BIM軟件在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中的應(yīng)用

寂靜天花板

根據(jù)斯坦福大學(xué)集成設(shè)施工程中心（Center for Integrated Facility Engineering，CIFE）的研究數(shù)據(jù)，建筑施工行業(yè)的生產(chǎn)效率正在持續(xù)下滑。該數(shù)據(jù)顯示，生產(chǎn)效率問題是建筑行業(yè)面臨的根本性問題，同時也是施工效果無法預(yù)測的主要原因。
   
: O! Y% |. j- G! v5 l為了改進(jìn)這一狀況，許多企業(yè)將用來描述建筑設(shè)計(jì)方案的建筑信息模型用到了各種相關(guān)的建筑活動中，包括建筑施工和建筑構(gòu)件的數(shù)字化制造。BIM能夠支持所有建筑專業(yè)中從設(shè)計(jì)到制造整個工作流程，包括使用結(jié)構(gòu)建筑信息模型完成鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)字化制造。

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基于模型的設(shè)計(jì)和制造


幾十年來，制造行業(yè)一直在使用機(jī)械CAD系統(tǒng)制造數(shù)字模型。這些模型不僅能夠說明產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，還可以用到其它應(yīng)用中，如應(yīng)力分析、現(xiàn)場支持，當(dāng)然還有制造。CAD模型可以用來生成控制CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)字控制）機(jī)床，提高機(jī)械加工流程的自動化程度。
   
建筑行業(yè)也可以采用類似的方法來實(shí)現(xiàn)建筑施工流程的自動化。盡管建筑不能像汽車一樣在“加工”好整體后發(fā)送給業(yè)主，但建筑中的許多構(gòu)件的確可以異地加工，然后運(yùn)到建筑施工現(xiàn)場，裝配到建筑中。例如，門窗、預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等構(gòu)件。
0 u# e9 X5 b/ R) z. q鋼結(jié)構(gòu)建造基礎(chǔ)知識
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+ d$ O) J% X  ~) Z7 ~9 y要想了解怎樣利用BIM來實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)制造的自動化，我們必須了解構(gòu)成建筑框架的鋼結(jié)構(gòu)組件是怎樣制成的。首先，鋼廠利用熱軋加工流程（通常情況下）制成鋼結(jié)構(gòu)原材料。鋼結(jié)構(gòu)制造商購入這些原材料，并按照加工詳圖（詳細(xì)描述鋼結(jié)構(gòu)中每個部分應(yīng)如何制造的說明書）將原材料切割并制成用于建筑施工的梁和柱。制成后的鋼結(jié)構(gòu)組件被運(yùn)到施工現(xiàn)場，由鋼結(jié)構(gòu)安裝工進(jìn)行安裝。
   
9 R& e% T8 w! Y5 ]' L那么現(xiàn)場施工圖從何而來？結(jié)構(gòu)工程師的職責(zé)是設(shè)計(jì)、分析并驗(yàn)證建筑的結(jié)構(gòu)框架，并創(chuàng)建記錄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的施工圖。結(jié)構(gòu)圖紙中只包含對鋼結(jié)構(gòu)制造的總體要求，即關(guān)于典型節(jié)點(diǎn)的說明。然后，鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)師再根據(jù)這些施工圖和總體的節(jié)點(diǎn)說明來設(shè)計(jì)具體的鋼結(jié)構(gòu)組件和具體的幾何形狀，并創(chuàng)建加工詳圖，以便準(zhǔn)確地指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)制造商如何制造建筑中的每一個鋼結(jié)構(gòu)組件。加工詳圖中包含材料規(guī)格、大小、尺寸、焊接、螺栓連接、表面處理、涂裝要求等詳細(xì)信息。
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鋼結(jié)構(gòu)施工圖（左）中僅包含關(guān)于節(jié)點(diǎn)的總體說明，而加工詳圖（下）則包含制造每個鋼結(jié)構(gòu)組件所需的所有細(xì)節(jié)。
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& u2 j* A/ S6 a8 S詳圖設(shè)計(jì)師通常使用繪圖軟件“手工”創(chuàng)建加工詳圖或用專門的鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件來創(chuàng)建加工詳圖。Autodesk Robobat RCAD就是一款利用數(shù)字“制造”模型來創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)詳圖的解決方案。
   
需要注意的是，在建筑項(xiàng)目中，加工詳圖的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于施工圖的數(shù)量。例如，為了記錄一個1,000噸建筑項(xiàng)目中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（鋼用量為1,000噸），就需要大約70至80張施工圖紙和1,000張加工詳圖。在將加工詳圖發(fā)布到制造環(huán)節(jié)之前，結(jié)構(gòu)工程師需要檢查每一張圖紙，以驗(yàn)證其中的信息與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持一致。
   
鋼結(jié)構(gòu)制造商通常使用數(shù)控機(jī)床自動切割鋼梁并制孔。有些制造商根據(jù)加工詳圖中的信息對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行手動編程。另外一些制造商則使用上面提到的數(shù)字化制造模型自動對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行編程。
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$ ]: _4 |) `5 t* t將BIM擴(kuò)展到制造環(huán)節(jié)
   
BIM怎樣滿足鋼結(jié)構(gòu)制造商的需求呢？正如制造業(yè)中基于CAD的模型能夠支持制造流程一樣，專門開發(fā)的建筑信息模型，如Autodesk Revit® Structure，也可以支持結(jié)構(gòu)制造流程。所有與鋼結(jié)構(gòu)有關(guān)的圖形都已經(jīng)包含在了Revit Structure設(shè)計(jì)模型中。這些設(shè)計(jì)信息可以導(dǎo)入到CIS/2文件中（一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，用來交換鋼結(jié)構(gòu)信息），便于在鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)應(yīng)用中重新使用。

Revit Structure設(shè)計(jì)模型中的鋼結(jié)構(gòu)圖形和信息可以通過CIS/2文件導(dǎo)出，然后重新用到鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)解決方案中。
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! a% H) v" M* }( GRevit Structure設(shè)計(jì)圖形和信息可以重新用到Robobat RCAD等建筑詳圖設(shè)計(jì)解決方案中，如圖所示。請注意鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)應(yīng)用中添加的更多制造信息。
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0 ?; H0 [' |" T. x將建筑信息模型用于鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)，這樣便實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字的從設(shè)計(jì)到制造流程。重復(fù)利用設(shè)計(jì)模型不但提高了工作效率（省卻了用于創(chuàng)建制造模型的時間），而且改進(jìn)了制造質(zhì)量（消除了設(shè)計(jì)模型與制造模型相互矛盾的現(xiàn)象）。此外，鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)和制造軟件中使用的信息是基于高度精確、協(xié)調(diào)、一致的建筑信息模型的數(shù)字設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)完全值得在相關(guān)的建筑活動中共享。
   
完成加工詳圖設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)或承包商還可以利用該制造模型進(jìn)行四維建模，也可以會同其它建筑專業(yè)和模型（如MEP和建筑設(shè)計(jì)）進(jìn)行沖突檢查。制造模型并不代表最后的竣工狀況，因?yàn)樵阡摻Y(jié)構(gòu)安裝階段可能還會發(fā)生變更。但其中包含的細(xì)節(jié)比結(jié)構(gòu)模型要多得多，因此在進(jìn)行沖突檢查時非常有用，在空間極為緊張的建筑中更是如此。
   
將BIM用于鋼結(jié)構(gòu)供應(yīng)鏈中的另一個優(yōu)勢與結(jié)構(gòu)框架的總體成本有關(guān)。過去，鋼結(jié)構(gòu)的原材料成本、制造成本和安裝成本基本相當(dāng)。但是最近幾年，制造成本和安裝成本在不斷上漲。為了遏制這一趨勢，需要在設(shè)計(jì)流程中考慮“制造的簡單性”（相當(dāng)于制造行業(yè)強(qiáng)調(diào)“可加工性”）
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0 M6 t! X* C/ u# a% \. t將設(shè)計(jì)模型直接用于制造環(huán)節(jié)還可以在制造商與設(shè)計(jì)人員之間形成一種自然的反饋循環(huán)，即在建筑設(shè)計(jì)流程中提前考慮制造方面的問題。與參與競標(biāo)的制造商共享設(shè)計(jì)模型有助于縮短招標(biāo)周期，便于制造商根據(jù)設(shè)計(jì)要求的鋼材用量編制更為統(tǒng)一的投標(biāo)書。鋼結(jié)構(gòu)與其它建筑構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)也有助于減少現(xiàn)場發(fā)生的問題，降低不斷上升的鋼結(jié)構(gòu)安裝成本。
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數(shù)字化的從設(shè)計(jì)到制造流程離不開結(jié)構(gòu)工程師、鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)人員和鋼結(jié)構(gòu)制造商之間的協(xié)作。大多數(shù)情況下，這三方分別屬于三個不同公司。因此，就需要采用不同以往的項(xiàng)目交付方法來連通設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)，也就是說由業(yè)主、建筑商、工程師和承包商組成跨職能的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，就設(shè)計(jì)、制造和施工環(huán)節(jié)中的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)。原本需要按順序進(jìn)行的步驟（設(shè)計(jì)、詳圖設(shè)計(jì)、制造）可以并行展開。設(shè)計(jì)模型和加工詳圖可以同時創(chuàng)建。完成加工詳圖的速度越快，就可以越快向鋼廠下單，越快開始制造，鋼結(jié)構(gòu)也可以越快安裝完畢。


2 |* U$ R" o' ~數(shù)字化制造——成功案例
   
& X5 M% d2 m; W7 M, g在將BIM用于數(shù)字化制造方面，加拿大著名的工程設(shè)計(jì)公司Rutherford & Chekene(www.ruthchek.com)堪稱行業(yè)先驅(qū)。成立于1960年，總部位于舊金山的這家多專業(yè)公司專門提供結(jié)構(gòu)工程和地質(zhì)工程服務(wù)，業(yè)務(wù)覆蓋醫(yī)院、體育設(shè)施、博物館、歷史性建筑，甚至海洋館等各類建筑。自2005年起，Rutherford & Chekene公司（R&C）就開始使用Autodesk Revit Structure，目前擁有該軟件的14份許可。他們將建筑信息模型用于設(shè)計(jì)、分析（與RAM和ETABS配套）以及數(shù)字化制造環(huán)節(jié)。
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9 m9 {6 J9 D. L; d3 D5 U& [他們最近開展的一個Revit Structure項(xiàng)目是薩克拉曼多市薩特總醫(yī)院（Sutter General Hospital Sacramento），這是一座面積達(dá)425,000平方英尺的11層建筑，用來取代原有醫(yī)院。該建筑需要使用5,000多噸鋼材，大約需5,000張加工詳圖。在該項(xiàng)目中，R&C與鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)方（Dowco Consultants公司）、鋼結(jié)構(gòu)制造商（Herrick Steel公司）以及施工方（Turner Construction公司）開展了密切合作。
   
R&C公司負(fù)責(zé)人兼高級工程師David Bleiman介紹說：“醫(yī)院建筑的相對成本要高——商用建筑的成本為每平方英尺150至250美元，而醫(yī)院建筑的成本大約為每平方英尺600至800美元，所以此類建筑適合采用不同以往的項(xiàng)目交付模式。目前我們正在計(jì)劃如何在該項(xiàng)目中與各方進(jìn)行合作，我們的目標(biāo)是盡可能地確保所有數(shù)據(jù)的數(shù)字化，并盡可能地使用數(shù)字化的數(shù)據(jù)交換方式。”
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等這些設(shè)施投入使用后，原有醫(yī)院建筑要實(shí)施爆破，騰出空間建造新的設(shè)施。由于工期非常緊張，他們將工作劃分為幾個階段。在該項(xiàng)目中的不同階段，各利益相關(guān)方之間需要采用不同協(xié)作方法和工作流。Bleiman指出：“第一階段是將初步的制造模型（本案例中采用Tekla軟件創(chuàng)建）與我們的Revit Structure模型進(jìn)行對比。”
   
5 H' m% `7 s" F2 g在R&C與鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)方開始協(xié)作之前，制造模型已經(jīng)建成，因此需要手動協(xié)調(diào)這兩個模型。Bleiman解釋說：“跑之前先要會走，我們需要先學(xué)會手動協(xié)調(diào)這兩個模型。但取得的最終結(jié)果是一樣的，即制造模型與設(shè)計(jì)模型保持一致，各方在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和安裝環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)作，從而降低成本，縮短交付時間。”原設(shè)計(jì)中的任何問題，如尺寸、大小位置等，都將在設(shè)計(jì)流程中得到及早糾正，進(jìn)而減少后續(xù)階段中的信息請求（RFI）和變更單。
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8 i! Z+ U  L7 d4 ?加工詳圖完成后，第二階段的工作就開始了：鋼結(jié)構(gòu)加工詳圖的全數(shù)字化評審。加工詳圖評審工作（原本需要手動打印、傳輸、檢查每張?jiān)攬D的多個備份）將以電子方式在原來創(chuàng)建這些詳圖的鋼結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行。
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此外，R&C還將使用Autodesk NavisWorks軟件對完整的制造模型和原始的建筑模型進(jìn)行對比和協(xié)調(diào)。施工方Turner公司也要采用Autodesk NavisWorks軟件將結(jié)構(gòu)制造模型與其它建筑專業(yè)的模型相結(jié)合，以便進(jìn)行沖突檢測。
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* }/ x! C1 `8 \! Y6 ZRutherford & Chekene公司利用Revit Structure建筑信息模型（如本圖及下圖所示的醫(yī)院項(xiàng)目）實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造

! j- o; g2 l. D  O2 n( `總結(jié)
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制造行業(yè)目前的生產(chǎn)效率極高，其中的部分原因是利用數(shù)字化數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)了制造方法的自動化。同樣，BIM和數(shù)字化制造也能夠提高建筑行業(yè)的生產(chǎn)效率。
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與集成項(xiàng)目交付方法一樣，數(shù)字化制造方法將推動建筑行業(yè)的快速發(fā)展。Bleiman總結(jié)道：“我們都知道，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造需要解決很多挑戰(zhàn)。但是我認(rèn)為，BIM解決方案肯定能幫助我們顯著縮短建筑施工流程，更好地控制項(xiàng)目效果。”