基于BIM的大型钢结构厂房施工可视化应用

李 汇，万鹏程

（1.中国十五冶金建设集团有限公司 黄石 435000；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070）

过去的20多年，CAD（Computer Aided Design）技术的普及可以说是工程领域中的第一次革命。尽管在很大程度上提高了设计效率，但是CAD归根还是一种绘图工具。这种工具一方面提高了绘图效率，另一方面表现在建筑施工过程中频繁出现的图纸错误、遗漏等问题往往让项目超预算、超工期。这会导致在设计－施工－运营的整个过程中，产生大量的重复工作和信息流失，这是施工企业面临的共同问题。BIM正是在这一背景下产生的，BIM技术的使用有利于减少工程消耗，提高生产效率和质量，可以说是建筑业信息化的第二次革命［1］。BIM模型包含了准确的几何和相关的数据信息来支持完成该建筑所需要的设计、采购、建造、施工等过程，建造活动完成后，这个模型就被用来操作和管理相应的目标，这就形成了一种BIM的全生命周期管理［2］。

1 BIM相关理论

1.1 BIM 理论

BIM的定义或解释有多种版本，McGraw·Hill（麦克格劳·希尔）在2009年名为BIM的商业价值（The Business Value of BIM）的市场调研报告中对BIM的定义比较简练［3］，认为“BIM is the process of creating and using digital model for design，construction，and／or operation of projects.”即BIM 是创造和利用数字模型来对项目进行设计、施工和运营的过程，具有可视化、协调性、模拟性、优化性等特征。

可视化（Visualization）是任何可以通过创造图像、图表或动画来进行表达的技术，在BIM领域应用可视化大体分为数据可视化和几何可视化。Revit生成的相关统计表是数据可视化，而4D施工模拟和照片级的渲染是几何可视化。正是BIM模型具有可视化的特征，才得以让BIM在设计、施工、运维阶段运用。

1.2 BIM信息互用标准

BIM的核心是Information，一个建筑的信息模型通常大而复杂，信息之间高度依赖。对于大部分BIM用户来讲，不需要从用户的角度了解信息互用的方式，只需要了解自己使用的两个BIM软件之间采用哪种方式实现信息互换即可。如果从软件本身（或软件开发者）的角度来看，两个建筑行业软件之间的数据交换可以选择下列4种方式［4］：1）直接互换方式（Direct Links）。一个软件本身包含着另一个软件的信息互换模块，可直接输入或输出另一个软件专用的文件格式。2）专用中间文件格式（Proprietary File Exchange Formats）。专用中间文件格式及某软件厂商开发的用于与其他软件厂商交换文件格式。3）公共产品数据模型格式（Public Product Data Model Exchange Formats）。为了避免专有中间文件格式的垄断，方便建筑业互操作性的公共产品数据模型格式得以产生。主要包含两个类别：钢结构产品模型和电子数据交换格式集成文件CIS／2（CIM Steel Integration Standards Release 2）；building SMART联盟开发和管理的中立格式IFC（Industry Foundation Classes）。IFC是一个中立的、开放的文件格式规范，目前最新版本是IFC4［5，6］。4）基于XML的交换格式（XML－extensible Markup Language，可扩展标记性语言）。工程领域包含aecXML、gbXML和IFCXML等。

1.3 相关BIM软件

常用的BIM软件主要有以下4个类别：

表1 BIM核心建模软件

对于一个项目或企业BIM建模软件技术路线的确定可以考虑以下基本原则：

1）民用建筑适合用Autodesk Revit、Archi CAD建模。

2）工厂设计和基础设施用Bentley。

3）不规则体型项目可以选择Digital Project或CATIA。

当然，除了以项目本身、软件本身的特点来考虑选用的BIM软件外，业主方的要求和项目成员的技术领域也是选用BIM软件的重要因素［7］。该文所用的参数化建模软件Revit，其原意是Revise immediately，即所见即所得。建模完成后即导入到Navisworks做4D施工模拟、项目漫游。

2 项目案例

2.1 项目概况

芜湖三山新型铸管炼钢项目主厂房位于安徽省芜湖市三山区三山工业园新兴铸管有限公司厂区内。该项目是新兴铸管集团结合“十二五”规划在芜湖市建设的大型铸锻件基地，以服务于安徽乃至全国的装备制造业。同时该工业园区也是围绕节能减排，推行集约化生产，贯彻环保和循环经济理念，高标准规划和设计的项目。芜湖三山新兴铸管炼钢项目设计单位是中冶京城工程技术有限公司，施工方是中国十五冶金建设集团有限公司。施工范围包括工程全场桩基、厂房基础、钢结构制作、机电设备和工艺管道安装等内容。

该厂房主要包括出坯跨、过度跨、浇注跨、钢水接受跨、转炉跨、加料跨、脱硫跨、炉渣跨。厂房全部为单层钢结构厂房，墙、屋面采用彩钢板围护，屋面设有成品天窗。厂房建筑面积约为92780m2。厂房跨度范围见表2。

表2 厂房主要跨示意表

工程难点有以下几方面：1）工期紧，作业面展开多，立体交叉作业多，机具和人员投入大，约30000t钢结构要在7个月时间内完成主体结构的制作安装。2）超长的柱子比较多，需要在现场高空对接，质量和安全控制难度大。3）结构件超大、超长、数量多，部分构件单件重、体积大以致运输难度大，且现场无法提前放置即将安装的构件，如果现场协调不合理，影响各专业的衔接。4）交叉作业多，土建和结构穿插作业时间长，相互制约影响，牵涉各专业之间、工序交叉作业及施工场地、道路的影响，且厂房跨度大，构件较重，给安装带来较大难度。5）车间工艺对钢结构及设备安装精度要求高。

2.2 主厂房的BIM模型

施工阶段BIM应用的信息来源方式有两种：一是来自于设计阶段的传递，二是利用设计图纸进行建模。该项目采用第二种方法，建模之前需要进行族文件的建立，主要有格构柱、格构梁和柱间支撑。其族文件和实体如图1所示。

利用相应的二维设计图纸建模后得到的项目主厂房的Revit 3D模型如图2所示。

2.3 BIM可视化在本项目中的应用

根据流水施工过程对主厂房模型进行施工模拟，在Navisworks中定义的施工流程主要包括基础施工、格构柱吊装、吊车梁、高跨区吊装、屋面安装、其他设备安装几部分。Timeliner中4D施工模拟的流程如图3所示。

3 重大技术模拟仿真

对于大型钢结构工业厂房，钢构建、管道安装过程中极易发生吊装碰撞，可能是构件之间的碰撞，也可能是吊装机械与钢结构的碰撞。这种碰撞对于结构安全有较大隐患，且可能使已安装的钢结构产生偏差从而间接影响结构安全。一旦发生钢结构安装过程中的碰撞或吊装机械操作空间受限时，要么修改吊装方案，要么将已安装的成品拆除后再次安装。这势必会造成很大的重复劳动和无效劳动。如何尽量减少这种“吊装碰撞”的发生是钢结构施工领域的重要课题，使用BIM技术能够为这一问题带来解决方案，通过对BIM模型模拟吊装、修改参数等方式优化吊装方案，对于减少这种施工阶段的吊装碰撞是可能的。

该项目的吊装模拟如图4、图5所示。

4 设备、工程用料、施工用料统计及施工图预算模拟仿真

通过BIM创建的仿真模型，可以精确统计设备材料、工程用料、施工用料进而为施工预算提供决策依据。其原理是，按照设计图纸创建精细化BIM模型后，项目中的各种构件数量、长宽、面积、体积，都已经被真实反映了出来，从而可以将这些数据提取成为表格以供使用。在给BIM模型的各种构件赋予了材质、材料属性后，统计量不仅可以按构件类型进行统计，也可按材料进行统计。通过三维BIM模型得到的材料用量，要远比凭经验判断准确得多。所有模型建模时就意味着在虚拟的环境下，将建筑搭建了一遍，因此所有的数量和体积都是在相对精确的前提下产生的。以BIM模型生成的量作为参考，能够尽可能的减少因为预估不准而在材料采购上造成的浪费和成本的提升。

5 结 语

以BIM理论以及BIM软件Revit、Navisworks为基础，主要论述BIM技术在施工阶段的应用，即可视化模拟和4D虚拟施工。通过研究对芜湖三山新型铸管炼钢项目主厂房进行Revit建模，建模后导入Navisworks进行4D虚拟施工，证明了钢结构建筑不仅可以用专门的钢结构建模软件Tekla Structure建模，Autodesk系列的Revit也能够胜任。该研究是BIM向大型钢结构工业厂房应用领域的一个探索，所生成的4D虚拟施工对实际施工过程具有很强的参考作用，能够提前预警、优化方案、降低成本、缩短工期等。

［1］何关培，王轶群，应宇垦.BIM总论［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［2］Salman Azhar，Phd，A.M.ASCE.Building Information Modeling（BIM）：Trends，Benefits，Risks，and Challenges for the AEC Industry［J］.leadership and Management in Engineering，2011，11：241－252.

［3］McGraw·Hill.The Business Value of BIM：Getting Building Information Modeling to the Bottom Line［R］.Smart Market Report，2009.

［4］Eastman C，Teicholz P，Sacks R，et al.BIM Handbook［M］New Jersey：John Wiley ＆Sons Inc，2008.

［5］IFC Model.Industrial Foundation Classes［S］.International Alliance for Interoperability，2008.

［6］维基百科.Industry Foundation Classes［EB／OL］.http：／／en.wikipedia.org／wiki／Industry＿Foundation＿Classes，2013／12.

［7］柳娟花.基于BIM的虚拟施工技术应用研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2012.