一个工程建设周期的问题,设计周期只是工程建设周期的一部分,这实际上是短于国际标准的。在国际上比较正常的周期是,设计院要先用一定的时间去做科研和测算,设计师有专门的设计时间,之后再由设计师直接指导施工。

但在中国这个过程在时间上有很大的重叠,为了加快建设的周期,很多时候在设计没有完成的时候,施工就已经开始了。这种情况下如果使用BIM,要是项目没有足够大,那可能达到同样的效果时,会比简单的手绘或二维设计多花费50%的时间,这时上下游之间BIM模型将很难实现传递。因为如果设计没有完成,那BIM模型就无法得到最精细的细化,那这些呈现在模型中的数据就是虚的,是下游无法使用的。

另外还有一个大制约就是,中国跟国外关于建筑师的责任认定制度不一样,相比较来说,国外的建筑师会承担更多的权利和责任。另外设计师的方法和能力是否适应BIM的方式也是个无法回避的问题。通过前几年的反复论证,勿容置疑BIM将帮助建筑设计领域或者工程建设领域有更大的发展,具体推广起来我认为并不存在技术上的瓶颈。

BIM实行标准仍待细化

比起技术,我们现在所做的BIM更多是紧贴设计。随着BIM的发展,关于BIM标准的讨论也正在提上日程。标准这种东西不是死的,它会随着软件的开发、社会的支持环境等等不断作出调整。从我个人来说,我希望更加详细的国家标准能够早一点出台,不能只是让涉及具体操作的设计师或企业,单靠自己的努力去达到一种合理化的程度。包括软件使用、存储和交付的标准,现在都是比较为难的事。如果BIM能够像施工图那样,有一个比较明确的交付标准,而不是像现在靠项目参与者自觉来约定一个项目标准,很多合作可能会更加顺畅。