基于BIM技术的大型钢结构建筑智能建造关键技术的应用

中国电科科技创新园为办公类综合建筑，由L07-A座、L07-B座、L07-C座及3座塔楼之间的展厅裙楼组成，为钢框架结构。钢结构部分主要包括地下部分型钢劲性柱和3座塔楼内的框架钢柱、钢梁及裙房展厅大跨度钢梁、钢柱。主要钢结构构件类型包括焊接十字形钢、焊接箱形钢和焊接H型钢，总用钢量约1万t。钢结构整体平面如图1所示。

图1　项目钢结构整体平面示意

本项目3个塔楼共用一个整体地下室，地下4层，地上部分为L07-A栋地上17层，标高63.000 m；L07-B栋地上15层，标高55.000 m；L07-C栋地上17层，标高62.000 m。塔楼间裙房展厅地上3层，标高20.000 m。钢结构整体立面如图2所示。

图2　钢结构整体立面示意

1　传统大型钢结构工程建设重点及难点

本工程为典型大型钢结构建筑，体量巨大，工期紧张且受到新冠疫情影响，对施工造成了许多困难。

（1）本工程体量大，工期管理难度大，疫情防控形势严峻，加大了工程进度压力。

（2）基于BIM的多元数据交付运维管理要求高。本工程体量大，周边环境复杂且工期紧张，传统管理手段难以满足组织规划与管理要求，其设计、施工与运维阶段管理相对独立，有效数据与完整信息化模型难以连续传递，后期运维平台缺乏前期数据基础，难以进行整体管理。

（3）项目建设要求高，整体组织策划与管理难度大。既需考虑建筑的全寿命周期与各方的参与者，也要兼顾建造过程中各类社会、经济、环境的风险，综合实现建造目标，需从合同管理，成本管理，技术管理及全面风险管理等方面进行管理策划。

（4）信息化技术的发展对工程项目智能建造水平提出了更高要求

（5）主体部分钢结构节点复杂，质量管控要求高。

2　基于BIM的智能建造技术应用关键点

基于上述对施工重难点的分析，结合以BIM为主的现代信息化技术，应用基于BIM的大型钢结构建筑智慧建造技术，其关键点如图3所示。

图3　基于BIM的大型钢结构建筑智慧建造技术的应用关键点

3　基于BIM的智能建造技术应用

3.1　基于BIM的协同设计与数据准备

3.1.1　基于BIM与增强现实技术的协同设计

现阶段BIM用于施工阶段，为保证整个钢结构建筑体系的质量，应从设计阶段开始重视钢结构建筑细节。进行BIM的正向设计可充分发挥BIM技术的协调性，应用增强现实技术进行展示，建立基于BIM与增强现实技术的协同设计平台，以此进行多专业的协同设计。

将BIM技术与增强现实技术相结合，先用Revit搭建建筑模型，再对BIM建筑模型进行轻量化处理，导入AR软件，将BIM模型通过移动设备投影在真实桌面上，通过移动设备对模型进行浏览并对AR软件进行二次开发，使其连接BIM模型，通过云端处理实现多终端同时查看与编辑。在空间中反馈出的BIM模型，可辅助各专业设计人员对完整的BIM模型进行协同设计，更好地讨论复杂节点与精确构件的深化细节，应用手机等移动终端来展示、修改与更新模型，方便设计人员随时交流。

BIM+AR技术生成的模型与可视化交底，可用于施工人员的教育。每个施工人员的任务可通过头戴式设备及时传达，还可使施工人员看到组装物件的虚拟正确位置。施工人员正确完成组装后，下一个正确位置又以虚拟标记的方式显示出来，有效提高了各专业的协同作业效率，减少设计错误与失误的出现几率。

3.1.2　全阶段有效数据库的搭建

为实现钢结构建筑全生命周期的智能建造，需将设计、施工与运营维护阶段综合进行考虑，提前设计各阶段的平台架构，掌握各阶段所需传递和使用的有效数据类型，自设计阶段即开始筹备有效数据库，在设计与施工阶段交接的同时完成下一阶段所需信息数据的交付，尤其是在设计与施工阶段积累的数据交付，可方便运维平台对数据的调取与运用。通过搭建数据库，连接3个阶段，形成完整的大型钢结构全过程智慧建造体系（图4）。

图4　全阶段有效数据库的搭建

图4中对各平台架构进行设计后建立统一数据传输标准，设计统一数据接口。现目前常用的数据库有按列存储型数据库HBase，以及关系型数据库MySQL。本文使用MySQL工具搭建数据库，规定一个唯一标识一组数据的主键，按智慧施工管理平台对设计阶段的数据要求、自身运转所需数据要求及运维平台所需数据要求，进行数据需求设计；按照需求对数据库进行设计，筛选与存储有效数据，冗余数据删除，完成整个体系有效数据的传递。

3.2　基于BIM的多维施工过程信息化管理

3.2.1　钢结构预拼装及施工信息化管理

针对本项目大型钢结构施工的重点与难点，采用BIM技术进行钢结构的预拼装工作，通过钢结构的深化加强精细化程度，优化连接节点，减少钢结构间的空间问题；使用BIM软件进行钢结构预拼装，可直观观察钢结构复杂节点的连接与安全问题，辅助进行遴选施工方案，节省返工成本，同时生成拼装模拟动画，作为后续教学和指导备用的参考资料，图5为钢框架柱与斜撑节点BIM模型与现场钢柱。

（a）     （b）

图5　钢结构预拼器

（a）钢框架柱与斜撑节点BIM模型；（b）钢柱

基于BIM技术联合各项新技术进行钢结构施工过程智能安全监测系统的开发与应用，对钢结构健康监测系统、三维可视化动态监测系统、视频监控系统进行集成，可实现荷载与环境监测、结构整体响应监测、结构局部相应监测、施工全过程可视化安全监测与视频安全监控等功能。

通过网络传输技术，可将现场施工过程中进度、质量、安全等视频图像数据直观地显示在三维模型上。管理者在系统三维场景中点击相应的摄像头，即可显示三维的视频监控内容。

在视频系统接口支持下，接入施工现场的实时视频，可实现对施工现场的远程安全管理，并可在BIM模型中将视频和构件进行管理，实现在三维环境下“所见即所得”的现场管理。

基于BIM技术的钢结构预拼装及施工管理，可以辅助遴选钢结构最优方案，实现建筑的标准化与工业化，有利于保证工期，并为运维阶段提供足够的数据支撑。

3.2.2　绿色施工管理

（1）环境保护。根据环境管理标准技术要求，本项目施工环境进行 PM2.5、PM10、噪声和温湿度等内容进行监测管理及记录，利用基于BIM的智慧施工管理平台无缝接入现场各类需监测的环境数据，通过专业云计算技术对环境数据进行超标报警、数据分析、数据留存。利用基于 BIM的施工智慧管理平台系统将喷淋、广播、环境监测3套系统联动，实现自动喷淋降温降尘，并对部分主体结构起到养护作用。

（2）节材与材料资源利用。通过BIM技术对本项目的钢结构、混凝土等进行工程量统计及对比分析，辅助工程成本管控，避免材料的浪费。结合智慧工地平台的数据分析，实现协助现场管理部门调配施工机械、编制材料计划，根据施工进度、库存情况等合理安排材料的采购、进场时间和批次，减少库存，提高施工效率。

（3）节水与水资源利用。能耗监测系统将工地的水表进行联网采集相关数据，对能耗数据进行监测，方便管理部门高效管理能源消耗，减少水资源的浪费。将屋面智能降温系统设置在管理人员生活区，该系统由温度感应器、喷淋装置、液位感应器、雨水回收池组成，在高温季节屋内温度传感器可监测室内温度，发现超过设定温度可自动触发喷淋，屋面雨水回收系统会进行水回收，提高水资源的利用率。

（4）节能与能源利用。利用空气能热泵节能环保、智能控制的特性，在临建区域利用空气能空调机控制热水用量，节约电能。

（5）节地与土地资源保护。利用BIM技术创建三维场地布置模型，并实施动态管理，根据本项目功能分区集中布置，合理规划，在施工阶段按施工总平面图要求展示临时设施、道路、排水、机械设备和材料堆放等占用的场地，减少或避免临时建筑拆迁和场地搬迁。应用BIM模型进行道路规划，充分利用拟建道路为施工服务，模拟各种车辆机具设备进出场和消防安全疏散要求，方便场内运输。

（6）人力资源节约与保护。应用劳务实名制管理系统——物联网技术，集成各类智能终端设备对现场劳务人员实现高效管理的综合信息化系统。实现工人实名登记、安全教育、考勤管理、人员定位、工资监管、现场管理及各模块的统计分析等，提高用工管理能力，根据工程进度计划编制人员进场计划，合理投入作业人员。

3.2.3　三维扫描竣工模型集成

为使大型钢结构施工阶段最终的BIM信息模型更完整，应在竣工验收阶段对现场细节进行添加与记录，对竣工数据进行集成，形成完整BIM信息模型。将BIM与三维扫描、联合混合现实技术，直观展示BIM模型与现场状况的差别，并可提示验收标准及修正方法，辅助验收与问题处理工作，通过三维扫描技术记录现场验收情况，并将与BIM模型进行集合，形成完整的BIM竣工模型，为运维阶段积累数据。

BIM与三维扫描、虚拟现实技术的融合，可辅助工程质量检查、快速建模、减少返工，还可完整地记录工程现场的复杂情况，使竣工模型更加完善，形成的BIM竣工信息模型将作为运维阶段工作的基础。

3.3　少人化智能建造

为抵抗疫情等突发灾难状况造成的人员安全管理挑战和人员短缺造成的拖延工期严峻状况，需对传统建设模式进行更新，利用信息化技术及智能设备，逐步实现少人化甚至无人化智能建造模式。

3.3.1　智慧工地管理平台系统整体架构

本项目为大型钢结构建筑，基于BIM技术，通过物联网、云计算、人工智能等信息化技术，以及运用建筑施工机器人，搭建智能工地智能管理平台，实现了对施工现场机械设备的智能管控，对施工进度、安全、质量、人员、物资进行信息化管理。智慧工地管理平台的整体架构如图6所示。

图6　智慧工地管理平台的整体架构

3.3.2　平台功能设计

平台功能设计包括信息查询与管理模块、BIM模型轻量化集成浏览模块、多维可视化监测模块、钢结构施工多方协同管理模块和智能监控模块，各模块功能如下。

（1）信息查询与管理模块提供工程项目的基本资料与组织管理架构的查询和存储。

（2）BIM模型轻量化集成浏览模块用于实现平台中的BIM模型浏览，包括整体模型和分专业模型，以及钢结构的拼装模拟、复杂节点施工模拟与现场漫游等展示。

（3）多维可视化监测模块，接收现场各监测系统的数据，通过云计算等技术对检测数据进行处理，在平台中展示分析结果并进行阀值超限报警，便于管理人员的及时管控。

（4）钢结构施工多方协同管理模块，对现场及平台数据进行处理，提供安全、进度、质量、物资以及人员管理。

（5）智能监控模块将进出场车辆监控、安全设备监控、人员监控及施工状态监控等进行集成，对现场状态进行实时查看与存储，结合管理关键点进行违规提示，如对进场人员穿戴安全帽、反光衣等情况，在平台中进行提示与记录。

3.3.3　少人化智能施工

根据基于BIM的智慧工地管理平台的管控，利用LoRa或NB-IOT等物联网技术进行组网传输，依靠传感器、控制元件及智能设备的连接，实现对施工现场的少人化智能施工。

随着信息化技术的发展，施工机器人的管控与操作逐渐智能化，可替代部分人力劳动进行，如从事重体力的抹灰机器人、砌砖机器人、大型机器人吊臂，以及基于BIM的幕墙放线、钢结构放样机器人。通过RFID技术，将施工机器人与平台相连，在平台端实现施工机器人的智能管控，减少对现场施工作业人力的依赖。

4　结束语

（1）在大型钢结构建筑建设中可利用BIM的可视化、信息化等特点，搭建BIM协同管理平台，用直观的方式减小各专业间的交流障碍。

（2）基于BIM的智能建造技术的参与，会大幅提升大型钢结构建筑的信息化程度，联合物联网、数字孪生等新技术进行信息化智慧管理，优化组织管理模式，提高管理效率。

（3）应用少人化智能建造技术，减少建设中的人力依赖，为抵抗疫情及类似情况提供解决方案。

（4）应用BIM技术在工程设计阶段、施工阶段及运维阶段综合进行优化及智慧管理，发挥BIM技术的优势，加快推进了BIM技术在新型建筑工业化全寿命期的一体化集成应用。