基于BIM技术的装配式钢结构施工应用研究

基于BIM技术的装配式钢结构施工应用研究

陈晨

中国三冶集团有限公司辽宁省鞍山市  114000

摘要：随着全球可持续发展理念的不断深化，装配式建筑作为其中的重要组成部分，以其环保、高效、节能的优势赢得了广泛关注。特别是轻钢结构，因其强度高、重量轻、施工周期短等特点，逐渐在建筑市场上占据了一席之地。然而，传统施工方式在面临设计多专业协同、信息不对称、质量控制等问题时常常显得力不从心。BIM技术的出现，为这一现状提供了有效的解决方案，通过构建三维数字模型，将建筑全生命周期的各种信息集成在一起，实现了设计、施工和管理的可视化，大大提高了施工效率和质量控制水平。

关键词：BIM技术；装配式钢结构；施工；应用

前言：随着建筑行业发展，对施工质量和效率的要求越来越高。装配式钢结构因其具有强度高、重量轻、施工速度快等优点，在建筑工程中得到了广泛的应用。

然而，在装配式钢结构的施工过程中，仍面临着许多挑战，如超厚板焊接难度大，在焊接过程中，热量瞬间传入到焊接构件中，导致构件内部形成不均匀的温度场，产生的温度应力、相变应力以及塑性应力超过了构件的屈服强度，以至于焊接构件冷却后应力继续残留在焊接构件中，形成焊接残余应力，其次，异性钢拱分段加工复杂、安装对接精度要求高等。为了解决这些问题，实现钢结构的精细化施工，需要引入先进的技术和工艺。

1装配式建筑的概述

装配式建筑这种方法通过优化生产流程和提高质量控制来加速施工进度，并减少了现场施工中工期的延误和材料的浪费。它在设计上灵活多样，可以根据不同的需求进行定制，同时在环境友好性和资源利用效率方面也表现出色。由于这些优势，装配式建筑已经成为现代建筑业的重要发展方向，为建筑行业带来了创新和持续发展的动力［1］。

2 BIM技术在装配式建筑中的应用优势

（1）可视化 ，BIM 技术能够将传统的结构转化为三维立体的图像，设计人员能够通过建筑三维图像了解到各零部件之间的互动关系，以此设计出更加贴合实际的装配式建筑。BIM 技术可以整合施工过程中的数据信息，为工作人员提供全方位的施工设计图。（2）协调性，在实际施工过程中装配式建筑会遇到许多配合与协调的问题，只有相关部门与工作人员之间达成一定的共识，进行有效的配合才能将装配式建筑的质量与品质提高。BIM 技术能够通过模拟装配式建筑的施工过程提前发现设计中出现的问题，并实时掌握施工过程，提高施工效率。（3）信息完备性与一体化，信息完备性是指装配式建筑施工过程中，BIM 技术能够分析其施工数据，并能够将信息数据变得更加系统化、规范化。

3 BIM 技术与装配式建筑融合的理论基础

BIM 技术的实时更新和数据反馈机制，为施工过程中的问题发现与即时解决提供了可能。在装配式建筑施工过程中，通过现场扫描或物联网传感器收集的数据，与原始 BIM模型进行比对，快速识别偏差，及时调整施工方案。这些反馈信息不仅用于当前项目的纠偏，而且它们被集成回 BIM 模型，成为未来类似项目设计和生产优化的宝贵资料，形成了一种基于数据驱动的持续改进机制。这种机制促进了设计与施工知识的积累，推动了建筑行业的科技进步和管理创新［2］。

4 BIM技术在装配式钢结构施工中的应用要点

4.1设计阶段

首先，BIM 技术通过可视化设计帮助设计师发现潜在的设计冲突。在传统设计方法中，设计师通常需要依赖二维平面图进行交流，难以有效识别各专业间的冲突，如电气、管道和结构系统的干涉。而 BIM 技术允许设计师在一个统一的三维环境中进行设计，能够清晰地展示各系统之间的关系，从而及时发现并修正问题，降低了后期修改带来的时间和经济成本。其次，BIM 技术还支持设计过程中的多方协同。通过云平台，设计团队可以实时共享模型与数据，确保各参与方（如建筑师、结构工程师和机电工程师）能够同步更新设计信息。这种高效的沟通方式提高了设计质量，避免了信息孤岛造成的误解和错误。最后，BIM 在模块化设计中尤为重要，使得各个模块的标准化设计成为可能，设计师能够基于相同的参数和规范进行模块化构件的设计，确保其在生产和施工阶段的可操作性和适配性。这种标准化不仅提高了生产效率，还增强了装配式钢结构建筑的整体性能和质量。

4.2预制钢结构构件的管理

在 BIM 模型中为每一个预制构件赋予唯一标识码，并关联生产、物流、安装等所有相关信息，形成完整的构件信息档案。这种信息集成既支持实时追踪构件状态，又方便后期的维护和改造，实现了从生产、安装、运维的全链条信息透明化和可追溯性。基于 BIM 模型的精确需求分析，为预制构件生产提供准确的生产计划，确保工厂生产与现场施工需求的精确匹配。同时，通过模型计算物流需求，优化运输路径、安排合理的运输时间表，明确施工现场的临时堆放位置，减少物流成本和等待时间，提升生产与物流的整体效率。

深度运用BIM及信息化技术，智能分段分块制造与预拼装，有效实现钢结构制造提质增效。基于 BIM 对梁段进行编码，在预制厂内按编码完成整体预拼装，在完成预拼装工作后，根据顺序拆开各分段梁，进行焊接、焊缝打磨、外观处理及除锈防腐等工作，并在各梁段放置原材料追溯码与半成品追溯二维码信息，只有半成品追溯二维码信息与原材料追溯码保持一致方可调用使用，实现随时随地精准数据核对与管理

［3］。

BIM 模型提供详细的安装指导图纸、动画或增强现实（AR）指导，使现场施工人员能够直观理解安装步骤注意事项，提高施工准确性和安全性。通过与 BIM 模型的交互，施工人员可以快速定位每个构件的正确位置，遵循预设的安装程序，减少现场错误，加快施工进度。

4.3模拟预制构件装配过程

BIM 模拟预制钢结构构件装配过程是一个高度技术化和精细化的工作，利用 BIM 技术的优势，在虚拟环境中模拟实际装配过程，优化施工方案提高工作效率。主要包含以下几部分。

（1）建立施工顺序和逻辑: 在 BIM 模型中，将整个施工过程划分为基础施工阶段、主体结构施工阶段、装饰装修阶段，将构件之间的装配关系定义为装配顺序，为每个施工阶段和构件装配操作设置预计的开始时间和结束时间。在 BIM 软件中，利用逻辑关联功能，将不同施工阶段和构件装配操作按照预定的顺序进行关联，安装完底层柱构件后，安装与其相关联的梁构件。（2）指定连接节点: 利用 BIM 中的“结构链接”定义梁、柱、板等构件的连接，并为每个连接节点定义关键参数［4］。（3）模拟构件吊装: 利用 BIM 模拟构件吊装的过程需要考虑多个因素以确保安全和效率。

4.4强化施工材料管理与监督

为了确保钢结构构件在装载过程中受到适当的保护，使用吊装设备和垫片，避免构件发生损坏或变形。其次，要选择合适的运输工具和路线，考虑构件的尺寸、重量和特殊要求，采用平板车、低平板拖车或专用运输车辆，并避免遇到限高、限宽和限重的路段。在运输过程中，保持构件稳固固定，采取防滑、防震措施，以及在需要时进行护栏、防护罩等防护措施。而且要实施实时监控和跟踪，确保运输过程安全可控，及时应对可能出现的意外情况，确保 PC 构件安全到达目的地。

将BIM技术运用到装配式建设项目的钢结构材料管理工作中同样可以达到优化管理的作用。在预制件生产中，必然会有很多的部件和原材料被放置在施工现场，需要有专门的人员对其进行分类、存储和管理。通过BIM 技术，可以对建筑工地的各种数据参数进行仿真。在对建筑工地本身的特性和具体情况进行全面的了解后，对每一个阶段所需的预制件进行详细的计算，从而使生产企业能够进行批量的预制，有效地缓解工作现场出现材料剩余或材料不足的问题。并且，BIM 技术的运用还可以更加精确地采集到预制件的有关数据，工程验收部门可以对其进行迅速检索，极大地提高了验收工作的实践效率。在工程建设活动结束后，建设部门还可以对各个施工阶段所产生的部件和材料的消耗情况进行实时核算，并将其与计划使用量进行对比，以便之后的物料控制工作能够顺利开展。

4.5碰撞检测构件冲突

碰撞检测是 BIM 技术在装配式钢结构施工中应用的关键环节之一，在虚拟环境中检测并解决构件之间的冲突，从而减少现场施工中的返工和修改，提高施工的精确性和效率。

（1）设定检测标准:在 BIM 模型中设定检测标准，将所设定的标准用于后续的冲突检测。（2）自动检测冲突:利用 BIM 技术自动检测模型中的冲突，分析所有构件的相对位置创建检测规则，如果梁与柱在任何垂直平面上的距离小于或等于最大间隙，则认定存在冲突;如果梁与柱在任何水平平面上的距离小于或等于最大间隙，则认定存在冲突;如果梁与柱在任何平面上的重叠面积超过梁面积的误差范围，则认定存在冲突。（3）分析冲突数据: BIM 技术将提供详细的冲突报告，包括冲突构件的名称、位置、类型以及冲突的具体情况，根据冲突检测结果，设计师和施工人员需要对 BIM 模型进行调整，修改构件的位置以及施工顺序［5］。调整后，需要重新进行碰撞检测，确保所有冲突都已解决。

4.6设备管线模拟优化

首先采用 BIM 技术将装配式钢结构建筑内部结构以及管线的三维模型进行整合，并将三维模型上传至 Navisworks 软件中模拟管线与设备之间的碰撞情况，Navisworks 软件能够自动捕捉到三维模型中碰撞点，并将碰撞情况可视化，然后自动生成“图片 + 文字”的碰撞情况报告，更加直观地反映装配式建筑中的管线碰撞情况。将装配式建筑的三维信息模型上传至 BIM 系统中，通过模型能够直观准确的了解复杂管线的具体构造，并根据模型生成管线的二维平面图，为后续工作人员铺设管线提供指导。最后在装配式建筑施工前，通过三维模型查看装配式建筑内部管线的走向与排布，改进管道排布方案，提前预想施工过程中易发生的问题并采取相应措施进行解决，降低返工率，缩短工期。

4.7运营维护

在装配式钢结构建筑的运营维护阶段，BIM 技术的应用对于提升建筑管理效率、优化资源配置及延长建筑使用寿命具有重要意义。

首先，BIM 技术通过集成建筑的所有相关信息，为运营管理团队提供了一个全面的数字化平台。运营人员可以访问详细的建筑模型，包括建筑材料、设备规格、维护记录等信息。这种集中化的数据管理，使得管理人员能够快速获取所需信息，做出及时决策。

其次，BIM 技术在设施管理中发挥着关键作用。通过对建筑设备的实时监控，管理团队能够及时获取设备运行状态和性能数据。这些数据可以通过物联网技术与 BIM 系统相连接，实现智能化监控。如中央空调系统的运行情况、供水系统的压力变化等都可以实时反馈到 BIM 模型中，帮助管理人员进行有效的能源管理与优化，确保建筑在运营过程中的能效提升。

再次，BIM 技术支持预测性维护，能够在设备出现问题之前采取预防措施。通过对历史数据的分析，运营团队可以识别出设备的故障模式和趋势，从而制定合理的维护计划。这种前瞻性维护不仅减少了突发故障造成的停机时间，还降低了维护成本，提高了建筑的整体运行效率。

最后，BIM 技术为建筑的改建和扩建提供了坚实的数据基础。随着使用需求的变化，运营团队可以利用 BIM 模型进行建筑空间的重新规划和设施的升级改造，确保建筑能够适应新的使用需求。

4.8设备定期故障检修

BIM 技术可以实现从 CAD 平面图到 3D 模型的转换，并具有良好的可视化性能。然而在对钢结构建筑项目进行检查与维护的过程中，有关部门往往无法通过目视对其内部水、电、煤管道等隐蔽设施的工作状况进行实时监控。借助3D化BIM模型，可以实现对各个隐蔽部件的实际定位进行直接查看。一旦在设备工作过程中发生故障，检修人员就可以迅速找到故障设备的准确位置，以便能够在第一时间进行检修，极大地缩减了维修的费用和周期［6］。

4.9施工现场安全管理

首先，BIM 技术可以用于创建精确的三维模型，这些模型不仅展现了建筑物的结构和布局，还能够模拟施工过程中的各种情况。在施工前阶段，团队可以利用这些模型进行安全评估和冲突检测，识别潜在的危险和安全隐患，并采取相应的措施加以解决。其次，BIM 技术可以帮助施工团队规划和优化施工流程。通过模拟施工过程，团队可以确定最佳的施工顺序和方法，避免不安全的操作和作业方式，提高施工效率的同时降低安全风险。此外，BIM 还可以用于实时监控和管理施工现场。利用传感器和监控设备，可以将实时数据反馈到 BIM 模型中，监测施工过程中的各种参数和指标，及时发现异常情况并采取应急措施，确保施工现场的安全运行。

5 BIM技术在装配式钢结构建筑施工中的挑战与对策

5.1挑战

虽然 BIM、云计算、物联网等技术的应用带来了显著的管理效益，但不同系统间的集成和数据交换仍是一大挑战。不同软件和硬件标准不一，可能导致信息孤岛现象，影响数据流动与利用效率。另外，虽然 BIM 技术的应用潜力巨大，但在实际操作中缺乏经过专业培训的技术人员。许多从业者在 BIM 软件的使用上仅具备基础技能，未能掌握其高级功能，如信息提取、模型分析和协同管理等。这使得 BIM 技术的应用效果未能最大化，阻碍了项目的整体效率提升。

5.2对策

首先，推动数据共享和标准化。行业协会和相关政府机构应联合制定 BIM 数据标准和行业规范，明确不同参与方在数据交换中的要求。这一标准化将为项目各方提供统一的数据格式，确保信息在不同软件间的无缝流通。通过创建一个集中化的 BIM 平台，所有项目参与者可以实时更新和访问关键信息，从而提高协同工作的效率。

其次，加强专业人才的培训与教育。企业应定期举办 BIM 技术培训课程，涵盖基础知识与高级技能，包括软件操作、模型管理及协同工作流程等。除了内部培训外，企业还可与高校和职业院校建立合作关系，推动 BIM课程的设立与发展，培养更多专业人才。再次，提供经济支持和技术援助。政府和行业组织应考虑推出支持中小企业实施 BIM 技术的相关政策，包括资金补助、税收减免和技术咨询服务等。这些措施能够降低中小企业在BIM 实施过程中的经济负担，鼓励其积极采纳新技术。

结语：总而言之，装配式钢结构施工与 BIM 等技术完美结合实现了高效施工，在施工进程中深度融入 BIM 技术、自动焊接技术等技术，有效解决了超厚板焊接难题、异性钢拱分段加工的复杂性、安装对接的高精度要求，为同类工程提供一定价值参考与启示。相信随着BIM技术的不断发展与进步，其在装配式建筑工程施工中的应用还将更加科学与广泛，为建筑工程的顺利推进提供更加有效的解决方案，提升工作效率，确保工程质量。

参考文献：

［1］黄振邦.大跨度钢结构施工技术及BIM应用研究［D］.北京：北京建筑大学，2016.

［2］代程.建筑工程中钢结构安装焊接施工技术应用探究［J］.河南科技，2022，41（5）：77-80.

［3］朱清.钢箱梁临时支架施工技术［J］.天津建设科技，2014，24（S1）：48+55.

［4］朱唯斌.钢箱梁制作和现场安装方法探讨［J］.广州建筑，2005（1）：28-32.

［5］朱琦峰.低碳钢箱体焊接应力应变场模拟与焊接变形控制［D］.上海：上海交通大学，2018.

［6］宋功业，刘宇辉.大跨钢结构桥箱型梁现场拼装技术［J］.江苏建筑职业技术学院学报，2014，14（2）：1-3.