BIM技术在装配式钢结构住宅中的应用研究

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　　装配式钢结构住宅是我国近几年来大力推行的一种“绿色、节能、环保”的新型建筑，与传统钢筋混凝土建筑相比，装配式钢结构主要具有以下优点：钢构件适合工业化生产，可以将钢构件的设计、生产、施工、安装通过BIM平台实现一体化，变“现场建造”为“工厂制造、现场安装”;钢构件安装可以实现现场干作业，钢构件安装效率高、工期短;另外钢结构材料还可以回收利用。
　　基于装配式钢结构建筑的诸多优点，我国相关部门先后出台了较多扶持政策。广西建工集团第五建筑工程有限责任公司承建的广西首个装配式钢结构高层住宅试点项目——柳州市莲花城保障性住房项目，在钢结构的深化设计和施工中充分应用了BIM技术，取得了良好的效果。
　　1. 工程概况
　　柳州市莲花城保障性住房项目位于柳州市魚峰区柳石路上，处于莲花立交桥匝道与柳石路的交叉处西北面，共10栋建筑单体，总的建筑面积144785.72 m2，其中地上103173.23 m2，地下41612.49 m2;建筑单体地上部分主体结构采用钢结构，1～9#楼的结构体系采用扁柱—H型钢梁框架+支撑结构体系;10#楼的结构体系采用扁柱—H型钢梁框架结构体系;本项目为广西首个装配式钢结构高层住宅试点项目，钢结构总重量约10000吨。
　　本工程的重点和难点：
　　（1）本工程为广西首个装配式住宅项目，可以借鉴的经验较少;
　　（2）各专业交叉较多，如钢结构与水电管线交叉干扰较多，施工受影响较大;
　　（3）外墙板与钢梁梁柱节点的连接处是防水的薄弱环节，且钢梁钢柱的连接节点受力复杂，钢结构深化设计时，需要对钢梁钢柱的连接节点进行更加细致的细化设计和处理;
　　（4）项目施工工期紧，且钢结构加工需要一定的加工时间，因此钢结构深化设计需要快速、准确和高效，以便于为钢构件加工和安装争取时间;
　　（5）本工程共有10栋住宅，钢构件重量达10000吨，钢结构安装工作量大、且安装作业面广，安装难度较大;
　　（6）由于本工程属于保障性住房项目，受到社会各方的强烈关注，工期紧、要求严格。
　　鉴于上述原因，需要科学组织、悉心准备，特别是充分利用BIM技术，建立可视化的模型，尽量减少施工工程中可能出现的碰撞、干扰、设计变更等问题，以及充分利用BIM技术模拟安装和使用时工况，为钢结构深化设计提供基础参数。
　　2. BIM技术在深化设计中的应用
　　2.1 本工程所用到的BIM技术和相关软件的简介
　　本工程的钢结构深化审计所用的BIM软件主要有Tekla Structures（简称为Xsteel）、Midas Gen、SolidWorks、ANSYS WorkBench等。
　　Tekla Structures是当前钢结构深化设计中应用较多的BIM软件，具有三维实体建模、三维钢结构节点细部设计、施工详图绘制、材料表单生成等功能，该软件还具有多用户同步操作的功能，工程人员可以同时在同一个虚拟空间内搭建钢结构模型。
　　Midas Gen是一款用于结构计算分析的有限元软件，它可以分析计算桁架单元、梁单元、板单元等，常利用它对建筑进行整体受力分析。
　　SolidWorks是达索（Dassault）公司旗下的一款机械设计软件，该软件以简单易学、功能强大、尺寸精度高而著称，利用该软件可以建立非常复杂的钢结构节点，且方便地从三维模型转为二维的平面加工图。
　　ANSYS WorkBench软件是ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，可以进行结构、流体等计算分析，该软件内置了桁架单元、梁单元、实体单元等多种单元类型，每个单元类型又可以细分为多种具体的形式，可以方便地进行各种复杂模型的分析。
　　在本工程中，先利用Tekla Structures建立钢结构的三维模型，然后把该模型导入到Midas Gen进行整体的受力分析，若整体受力满足要求，则利用SolidWorks建立钢结构节点模型，再把钢结构节点模型导入到ANSYS软件进行细部分析，若满足受力要求，则利用SolidWorks输出钢结构节点的二维加工图、Tekla Structures软件输出钢杆件的二维加工图。在应用BIM技术中，充分运用各软件的特长，高效、快速地建立项目的钢结构BIM模型，为后续工作做准备。
　　2.2 BIM技术应用流程
　　在本项目的钢结构深化设计中，使用到BIM软件和主要流程如下：
　　2.3建立钢结构模型
　　使用Tekla Structures允许多人同时对同一模型进行操作的特点，较快速地建立本工程的钢结构住宅三维模型，并将所需要的信息输入到BIM模型中，如钢构件的螺栓孔孔径、构件材质、零构件的BIM编号等信息参数。
　　2.4整体受力分析
　　在Tekla Structures软件中，建立好模型并检查无误后，将其主要受力构件导出为dxf文件，再将该文件导入到MIDAS Gen软件中进行整体受力的分析。主要分析钢结构在永久载荷、风载荷、地震作用等载荷作用下的强度、刚度、稳定性等。
　　2.5建立节点模型
　　在SolidWorks中建立钢柱钢梁的连接节点，该软件使用的是参数化和尺寸驱动的建模方式，修改其中一个参数，与之关联的尺寸和特征也会自动更改和重新建模，利用这些特点，可以方便地在SolidWorks中对钢柱钢梁连接节点进行修改和优化。
　　为了更深入地研究装配式钢结构住宅，广西建工集团第五建筑工程有限责任公司还建立了一栋小型的装配式钢结构住宅实验楼，利用该住宅对不同钢柱钢梁连接进行试验，对钢柱钢梁的连接节点进行优化，最终研制出一种新型栓焊连接节点。经初步分析，优化后的连接节点比优化前连接节点制作工艺更简单（焊接工作量约为优化前的50%）、制作效率更高、受力更加合理。 　　2.6 连接节点的细部（局部）的受力分析
　　将钢结构连接节点导入到ANSYS WorkBench软件中，进行连接节点的细部（局部）的受力分析。在分析中若发现局部应力或变形过大或超出了规范要求、设计要求的范围，则再利用SolidWorks软件对节点更改尺寸进行重新建立模型，再导入到ANSYS WorkBench中进行分析（即2.5和2.6可反复进行），直到优化后的结果满足规范要求和设计要求。
　　2.7碰撞（干涉）检查
　　Tekla Structures和SolidWorks都具有强大的碰撞检查（干涉检查）功能，与传统的二维平面图相比，该功能可以准确地找出碰撞（干涉）的位置，有效地避免因装配关系（如尺寸不匹配、构件位置冲突等）而造成工期延误、经济损失，尤其在重大项目、构件复杂的项目，所体现的优势越加明显。
　　2.8运用Tekla Structures和SolidWorks输出二维加工图
　　Tekla Structures和SolidWorks都具有碰撞检查（干涉检查）的功能，这些功能避免重大失误造成的损失，同时可以大大提高出图效率和现场的钢构件的安装效率。
　　另外，Tekla Structures和SolidWorks均有把三维模型转二维加工图的能力，而且功能还比较强大，也可以将其生成的二维加工图导出为DWG文件，方便交流。
　　经过碰撞（干涉）检查、以及其他方面的审核，确认无误后，将三维模型输出为二维的加工图，这些二维的加工图与三维模型是关联的，修改三维模型，二维加工图也会自动更改，保证了图纸的准确性和一致性。
　　3.钢构件的加工
　　3.1加工准备工艺与技术要求
　　对即将下料的钢材，应在下料或加工前检查有无对制作有害的变形（如局部下绕、弯曲等）。如存在此类变形，根据实际情况采用机械冷矫正或用加热矫正当采用机械矫正时，矫正后的允许偏差应符合下表的规定：
　　3.2钢材下料和坡口开设
　　钢材切割前应清除母材表面的油污、铁锈和潮气;切割后气割表面应光滑无裂纹，熔渣和飞溅物应除去，剪切边应进行打磨处理。
　　3.3钢构件的焊接
　　在焊接时，严格遵守《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）中的有关规定，采用合理的焊接顺序、采用补偿加热法等相关措施，预防或尽量减少焊接变形和焊接开裂等不良影响。
　　4.钢构件的安装
　　在钢构件吊装前，利用Tekla Structures进行施工模拟，完善施工工艺，列出关键的施工控制节点，确保施工安全。例如，利用Tekla Structures计算出最大的吊装钢构件的重量，在结合钢构件安装的专项施工方案，满足安全和施工需要的前提下，选择更经济的塔吊。
　　钢构件安装施工要点：
　　（1）首层钢柱吊装前，先将基础清理干净，并调整基础标高（螺栓螺母），然后进行安装;
　　（2）柱子起吊前，从柱底板向上500～1000mm处划一水平线，以便安装固定前后作复查平面标高基准作用;
　　（3）钢柱的垂直度应边安装边校核，防止生产较大的累计误差，校核时间应选在温度较恒定的早晨进行;
　　（4）钢梁安装时，以起吊后不变形为准，并平衡和便于解绳，吊索角度不得小于60°，绑扎必须牢固，吊索的选择必须通过计算确定;
　　（5）接头的焊接顺序，平面上应从中部对称地向四周扩展。多层梁焊接应遵守先焊顶层梁、后焊底层梁，再焊次顶层梁、次层梁，柱对接焊缝可先焊亦可后焊。梁和柱焊接应按排两名焊工在柱的两侧对称焊接，电焊工应严格按照分配的焊接顺序施焊，不得自行变更。
　　5.结语
　　自2013年国家发改委与住建部发布《绿色建筑行动方案》以来，国家和地方均持续出台了一系列鼓励和推进装配式建筑发展的相关政策，以推动建筑业产业结构升级，实现高质量和绿色发展。钢结构具有回收再利用率高、抗震性能好、施工便捷等诸多优点，在未来较长的时间内，钢结构建筑（包括装配式钢结构住宅、钢结构公共建筑）的数量将会越来越多。由于装配式建筑的高质量发展离不开BIM技术，因此随着装配式建筑的发展，BIM技术，特别是多个BIM软件的联合使用，将会越来越广泛地被应用到装配式建筑中。
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　　（作者单位：广西建工集团第五建筑工程有限责任公司）
　　【中图分类号】TU18
　　【文献标识码】B
　　【文章编号】1671-3362（2020）06-0044-06
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