BIM技术在建筑钢结构制作中的应用

BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第1页/共31页BIM技术在建筑钢结构制作中的应用贺明玄1，沈峰2(宝钢钢构有限公司上海201900）摘要：钢结构制造的BIM技术已被引入多年，过去通常我们称之为钢结构3D模型，且通常停留在深化设计的建模和出图阶段，BIM产生的信息在后续流程的应用却常常被忽视，本文着重描述钢结构制造BIM的创建过程，以及BIM信息在后续企业管理、加工生产、产品检验中的应用。关键词：钢结构;BIM;建模;制造ApplicationofBIMinsteelstructuremanufactureM.X.HE1，F.SHEN2(BaoSteelConstructionCo.,LtdShanghai201900,China.)Abstract:BIMtechnologyhasbeenintroducedintofabricationofsteelstructureformanyyears.Weusedtocallitthesteelstructure3Dmodelingtechnology,whichwasinthestepofthedevelopmentofmodelingandautomaticdetailing.However,theapplicationofinformationgeneratedfromBIMsysteminthefollowingprocesshasalwaysbeenneglected.ThispapermainlydescribesthecreatingprocessofBIMinsteelstructuremanufactureandtheapplicationofBIMinformationinthefollowingfabricationprocess.Keywords:steelstructure;BIM;modeling;manufactureBIM技术在建筑钢结构制作中的应用第2页/共31页目录：一、引言1.1国内外BIM发展状况1.2BIM的定义和主要特点1.3浅谈BIM与钢结构的关系二、钢结构BIM的建立三、钢结构BIM在企业管理中的应用四、钢结构BIM在生产制作过程中的应用4.1零部件加工的自动化4.2钢结构机器人焊接的趋势五、钢结构BIM在构件检验和预拼装中的应用六、总结BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第3页/共31页一、引言1.1国内外BIM发展状况BIM，即建筑信息模型，其英文全称是BuildingInformationModeling。BIM技术起源于于国外，其开端从1987年起的建筑行业CAD技术的推广发展；1996年，美国斯坦福大学CIFE(集成设施工程中心，CenterForIntegratedFacilityEngineering)提出4D系统理论，并推出4D-CAD系统；2002年，美国AutoCad公司首次推出BIM系统解决方案；20世纪90年代末，英国开始进行“From3DTOnD”研究项目，即在3D模型的基础上，加上成本、进度等参数，使之成为多为计算模型；2007年美国发布国家BIM标准，使BIM在建筑行业的应用步入一个快速发展的阶段。从国内看，2008年，中国首次推出以BIM技术为本的门户网站，内容覆盖BIM技术在规划研究、建筑设计、结构设计、机电暖通工程、施工模拟和运营维护管理等不同项目阶段中的理论、标准和应用知识；2011年5月，住房和城乡建设部印发《2011～2015年建筑业信息化发展纲要》,提出：“十二五”期间，加快建筑信息模型(BIM)的应用；2012年，住建部“关于印发2012年工程建设标准规范制订修订计划的通知”，宣告了中国BIM标准制定工作的正式启动，该计划中包含了如下五项跟BIM有关的标准：1.《建筑工程信息模型应用统一标准》2.《建筑工程信息模型存储标准》3.《建筑工程设计信息模型交付标准》4.《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》5.《制造工业工程设计信息模型应用标准》近几年来，以上海中心大厦、国家电网企业馆等为代表的建筑工程项目纷纷启动BIM解决方案，以期实现多专业协同工作。BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第4页/共31页1.2BIM的定义和主要特点根据美国国家BIM标准(NBIMS)对BIM的定义：1.BIM是一个设施(建设项目)物理和功能特性的数字表达；2.BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；3.在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。简单说来，BIM就是通过数字信息来仿真模拟建筑物所具有的真实信息，不仅包含诸如梁、柱、门、窗等三维几何形状信息，还包含大量的非几何形状信息，如建筑构件的材料、重量、价格和进度等，这些信息是常见二维CAD和三维CAD所无法提供和展现的。可以说，“BIM不仅仅是一个设计软件或一个图形化的工具，它是一个数据管理平台，是基于三维实体数据库，实现建筑生命周期中各个阶段、各个专业的各种相关信息的集成”。（见图1-1，图1-2）：它主要特点是：Visualization（可视化）、Coordination（协调）Simulation（模拟）Optimization（优化）图1-1BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第5页/共31页图1-21.3浅谈BIM与钢结构的关系作为建筑行业中一个重要的分支专业，钢结构制作介于建筑设计、结构设计和施工安装之间，起着承上启下的作用，从理论上看，钢结构制作又分为计算机仿真设计（钢结构BIM设计）和车间实体加工两个部分（图1-3）。钢结构BIM设计自上世纪90年代末被引入替代2D-CAD设计至今已经10多年，过去，通常我们称之为钢结构三维实体建模，其作用也通常停留在建模和出图过程中，设计人员常常关注的是建模和出图过程的效率，但随着建筑业BIM概念越来越被推广、研究和应用，钢结构BIM软件商也越来越注重输出信息接口的标准化，一方面足以支撑对建筑BIM的协同，另一方面BIM模型本身包含的信息在后续钢结构制作厂家内的管理和制作流程中的完整应用也正被充分重视、研究、应用和拓展中。本文从钢结构BIM创建开始，介绍其在钢结构深化设计和加工制造中的重点应用。BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第6页/共31页图1-3钢结构制作在建筑结构专业内所处位置二、关于钢结构BIM的建立一般情况下，钢结构制作企业在接到订单后的第一要务就是通过3D实体建模进行深化设计。钢结构BIM三维实体建模出图进行深化设计的过程，其本质就是进行电脑预拼装、实现“所见即所得”的过程。首先，所有的杆件、节点连接、螺栓焊缝、混凝土梁柱等信息都通过三维实体建模进入整体模型，该三维实体模型与以后实际建造的建筑完全一致；其次，所有加工详图（包括布置图、构件图、零件图等）均是利用三视图原理投影生成，图纸中所有尺寸，包括杆件长度、断面尺寸、杆件相交角度等均是从三维实体模型上直接投影产生的。如下图所示（图2-1，图2-2，图2-3）是完全实现电脑预拼装的上海中心项目BIM三维实体模型和节点模型：BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第7页/共31页图2-1三维实体模型图2-2：三维实体模型局部图2-3：三维实体模型节点三维实体建模出图进行深化设计的过程，基本可分为四个阶段，每一个深化设计阶段都将有校对人员参与，实施过程控制，由校对人员审核通过后才能出图，并进行下一阶段的工作。2.1第一阶段，根据结构施工图建立轴线布置和搭建杆件实体模型。导入AutoCAD中的单线布置，并进行相应的校合和检查，保证两套软件设计出来的构件数据理论上完全吻合，从而确保了构件定位和拼装的精度。图2-4：导入CAD对话框BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第8页/共31页创建轴线系统及创建、选定工程中所要用到的截面类型、几何参数。图2-5：创建工程的轴网图2-6：修改截面对话框整体三维实体模型的建立与编辑：图2-7：整体三维实体模型平面构件的搭建图2-8：整体三维实体模型立面构件的搭建图2-9：整体三维实体模型的搭建BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第9页/共31页2.2第二阶段，根据设计院图纸对模型中的杆件连接节点、构造、加工和安装工艺细节进行安装和处理。在整体模型建立后，需要对每个节点进行装配，结合工厂制作条件、运输条件，考虑现场拼装、安装方案及土建条件。对话框如下图所示：2.3第三阶段，对搭建的模型进行“碰撞校核”，并由审核人员进行整体校核、审查。所有连接节点装配完成之后，运用“碰撞校核”功能进行所有细微的碰撞图2-10：节点参数对话框图2-11：节点装配后平面梁实体模型图2-12：节点装配后的桁架实体模型图2-13：建好节点并按运输、起重量要求分好段的实体模型BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第10页/共31页校核，以检查出设计人员在建模过程中的误差，这一功能执行后能自动列出所有结构上存在碰撞的情况，以便设计人员去核实更正，通过多次执行，最终消除一切详图设计误差。图2-14：碰撞校核对话框图2-15：显示存在碰撞问题部件清单2.4第四阶段，基于3D实体模型的设计出图。运用建模软件的图纸功能自动产生图纸，并对图纸进行必要的调整，同时产生供加工和安装的辅助数据（如材料清单、构件清单、油漆面积等）。节点装配完成之后，根据设计准则中编号原则对构件及节点进行编号。（图：2-16）编号后就可以产生布置图、构件图、零件图等，并根据设计准则修改图纸类别、图幅大小、出图比例等。（图2-17）图2-16：构件编号对话框图2-17：图纸清单对话框所有加工详图（包括布置图、构件图、零件图等）均是利用三视图原理投影、BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第11页/共31页剖面生成深化图纸，图纸上的所有尺寸，包括杆件长度、断面尺寸、杆件相交角度均是在杆件模型上直接投影产生的。因此由此完成的钢结构深化图在理论上是没有误差的，可以保证钢构件精度达到理想状态。图2-18：自动生成的柱构件加工详图图2-19：自动生成的柱构件加工详图图2-20：自动生成的梁构件加工详图用钢量等资料统计。统计选定构件的用钢量，并按照构件类别、材质、构件长度进行归并和排序，同时还输出构件数量、单重、总重及表面积等统计信息。BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第12页/共31页图2-21：用钢量及其它统计报表对话框图2-22：材料统计清单通过3D建模的前三个阶段，我们可以清楚地看到钢结构深化设计的过程就是参数化建模的过程，输入的参数作为函数自变量（包括杆件的尺寸、材质、坐标点、螺栓、焊缝形式、成本等）及通过一系列函数计算而成的信息和模型一起被存储起来，形成了模型数据库集，而第四各阶段正是通过数据库集的输出形成的结果。可视化的模型和可结构化的参数数据库，构成了钢结构BIM，我们可以通过变更参数的方式方便地修改杆件的属性，也可以通过输出一系列标准格式（如IFC、XML、IGS、DSTV等），与其他专业的BIM进行协同，更为重要的是几乎成为钢结构制作企业的生产和管理数据源。这也正是钢结构BIM被钢结构制作厂家高度重视的原因。三、钢结构BIM在企业管理中的应用企业管理的目的是实现对企业各种资源（包括人、财、物等）的精细化管理，BIM技术的引入，其被结构化数据库所体现的产品、工程物料属性和附加其上的进度和成本信息的量化描述特性，作为信息源头，对后续物料采购、物料库存、物料消耗、加工工艺、产品质量和产品进度乃至成本核算等资源的管理都起到了BIM技术在建筑钢结构制作中的应用第13页/共31页举足轻重的作用。钢结构制作在业务链中所处的位置，决定了其无法避免地具有“三边”的特性，即“边设计、边制作、边变更”，尤其在完成国内工程时，特征更加明显。在传统钢结构制作管理中，往往用纸面、传真、邮件等方式完成企业内部，或设计单位与制作单位之间的图纸和信息传递，效率受到很大影响，有时更会在传递时产生信息失真甚至丢失；同样，企业内部为更好地完成生产组织，