BIM 技术在钢骨混凝土混合框架结构施工中的应用研究*

富 顺

（内蒙古建筑职业技术学院 建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特010070）

引言

BIM 是建筑信息模型Building Information Modeling的英文缩写，是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

BIM 思想最早于1975 年由美国佐治亚理工大学“BIM 之父”之称的Chuck Eastman 教授提出，以便实现建筑工程的可视化和量化分析，提高效率。1986 年，美国学者Robert Aish 提出“Building Modeling”，这一概念与现在业内广泛接受的BIM 概念已经非常接近[1]。2002 年由Autodesk 公司提出建筑信息模型（BIM），并推出了自己的软件产品，随即在全球多个项目上进行试用，取得不错的效果。

BIM 具有可视化、协同性、模拟性、优化性和可出图性等主要特点，在工程建设过程中应用BIM 技术，发挥其特点，使工程建设全过程信息化，提高协同工作效率，对减少工程变更，避免返工，保证工期，降低成本等方面具有重要意义。

1 BIM 应用现状

从BIM 思想的提出到2002 年的实质性开端，又到目前的不同阶段、不同程度的应用，BIM 技术正在逐渐成熟，逐渐被人们认可和应用。

1.1 国外BIM 应用情况

美国是BIM 应用的始源地，较早的启动了相关研究和标准的制定工作，美国建筑科学研究院于2007 年发布了美国国家BIM 标准（NBIMS）[2]，研究解决IFC 的应用、提供信息交换标准和模板、项目承包模式、设施信息检索技术、设施信息获取利用的方法、建筑性能测试等功能应用、减少信息重复提高信息的再利用率、信息追溯、降低信息交换的时间以提高效率等一系列问题。目前，美国大多数的建筑项目已经采用了BIM，2007 年，BIM 在美国建筑行业的应用比例是28%，处于刚开始发展的地步，到了2009 年，应用比例上升至49%，而2012 年时，统计大约有71%的项目采用了BIM 技术，BIM 在美国越来越得到认可与青睐，并且美国建筑企业300 强中应用BIM 的企业达到了80%[2]。应用主要分布在设计方案论证、能量分析、场地使用规划、建筑系统分析，维护设计等各个阶段的不同环节中。

英国在BIM 应用方面的政策是政府强制要求使用BIM。2011 年5 月英国内阁办公室发布了“政府建设战略”文件，并明确了各个阶段的BIM 实施步骤[3]。英国的设计公司在BIM 实施方面已经相当领先，众多世界级设计公司坐落于伦敦，这些公司能够有效执行政府强制使用BIM 的相关文件及标准，这大大提高了英国BIM 应用水平和发展速度。

新加坡政府从政策、资金、人才培养等多方面支持企业应用BIM 技术，政府规定设计报审必须提交BIM 设计成果。但由于BIM 设计带来的额外工作量较大，BIM 软件本身不够成熟，设计人员对软件的掌握不够熟练等原因，设计公司在设计过程中一般采用“二维设计+BIM 设计”的方式，在二维设计的基础上或二维设计进行的同时由BIM 设计团队进行BIM 设计，BIM 设计成果主要用于报政府审批。施工、运营阶段的BIM 应用同样处于缺少配套软件，BIM 模型数据无法与施工、物业管理等系统对接，数据共享仍存在不少的问题[4]。

1.2 国内BIM 应用现状

国内BIM 概念在2002 年被定义，住建部从2014 年开始相继发布了《关于建筑业发展和改革的若干意见》《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》等文件推动BIM 应用，2016 年12 月发布《建筑信息模型应用统一标准》GB/T 51212-2016，2017 年5 月发布《建筑信息模型施工应用标准》GB/T 51235-2017，2018 年12 月发布《建筑工程设计信息模型制图标准》JGJ/T 48-2018 和《建筑信息模型设计交付标准》GB/T 51301-2018，解决BIM 应用缺乏标准的问题。应用方面，根据《中国建筑业企业BIM 应用分析报告（2019）》显示，国内大型施工总承包企业中已应用BIM 技术3～5 年的比例最高，达到31.57%，应用1～2 年的企业占22%，应用不到1 年的企业占19.35%，已应用5 年以上的企业有18.55%[5]。从BIM 组织建设方面来看，多数企业从委托咨询单位完成BIM 应用逐渐转向公司成立专门BIM 机构，越来越重视企业自身的BIM 应用能力建设。从BIM 技术应用的项目来看，主要集中在甲方要求使用BIM 的项目、建筑物结构非常复杂的项目和有评奖或认证需要的项目上，其次是需要提升企业管理能力的项目和需要提升公司品牌影响力的项目上。另外，根据调查发现，无论企业资质如何，对于工期紧、预算少、建筑物结构不复杂的项目应用BIM 技术均是最少的，这一数据反映出，对于结构简单的项目，现阶段BIM 技术在解决项目成本、进度方面还很难给项目带来更大的改变[5]。

2 BIM 技术在钢骨混凝土结构中的应用

钢骨混凝土结构是在钢筋混凝土结构构件中加入型钢的一种混合结构，常采用H 型钢、方形截面或圆形截面型钢作为钢骨形成钢骨混凝土结构。钢骨混凝土混合框架结构是钢筋混凝土结构、钢骨混凝土结构、钢结构混合的框架结构，与单一结构相比，其材料多样，节点复杂，传统施工图施工难度较大等特点，引入BIM 技术可提高施工效率，降低施工难度，保证施工精准度。以下为BIM技术在钢骨混凝土混合框架结构施工中的应用案例：

2.1 工程概况

内蒙古建筑职业技术学院新校区三期扩建西教学区位于呼和浩特市毫沁营乡一间房村，总建筑面积51322.36m2，其中实训基地2 号楼位于本工程东侧，建筑面积为13778.17m2，主楼地上五层，主体采用钢筋混凝土框架结构，局部钢骨混凝土框架结构、钢结构，东侧入口上五层空中连廊采用钢桁架结构，跨度为28.7m，钢桁架上下弦杆与两侧钢骨混凝土柱相连形成钢骨混凝土混合框架结构。

图1 整体结构BIM 模型

2.2 项目施工难点

本项目除大跨度钢结构屋盖外，主要施工难点在钢骨混凝土混合框架结构部分，此部分施工图需要结合图集施工，详图深度有限，需要进行进一步深化设计满足施工要求。在施工中，钢筋混凝土、钢骨混凝土、钢结构混合施工，交叉作业，要求钢结构施工与混凝土施工密切配合，各专业、各工种间需要密切协作。在节点施工中，梁柱节点复杂，对图纸及图集理解程度要求高，稍有理解不到位就无法进行下一道工序的施工，造成误工返工。另外，钢骨型钢需要预留钢筋穿孔及钢筋连接牛腿、套筒、连接板、加劲肋等，需要与加工厂协同，提供详细加工图纸。

2.3 BIM 技术应用

（1）复杂节点BIM 深化设计应用

本项目施工图中只有梁柱平法施工图，并没有详细的节点详图，平法施工图结合图集施工，这对于钢骨混凝土混合框架结构这种复杂节点来说，施工图表达深度达不到施工要求，施工难度较大，也容易出错，传统二维深化设计图纸又不能直观地表达节点部位的钢筋关系。针对这种情况，对节点部位进行BIM 深化设计，将二维图纸和图集详图向三维模型转化，可视化展现钢骨、钢筋之间的关系，指导施工有序进行。

图2 梁柱节点BIM 深化设计模型

（2）BIM 施工图优化应用

由于本项目结构施工图设计中并未充分考虑钢筋根数与钢骨穿孔率的问题，个别节点出现了梁钢筋根数较多，导致柱钢骨穿孔数量过多，对钢骨型钢截面削弱过大的情况。通过节点区BIM 模型钢筋排布，理清钢筋与钢骨关系，将四、五层46 轴钢骨梁顶部纵筋由6 根20 代换为4 根25，减少穿孔钢筋根数，满足型钢截面削弱率在25%以内的要求。

（3）BIM 图纸会审应用

图纸会审是项目施工前的必要程序，传统施工图会审一般分专业进行，各专业各看各的问题，设计人员与施工技术人员间的沟通较多，监理、甲方参与度较低。本项目在钢骨混凝土结构施工图会审中采用了施工图结合BIM 模型会审的方式，把传统施工图不好表达甚至不能表达的内容在BIM 模型上进行讨论，在同一个模型平台上各专业、各参建方共同参与，发现问题，提出问题，提高协同工作效率。

（4）BIM 工厂加工图应用

传统施工图是从二维图纸向三维实体想象，BIM 模型则为从三维模型向二维图纸输出，BIM 可从模型输出任意剖视方向的剖面图和立面图。在项目节点BIM 深化设计过程中已经对钢骨型钢开孔做了准确的定位建模，利用BIM 的出图功能将开孔加工图输出提供给钢结构加工厂即可，这样既省去二次深化设计，也保证了钢筋与钢骨穿孔的精准定位。

图3 钢骨柱型钢开孔BIM 模型

图4 钢骨柱型钢开孔加工图BIM 出图

图5 柱纵筋与钢骨型钢连接钢板连接BIM 模型

图6 柱纵筋与钢骨型钢连接钢板连接施工图片

（5）BIM 节点施工应用

本项目的主要施工技术难点在于其节点施工问题上，施工工序的先后顺序、钢筋穿孔的精准定位、纵筋与钢骨型钢的连接、箍筋与钢骨型钢的关系等尤为重要，稍有差错就可能出现后续工序的无法衔接，导致返工。在项目节点施工中主要在以下几个方面利用BIM 模型进行了施工指导。

a. 柱纵筋与钢梁翼缘碰撞问题

柱纵筋与钢梁上下翼缘碰撞时，按《型钢混凝土组合结构构造》04SG523 图集的做法，可在钢梁翼缘打孔，将柱纵筋穿孔通过钢梁翼缘，在本工程中考虑尽量不削弱钢梁翼缘面积，采用了钢梁上下翼缘焊接钢筋连接板的方式，将柱纵筋与连接板焊接，并在连接板对应的钢梁翼缘内焊接加劲肋。这种焊接连接板的方式仅适用于钢梁，不适用于钢骨梁。

b. 梁纵筋与钢骨柱型钢翼缘碰撞问题

梁纵筋与钢骨柱型钢翼碰撞时，梁外侧纵筋绕过柱型钢，梁中部纵筋与焊接在柱型钢翼缘上的钢牛腿双面焊接，焊接长度大于等于5d（d 为梁纵筋直径）。

c. 梁纵筋与钢骨柱型钢腹板碰撞问题

梁纵筋与钢骨柱型钢腹板碰撞时，梁外侧纵筋尽量绕过柱型钢，梁中部纵筋则穿孔贯穿通过柱型钢。本项目中，通过BIM 模型钢筋排布，对原图纸中的钢筋根数进行优化代换，尽量减少穿孔钢筋数量，保证型钢腹板截面削弱最小。

图7 梁纵筋与钢骨型钢牛腿连接BIM 模型

图8 梁纵筋与钢骨型钢牛腿连接施工图片

图9 梁纵筋穿孔贯穿钢骨型钢腹板BIM 模型

图10 梁纵筋穿孔贯穿钢骨型钢腹板施工图片

3 BIM 技术应用成效

通过BIM 技术在实际工程中的应用，取得了以下几个方面的成效：

3.1 提前发现问题，减少工程变更

在施工前的审图阶段，通过BIM 模型创建，能够提前发现传统施工图中很难发现的“错、漏、碰、缺”等问题，及时解决这些问题，避免施工过程中的工程变更。

3.2 使深化设计表达更加清晰

基于BIM 技术的复杂部位深化设计能够更清晰可见地表达传统二维深化设计图纸很难表达的内容，使得工程技术人员对技术难点部位的理解更加直观清晰。

3.3 可视化施工，提高工作效率

在复杂部位施工过程中，随时可在BIM 模型上进行施工方案讨论，也可通过电子设备或手机等通讯工具将施工难度较大部位BIM 模型截图实时传送给施工现场各工种作业人员，指导施工，提高工作效率。

3.4 提高协同参与度，改变管理模式

在审图、方案论证、技术交底等各个环节中，项目参建各方围绕同一个BIM 模型进行讨论，问题的提出和解决方案的讨论都是协同的，联动的。这种协同工作模式也改变了单一分散的施工管理模式。

4 BIM 技术应用存在的问题

4.1 BIM 技术的应用应从源头开始

BIM 技术应从规划、设计阶段就开始应用，也就是实现正向应用，而不是目前的翻模状态，设计阶段的BIM模型可共享于施工、运维阶段，这样将避免重复劳动，节省建模成本。

4.2 BIM 软件缺乏，技术不够成熟

BIM 主流平台软件以美国Autodesk 公司的Revit 软件为主，国外软件与国内规范的结合度、构造做法的匹配度等诸多方面还需要进一步融合。国内BIM 软件在综合应用、协同应用等很多方面技术不够成熟，需要进一步的更新换代。

4.3 BIM 技术人才短缺

BIM 技术在国内应用时间较短，企业获得BIM 技术人才主要通过招聘高校毕业生和通过自主培训的方式，尽管国内建筑类高校或多或少开设了BIM 相关课程，但毕业生在实际工程中应用BIM，并有所成绩，需要时间和实践的考验，真正能够应用BIM 为企业创造价值，既懂技术又懂管理的复合型人才少之又少。这也是目前BIM应用与发展过程中制约企业应用BIM 技术的因素之一。

4.4 BIM 应用点不明确

目前的BIM 应用有一部分是甲方要求，还有一部分是为评奖或提高企业知名度，大部分企业还是未能准确定位项目BIM 应用点，实现BIM 应用价值。

5 结束语

BIM 技术是建筑业信息化发展战略的重要组成部分，也是建筑业转型升级的重要手段。在钢骨混凝土混合框架结构施工中引入BIM 技术，以施工图深化设计、审图、复杂节点施工为主要BIM 应用点，发挥BIM 技术的可视化、协同性、优化性、可出图性等特点，将传统施工图施工难点部分转化为可视化、协同化、信息化的施工过程，提高施工效率，避免误工返工现象，保证精准施工要求，取得了不错的应用效果。但不可否认的是，在BIM 技术应用过程中也发现，目前国内BIM 技术还处于起步阶段，在政策、法律、软件、人才、应用等各个方面还需要进一步的完善和不断的优化来支持更深层次和更全面的应用。