BIM技术在大型钢结构工程中的应用研究
摘要
文章研究以国际上先进的项目建造BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)理念，通过对三维建模软件的研究和运用，对钢结构数据进行数字化录入，形成三维管理数据库，通过数据库对钢结构施工中从材料整理、计划编排、施工跟踪、资源安排、吊装计算等各方面进行全面数字化管理，使钢结构安装形成了计划合理化、进度可视化、数据精确化的水平。该安装技术在扬子石化-巴斯夫二期改造项目高吸水性树脂装置中得到了成功应用，取得了十分显著的技术和管理效果。
关键字：BIM技术；信息化管理；云网络；钢结构工程；模块化施工
1. 引言
钢结构工程技术以其占地面积小、综合成本低、施工速度快、质量易控制、绿色环保等优点广泛应用于工业建筑之中，随着现代工业项目越来越趋向于大型综合一体化方向发展，大型、复杂的钢结构工程将是未来工业建筑尤其是大型厂房建设发展的趋势；以往粗放、简单、随意性的钢结构安装技术已经不能满足未来建筑效率化、流程化的建造要求。大型钢结构工程技术必将朝精细化、模块化、规范化方向发展。
传统的钢结构安装施工管理是以平面图纸为基础，凭借施工队伍的技术力量和经验水平对钢结构安装进行人员、机械、机具的安排及安装顺序规划，钢结构吊装计算也凭借近似计算的方法进行校核，此方法在小型项目中可以顺利运用，而大型钢结构安装往往由于构件数量诸多、结构复杂导致整体安装编排相对抽象，会造成材料理不清，施工
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顺序混乱，安排不当等现象，造成不必要的进度和质量问题。在此基础上，我公司运用目前国际上先进的项目建造BIM（Building Information Modeling, 建筑信息模型）理念，通过对三维建模软件的研究和运用，对钢结构数据进行数字化录入，形成三维管理数据库，通过数据库对钢结构施工中从材料整理、计划编排、施工跟踪、资源安排、吊装计算等各方面进行全面数字化管理，使钢结构安装形成了计划合理化、进度可视化、数据精确化的水平，取得了十分显著的技术和管理效果。
2. BIM技术原理
4.1.建筑信息模型（Building Information Modeling）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有可视化，协调性，模拟性和优化性等特点。三维可视化功能再加上时间维度，可以进行4D虚拟施工。随时随地直观快速地将施工计划与实际进展进行对比，同时进行有效协同，通过BIM技术结合施工方案、施工模拟和现场视频监测，大大减少建筑质量问题、安全问题，减少返工和整改。
4.2、目前国内大型钢结构安装工程，主要采用现场单根构件吊装技术。单根构件吊装工艺效率低下，高空作业量大，导致施工耗时长；高空作业难度高，造成结构拼接安装精度不易控制，容易产生尺寸偏差；大型吊装设备台班费，高空安全措施费均非常高，长时间高空作业增加施工危险性缺点；经过前期项目的总结与思考，我公司决定研究以BIM技术为基础，模块化钢结构栓接工艺为核心的大型钢结构厂房快速建造技术，通过三维模拟建造技术的运用，以及预拼接和模块化的钢结构安装方式研究，充分协调设计、预制、施工等各方的一体性，加快现场施工进度，提高各个环节质量控制水平，降低施工危险性，节约成本。 3. 技术应用实例
公司于2012年承接扬子石化-巴斯夫二期改造项目高吸水性树脂装置CSA及MEI标段
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施工，装置主要由SAP主生产厂房、干燥间、溶剂回收单元、配电室及综合楼单体组成。其中SAP主生产厂房为装置生产流程核心区域，为10层钢结构框架结构，总建筑高度60.40m，底部结构尺寸为46m×30m，总建筑面积6155.23㎡，钢结构构件总计10552件，螺栓总计110196套，总吨位约2050T；2-6层为混凝土楼板，采用钢结构楼承板组合混凝土楼面，面积共计4362.4㎡，体积总计1090.6m³；0.5层，1.5层，5.5层层间平台及7-10层为花纹钢板平台，加上层间设备平台花纹钢板总面积约1800㎡；外部采用压型钢板双层复合保温墙面及压型钢板复合保温防水卷材屋面作为围护结构，总面积约7260㎡。
SAP装置土建和钢结构模型图
根据业主提供的工程信息及计划要求，SAP主厂房钢结构安装期计划为2012年11月1日至2013年3月10日，排除春节期间及恶劣雨雪天气影响，有效施工时间仅仅大约100天左右，期间不仅要完成超过1万件钢结构构件安装和11万套螺栓锚固，还要完成5层混凝土楼面浇筑和7层花纹钢板铺设和固定，技术难度十分巨大，对技术力量和
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多专业协调管理能力提出了十分苛刻的要求，同时，由于装置主产品高吸水性树脂为高洁净度材料，生产流程对环境要求十分苛刻，因此业主对SAP项目施工提出了防水、防尘、防蚊虫的完全密封竣工高标准，对施工过程的文明施工和现场清洁程度也提出了更高的要求，进度压力不可谓不大。对此业主也给予了“顺利完成厂房钢结构安装，整个SAP项目就成功了70%”的评论。
在紧迫的工期要求和高标准的施工要求背景下，如何能够更快速、有效、安全的完成工程施工，是对公司技术力量和管理水平的极大考验，经过项目部的研究，突破传统思维，从技术创新角度出发，运用新工艺技术和新管理方法提高施工效率，才能在保证安全水平下如期完成任务，实现工程的成功竣工。
下面以本建造技术中的创新点和关键技术为出发点，结合工程实例进行阐述：
3.1 三维钢结构模型数据库建立
在工程招投标阶段，通过业主提供的平面图纸，安排专业技术员，将钢结构构件输入三维模型数据库中，进行2D→3D建模，建模流程主要包括下列步骤：
1) 轴线网络建立 2) 平面、立面区域划分 3) 构件定位、型号输入确认
4) 构件类型、名称、截面、材质、表面处理工艺、颜色等级信息输入 5) 构件号编码
6) 构件预制、安装状态、计划开始和结束时间状态输入 7) 构件连接节点、螺栓及焊接状态输入 8) 设置可视化模型模版及模型管理器等级划分
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9) 细节微调，三维渲染 10) 完成总体模型
通过模型数据库的建立，可在工程前期对工程整体结构和施工流程有一个直观、动态的了解和把握，利用真实的三维空间还原原理，可实现真实直观的吊车站位及吊装流程的预先模拟，便于进行相应的施工工序编制和资源安排，使项目初期甚至投标阶段就能对整体项目的施工部署和规划有充分的准备，对顺利进行投标工作和实体工作的实施均有显著的帮助，打下坚实基础。
构件状态和建造信息录入 吊车站位模拟，整体施工模型渲染
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3.2 材料到货可视化跟踪及信息反馈
大型钢结构安装工程由于钢结构构件数量庞大，且结构形式多种多样，往往存在到货无计划规律，导致大量材料堆积现场的现象，对后期的材料确认及二次倒运将会造成十分严重的影响，因此工程前期十分有必要做好和钢结构厂家/业主采购部的多方沟通联络，使跟踪分析到货情况是否满足现场安装要求，进行反馈意见和建议。同时需要做好现场场地的规划，结合分片/整体安装计划，合理利用材料堆场及安装场地进行施工安排。
SAP项目前期，根据已到货构件清单建立模型数据库，生成钢结构到货状态模型，从模型信息可直观反馈出已到货构件是否满足现场分片安装需求的结论及根据现场到货情况编制优先到货清单并将此状态反馈给相关部门，从而及时的进行材料到货跟踪反馈，减少因为材料原因导致的进度滞后现象。
2012年10月28日到场钢结构材料模拟 2012年11月06日到场钢结构材料模拟
3.3 钢结构安装模拟和施工记录
SAP钢结构安装管理中，充分运用了前期建模软件形成的模型数据，进行钢结构施工的辅助管理，在施工过程中，要求施工队对每日的安装工作量进行记录、汇总，由项目部技术人员导入模型，使其可以方便直观的跟踪日常安装工程量，形成可视化工程状态。对安装计划进行事实分析，根据反馈信息做出及时调整，同时也能通过模型的每日状态变化对现场钢结构安装计划进行还原模拟，为类似高
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层钢结构安装工程提供了良好的借 鉴经验。
日钢结构安装数据信息
钢结构根据结构特性可以分为框架梁柱、次梁、斜撑、吊梁、平台梁等多种构件、根据表面处理工艺可以分为镀锌、油漆、防火等、根据力学性能可以辨别其为承压型构件还是摩擦性连接构件，根据安装及柱连接点阶段可以分为第一段、第二段、第三段区域结构等。不同的种类划分会决定了整体施工顺序和重点的编排，是进行合理有效施工计划的前提，通过三维管理软件，可以有效的根据不同规格类型对构件进行区域划分，明确施工重点。
防火区域划分 第二层13.47m结构划
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分
由于大型钢结构工程往往存在数量巨大的构件，如SAP厂房钢结构构件共10552件，如此庞大的数量如何保证安装有存在构件遗漏和尾项清理，是工作的重点和难点，通过三维钢结构模拟软件进行累计安装数据和总安装数据比对，可以清晰反应未安装构件数量及区域，通过三维图像及时直观反馈给项目管理组，对保证构件安装完整性，避免二次返工有着十分重要的意义。
未安装钢结构构件于模型内的分布图
3.4 结构吊装验算及模拟
吊装分析与计算是钢结构安装中的重点，在SAP项目中，结合结构计算软件及三维模型，还原模拟了真实的钢结构数据及吊装模型，运用结构软件对分片及整体框架进行重量、重心计算，并模拟吊车站位进行吊装计算，使吊装工艺准确性与安全性大大提升。
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单片钢结构吊装模拟验算 整体管廊钢结构吊装验算
模块结构重心计算 整体模块钢结构重量验算
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3.5 细部节点设计及碰撞检查
通过三维建模形式，在原有设计基础上进行钢结构构件，压型钢板及包边深化设计，采用三维截面构造绘制及二次碰撞检查的方法，从设计角度提高包边设计的合理性，减少因为设计尺寸与现场实际不符导致的构造误差
SAP厂房围护结构和包边建模
三维节点设计和碰撞检查
3.6 基于BIM技术的大型钢结构分片及模块化预拼接、整体吊装工艺应用
通过对BIM技术的深入研究，结合真实直观的安装数据模拟特性，研究以BIM模拟技术为基础的分片、模块化吊装工艺，下面以其在SAP施工实体工作环节的运用为例，进行阐述：
a) 钢结构分片/整体安装规划
在SAP钢结构安装工程中，通过前期的三维数据库模型的建立，还原模拟真实的钢结构安装结构及施工场景，并根据现场钢结构形式特点进行了整体吊装分片，计算各分片的整体重量/高度/位置信息，从而计算出吊车站位及荷载等吊装分析，为后期的材料到货分析/安装人力规划/材料组对场地划分等施工工艺提供了基础性的数据支持。
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单片结构模拟 吊装示意图
主装置第一层框架分片模拟及数据分析 主装置第二段框架分片模拟及数据分析
第2段分片吊装模拟及吊车站位 第4段整体吊装模拟及吊车站位
b) 卸车及拼接场地规划
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根据现场场地布置情况和钢结构到货计划，结合三维模型的空间尺寸数据，进行卸车及拼接场地规划，以SAP项目为例，将厂房东面部分划分成四块7*18米区域，作为主要拼接场地，供四组班组流水作业，在厂房西面布置5*18米区域供西面结构堆放。
框架结构分片组装时，同时在主区域周围预留5*18m场地作为主区域拼接工作时候下道工序的材料堆放区域，在厂房A-B轴及干燥间已浇筑部分设置额外两块组装区域，供B和H轴分片结构组装，上述区域可同时满足四天的计划工作量，区域布置参见如下：
c) 单片组装/吊装
根据预定的钢结构分片安装计划及场地安排，进行场地平整和枕木布置，每片钢结构设置4组枕木，每组6根，按照“井”字在拼装场地布置好，进行构件拼装。构件拼装时对称选取结构构件上的螺栓孔，选用不少于20%数量临时螺栓用于临时紧固，结构构件中心调整完成后进行柱底板孔距及现场地角螺栓距离复验。
现场采用悬梁扣件作为脚手架固定结构，在分片拼装完成后，设计及安装沿柱身布置的悬挑脚手架，作为连系梁安装等操作平台。为便于摘钩和安装梁，吊装前
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固定上爬梯和生命线。片状框架竖立离地后，捆上缆风绳，主吊车转杆将其吊装就位。初找正后固定，紧接着吊装相邻的框架，再安装连系梁，使其稳固。
临时螺栓固定 悬梁脚手架搭设
分片构件吊装采用130T履带吊主吊， 25吨汽车吊溜尾配合，完全起吊后人工摘除25T吊车吊钩，吊装就位后紧固地脚螺栓，经纬仪调整垂直度满足规范要求，固定揽风绳，之后继续进行下一分片的吊装工作。
待分片构件成对安装后，根据计划利用液压/曲臂升降车/悬挑脚手架进行连系梁
安装工作，使其成稳定结构，过程中保持
测量校正工作。
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d) 框架结构安装
框架结构安装计划根据分片安装计划的排布顺序进行合理性规划，结合吊车站位和图纸分布，进行人力资源安排，保证分片框架——联系梁——次梁等构件安装保持流水施工状态。 框架结构安装平台采用液压升降机和悬挑式脚手架平台相结合的方法，其中悬挑脚手架平台通过将地面搭设的分片框架附着架进行连接，使其形成分片平台，满足大面积次梁等非框架构件的施工需要。
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e) 整体吊装
对于厂房第四段结构，由于高度较高，分析其结构在2跨3排柱排布，根据结构荷载及吊车站位分析，采用二次整体吊装的方式，在地面组装完成框架结构及附着脚手架后，选用350T吊车一次吊装就位。
地面框架整体拼接 350T主吊 50T翻身
整体模块一次性吊装就位
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3.7 云网络及信息化技术应用
BIM技术的特点之一是多方同步协调性，旨在通过计算机的信息化网络，将施工各环节的资源进行整合，达到同步协作，资源一致性的目标，使整个管理团队使用共享的团队资源进行工作分配，减少由于信息不对称和沟通闭塞导致的管理问题。
云网络为近年来革命化的计算机网络技术，基本原理是通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。云网盘是基于云网络技术的核心运用之一，是一项提供用户Web、PC、和手机客户端多平台数据共享的云存储服务。该服务依托于强大的云存储集群机制，发挥了云端存储优势，提供超大的网络存储空间，拥有更强大的数据安全保障，并且提供了数据共享的通道,其架构如下。
SAP项目中，由于项目管理团队均需要对BIM模型进行实时录入、更新、查询、反馈，同时在现场管理、沟通和工作汇报等工作中有大量的管理型文件和表格需要多方编辑，因此需要保证各成员的工作文件一致性，经过研究，项目团队建立了以云网盘为核心、局域共享盘和照片同步软件为辅助的云网络
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及信息化管理模式，其具有容量大（2-10T），帐号建立快捷、同步实时准确等优点，达到了施工过程中全体项目组成员资源同步，实时共享的效果，项目团队的管理效率和沟通水平得到了很大的提高。
4. 主要技术指标和参数
全程三维化、信息化、可视化、网络化安装管理。以钢结构三维建模管理软件和云网络技术为核心，建立完整的钢结构数据库，将安装信息可视化和三维化，及时更新现场安装状态，进行实时反馈和计划调整，具体如下。
1． 模型构建，真实反映钢结构材料特性、物理参数、连接模式等具体数据
2． 材料跟踪，对材料到场情况、进场时间、堆放区域进行跟踪记录，便于施工安排。 3． 可视化工程状态，能根据时间线对钢结构构件进行计划安装时间和实际安装时间进行
模拟和反馈
4． 分类统计，能根据各结构的楼层、区域、表面处理类型、构件规格等不同性能进行分
类显示，达到筛选和跟踪的目的。
5． 吊装计算，能对单根和组合构件的重量、体积、长度、表面积、重心等物理性能进行
计算和真实的吊装模拟。
6． 云网络管理，能将管理组成员的资源进行整合，达到同步更改，实时共享的目的。
5. 与国内外同类技术比较
本技术采用的三维模型施工管理技术成果运用了国际上顶级的项目建造BIM（Building Information Modeling, 建筑信息模型）理念，对比国内大部分采用的以平面施工图纸和施工经验为依据的传统施工模式上，有着本质的技术创新改
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进与提高。其在SAP装置上的成功运用得到德国巴斯夫公司的高度认可，被成功借鉴和推广至其巴西Bahia的SAP双子项目上，处于国内先进的水平。 6. 技术成果的经济效益、社会效益
经过技术研究与创新，本技术成果中采用的新工艺、新技术、新管理方法在工程实践中创造了显著的经济效益和管理效益，以SAP装置钢结构厂房安装为例，项目在钢结构到货全面延期（将近一个月）的情况下，于2013年3月8日完成厂房第四段的钢结构安装（业主计划要求完成时间2013年3月10日），圆满的完成计划任务，同时减少了直接和间接劳动力及资源台班，平均每吨钢结构施工成本降低约429元，为顺利实现机械竣工打下了坚定的基础，得到了业主和管理方的高度认可和好评。以下通过对传统施工工艺成本与本技术成果施工成本的对比，来阐述其直接经济效益：
除直接经济效益外，采用模块化钢结构安装工艺，将原有粗放化、效率低的单根构件顺序施工工艺更改为整体框架、多构件串吊为核心的整体化、精细化高效率的流水施工工艺，可以提高施工精度、显著降低现场施工机械台班损耗，缩短施工时间及降低人工费用，提升现场施工效率，提高施工安全技术水平，降低直接施工成本费用，从而可大幅提高经济效益，具有广泛的应用前景。
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同时由于模块化安装技术的研究需基于合理化、高效化的计划编排、技术研究及统筹管理，在组织施工的过程中，需要管理层面对于技术、施工、质量、计划、材料、安全等部门进行资源整合，同步协作，通过整体的建造技术研究提升项目管理水平，降低间接费成本，对于管理团队的综合实力和水平将有很大裨益。其
SAP装置钢结构及围护系统竣工图
在SAP项目的成功应用也提高了行业的整体技术和管理水平。
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7. 技术成果的推广应用前景
住建部发布的《2011~2015建筑行业信息化发展纲要》中，明确指出：在施工阶段开展BIM技术的研究应用，推进BIM技术从设计阶段向施工阶段的应用延伸，降低信息传递过程中的衰减；研究基于BIM技术的4D项目管理信息系统在
大型复杂工程施工过程中的应用，实现对建筑工程的有效可视化管理。本技术成果适用于所有石油化工、精细化工行业在新建或改扩建项目的钢结构安装工程，尤其适用于结构复杂，大跨度、高层厂房钢结构及围护结构安装施工。本技术在石化行业内的推广运用，符合国际和时代潮流，对加快大型一体化施工和信息化
管理水平有着重要意义，具有长远的发展前景。
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