BIM軟件在鋼結構行業(yè)中的應用

寂靜天花板

根據(jù)斯坦福大學集成設施工程中心（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測的主要原因。
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為了改進這一狀況，許多企業(yè)將用來描述建筑設計方案的建筑信息模型用到了各種相關的建筑活動中，包括建筑施工和建筑構件的數(shù)字化制造。BIM能夠支持所有建筑專業(yè)中從設計到制造整個工作流程，包括使用結構建筑信息模型完成鋼結構的數(shù)字化制造。
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- M* |4 ~" [9 Z+ U5 V, E+ h: J基于模型的設計和制造
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# E: ~$ S3 n5 R幾十年來，制造行業(yè)一直在使用機械CAD系統(tǒng)制造數(shù)字模型。這些模型不僅能夠說明產(chǎn)品的設計，還可以用到其它應用中，如應力分析、現(xiàn)場支持，當然還有制造。CAD模型可以用來生成控制CNC（計算機數(shù)字控制）機床，提高機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，但建筑中的許多構件的確可以異地加工，然后運到建筑施工現(xiàn)場，裝配到建筑中。例如，門窗、預制混凝土結構和鋼結構等構件。
鋼結構建造基礎知識
   
1 n& P- g: N) [! V7 `# ]8 c要想了解怎樣利用BIM來實現(xiàn)鋼結構制造的自動化，我們必須了解構成建筑框架的鋼結構組件是怎樣制成的。首先，鋼廠利用熱軋加工流程（通常情況下）制成鋼結構原材料。鋼結構制造商購入這些原材料，并按照加工詳圖（詳細描述鋼結構中每個部分應如何制造的說明書）將原材料切割并制成用于建筑施工的梁和柱。制成后的鋼結構組件被運到施工現(xiàn)場，由鋼結構安裝工進行安裝。
   
, x. B* a% E1 A那么現(xiàn)場施工圖從何而來？結構工程師的職責是設計、分析并驗證建筑的結構框架，并創(chuàng)建記錄結構設計的施工圖。結構圖紙中只包含對鋼結構制造的總體要求，即關于典型節(jié)點的說明。然后，鋼結構詳圖設計師再根據(jù)這些施工圖和總體的節(jié)點說明來設計具體的鋼結構組件和具體的幾何形狀，并創(chuàng)建加工詳圖，以便準確地指導鋼結構制造商如何制造建筑中的每一個鋼結構組件。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、涂裝要求等詳細信息。
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" G! ^( \8 s  b2 h鋼結構施工圖（左）中僅包含關于節(jié)點的總體說明，而加工詳圖（下）則包含制造每個鋼結構組件所需的所有細節(jié)。
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詳圖設計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構詳圖設計軟件來創(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)建鋼結構詳圖的解決方案。
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需要注意的是，在建筑項目中，加工詳圖的數(shù)量要遠遠多于施工圖的數(shù)量。例如，為了記錄一個1,000噸建筑項目中的鋼結構設計（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，結構工程師需要檢查每一張圖紙，以驗證其中的信息與結構設計保持一致。
   
3 r6 t6 P, _7 Y鋼結構制造商通常使用數(shù)控機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)控機床進行手動編程。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)控機床進行編程。
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/ d, Z% f( K* R7 O9 a% o, W將BIM擴展到制造環(huán)節(jié)
   
BIM怎樣滿足鋼結構制造商的需求呢？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，也可以支持結構制造流程。所有與鋼結構有關的圖形都已經(jīng)包含在了Revit Structure設計模型中。這些設計信息可以導入到CIS/2文件中（一種行業(yè)標準數(shù)據(jù)格式，用來交換鋼結構信息），便于在鋼結構詳圖設計應用中重新使用。
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Revit Structure設計模型中的鋼結構圖形和信息可以通過CIS/2文件導出，然后重新用到鋼結構詳圖設計解決方案中。

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Revit Structure設計圖形和信息可以重新用到Robobat RCAD等建筑詳圖設計解決方案中，如圖所示。請注意鋼結構詳圖設計應用中添加的更多制造信息。
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) D$ G1 y& z3 a! m% H將建筑信息模型用于鋼結構詳圖設計和制造環(huán)節(jié)，這樣便實現(xiàn)了全數(shù)字的從設計到制造流程。重復利用設計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），而且改進了制造質(zhì)量（消除了設計模型與制造模型相互矛盾的現(xiàn)象）。此外，鋼結構詳圖設計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)字設計數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)完全值得在相關的建筑活動中共享。
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! s2 v- E, i# B/ t2 u, I! S完成加工詳圖設計后，設計團隊或承包商還可以利用該制造模型進行四維建模，也可以會同其它建筑專業(yè)和模型（如MEP和建筑設計）進行沖突檢查。制造模型并不代表最后的竣工狀況，因為在鋼結構安裝階段可能還會發(fā)生變更。但其中包含的細節(jié)比結構模型要多得多，因此在進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。
   
/ X5 d& Y- f7 E  Q/ }3 \: F將BIM用于鋼結構供應鏈中的另一個優(yōu)勢與結構框架的總體成本有關。過去，鋼結構的原材料成本、制造成本和安裝成本基本相當。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，需要在設計流程中考慮“制造的簡單性”（相當于制造行業(yè)強調(diào)“可加工性”）
   
3 b5 M1 G8 ]# `8 l將設計模型直接用于制造環(huán)節(jié)還可以在制造商與設計人員之間形成一種自然的反饋循環(huán)，即在建筑設計流程中提前考慮制造方面的問題。與參與競標的制造商共享設計模型有助于縮短招標周期，便于制造商根據(jù)設計要求的鋼材用量編制更為統(tǒng)一的投標書。鋼結構與其它建筑構件之間的協(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構安裝成本。
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數(shù)字化的從設計到制造流程離不開結構工程師、鋼結構詳圖設計人員和鋼結構制造商之間的協(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目交付方法來連通設計與制造環(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目團隊，就設計、制造和施工環(huán)節(jié)中的工作進行協(xié)調(diào)。原本需要按順序進行的步驟（設計、詳圖設計、制造）可以并行展開。設計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，鋼結構也可以越快安裝完畢。

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數(shù)字化制造——成功案例
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在將BIM用于數(shù)字化制造方面，加拿大著名的工程設計公司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)公司專門提供結構工程和地質(zhì)工程服務，業(yè)務覆蓋醫(yī)院、體育設施、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計、分析（與RAM和ETABS配套）以及數(shù)字化制造環(huán)節(jié)。
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他們最近開展的一個Revit Structure項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。在該項目中，R&C與鋼結構詳圖設計方（Dowco Consultants公司）、鋼結構制造商（Herrick Steel公司）以及施工方（Turner Construction公司）開展了密切合作。
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9 _: ]% _+ I; F; X1 ]R&C公司負責人兼高級工程師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目交付模式。目前我們正在計劃如何在該項目中與各方進行合作，我們的目標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。”
   
等這些設施投入使用后，原有醫(yī)院建筑要實施爆破，騰出空間建造新的設施。由于工期非常緊張，他們將工作劃分為幾個階段。在該項目中的不同階段，各利益相關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模型進行對比。”
   
在R&C與鋼結構詳圖設計方開始協(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，我們需要先學會手動協(xié)調(diào)這兩個模型。但取得的最終結果是一樣的，即制造模型與設計模型保持一致，各方在結構設計、制造和安裝環(huán)節(jié)進行協(xié)作，從而降低成本，縮短交付時間。”原設計中的任何問題，如尺寸、大小位置等，都將在設計流程中得到及早糾正，進而減少后續(xù)階段中的信息請求（RFI）和變更單。
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8 m& `$ }; T5 ^加工詳圖完成后，第二階段的工作就開始了：鋼結構加工詳圖的全數(shù)字化評審。加工詳圖評審工作（原本需要手動打印、傳輸、檢查每張詳圖的多個備份）將以電子方式在原來創(chuàng)建這些詳圖的鋼結構詳細設計軟件中進行。
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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行對比和協(xié)調(diào)。施工方Turner公司也要采用Autodesk NavisWorks軟件將結構制造模型與其它建筑專業(yè)的模型相結合，以便進行沖突檢測。
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7 F/ ?+ ]# @# C5 }1 _7 z" ~Rutherford & Chekene公司利用Revit Structure建筑信息模型（如本圖及下圖所示的醫(yī)院項目）實現(xiàn)數(shù)字化制造

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總結
   
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總結道：“我們都知道，要實現(xiàn)數(shù)字化制造需要解決很多挑戰(zhàn)。但是我認為，BIM解決方案肯定能幫助我們顯著縮短建筑施工流程，更好地控制項目效果。”