周慧恩 王乾坤 梅婷婷
(武汉理工大学土木工学院，武汉430070)
摘要：钢结构是未来中国建筑发展的趋势，BIM的应用是推动钢结构工业化发展的必然选择。结合工业化钢结构BIM应用的特点建立BIM部品库，并在Microsoft Visual Studi0 2010环境下对BIM软件进行二次开发以提高节点的布置效率，达到快速、高效建立BIM模型的目的。通过武汉市某钢结构项目运用4D BIM技术进行建筑施工过程三维可视化仿真分析，并对钢结构重点部位可施工性进行分析，达到施工方案优化的目的。
关键词：钢结构工业化；BIM部品库；二次开发；BIM模型
DOI:10.13206/j. gjg201602025
RESEARCH ON 4D BIM VIRTUAL CONSTRUCTION METHOD FOR INDUSTRIALSTEEL STRUCTURE
Zhou Huien Wang Qiankun Mei Tingting
( School of Civil F,ngineering& Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)ABSTRACT:The application of BIM is the inevitable choice to promote the development of steel structure, and is also thedevelopment trend of the future of Chinese architecture. Combined with the characteristics of industrial steel structure, theBIM database was established, and the secondary development of software by the Microsoft Visual Studi0 2010 wasconducted, so as to promote the efficiency of nodes arrangement and build the BIM model quickly. Through a steel structureproject in Wuhan, the 3D visual simulation analysis of the construction process was carried out by using 4D BIM technology, and the construction scheme could be optimized by analyzing the constructability of key parts of steel structure.
KEY WORDS:steel structure industrialization; BIM database; secondary development; BIM model
0 引 言
与其他结构相比，钢结构是最符合产业化生产方式的结构形式，最容易实现设计的标准化，构配件生产的工厂化，施工机械化、装配化，非常符合建筑产业化的要求。欧美地区钢结构住宅建筑已经占全部建筑总量的65%左右，在日本占到50%左右。中国2002年至2013年钢结构复合增长率达13. 73%。住建部将钢结构住宅体系的开发和应用作为我国建筑业用钢的突破点。我国钢结构“十二五”发展规划提出到2015年逐步实现年建筑钢结构用材占全国钢材总产量的10%左右，钢结构住宅建设占房屋总建筑面积的15%左右的目标。随着钢结构的设计、制作和安装方面技术进步和经验积累，钢结构设计、施工、验收规范的逐步建立健全，钢结构建筑在我国还能得到进一步的发展。
当前的建筑产业化是与信息化深度融合的工业化，而建筑信息模型( BIM)技术是建筑领域新兴的信息技术，钢结构中运用BIM技术，能够充分挖掘出钢结构的信息，推动钢结构的工业化发展。BIM与钢结构结合的研究正逐步受到国内外学者的关注。Akponanabofa Henry Oti等研究了在钢结构中引入BIM技术以控制能耗的方法。Lu N andKorman T分析了BIM对模块化钢结构建筑带来的机遇和挑战‘引。崔建华通过二次开发技术，基于CATIA平台，实现了钢结构节点的自动布置。田良提出了基于IFC的钢结构BIM数据库的数据存储方法，得出了面向钢结构的BIM数据库设计的流程。张宏胜对钢结构施工方案进行虚拟仿真分析，创建了基于虚拟施工平台的钢结构主控式施工方案设计模式。纪颖波等人深入分析了BIM对于新型建筑工业化的价值，并提出了政策建议。然而，上述研究并未基于工业化钢结构的大背景，因此本文结合工业化钢结构的BIM应用特点，提出一套适用于工业化钢结构的4D BIM虚拟建造方法，为工业化钢结构建造中BIM应用提供一定的指导和借鉴。
1 基于4D BIM的工业化钢结构特点分析
1.1 传统模式与建筑工业化模式对比分析
新型建筑工业化是采用标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理为主要特征的生产方式。工业化钢结构建筑必然遵循这种部品化、模块化、预制化、装配化的建造模式。工业化钢结构的各个构件，都是一个个独立的单元，这些单元包括零件、外购半成品和外购成品等，这些独立的单元可以统称为部品。与传统建筑的建造模式相比，工业化钢结构建筑的建造模式具有明显的面向对象的特性，表现在其设计过程是各种部品最优组合的过程，施工过程是部品单元实际装配的过程，如图1所示。
1.2 4D BIM下的工业化钢结构特点
1. 2.1面向部品的建模特性
从图1可以看出，新型工业化钢结构建造的关键在于部品的设计和选择。因此，在BIM应用上，其关键也应该为部品。在建筑设计过程中，通过直接调用或编辑使用BIM部品，遵循“一次创建，多次使用”的原则，可以大大提高BIM建模的效率。BIM部品不仅包含模型的几何信息，还包含了大量的其他参数信息，例如：性能参数、生产厂家、价格信息等。随着项目经验的累积，随着工程项目的增加，BIM部品库可以不断扩增BIM虚拟构件的数量、种类和规格，所以建立信息化构件库是建立BIM模型的关键所在。参数化对象的建模方式为创建和编辑几何体提供了一种强大的途径，重复使用信息化构件库中的构件可以大大降低建模的工程量和出错率。
1.2.2 4D模拟的重要性
相对于其他类型的建筑，4D模拟对工业化钢结构建筑更为重要，这是由它装配化的特性决定的。由于工业化钢结构采用预制装配化施工，为了保证部品安装到位，防止由于安装不当造成结构安全、建筑防水、防潮、保温等性能受损的情况出现，也为了保证安装过程能顺利进行，尽可能避免工序之间的冲突和施工安全问题，在确定施工方案和进行施工技术交底时，必须采用4D模拟可视化方法进行。该方法具有表达直观性、可重复性、多维性等特点，可以实现多施工方案的模拟选优以及技术交底的虚拟演练，在施工之前杜绝安全隐患，优化施工方法，从而实现施工过程的预先控制。
2 基于BIM部品库的钢结构BIM建模及4D模拟方法
2.1研究思路
新型钢结构BIM建模方法围绕BIM部品库展开，以“模型建造一模型应用”为主线，主要由三阶段构成，即BIM部品库组件与更新阶段、BIM模型构建阶段和BIM 4D应用阶段，如图2所示。
2.2 4D BIM模型构建阶段
结合工业化钢结构BIM建模面向部品的特性，该阶段围绕BIM部品展开，主要包括部品规划、部品检索、部品调用、部品定义、部品布置5项关键工作。
2. 2.1部品规划
部品规划是指根据设计文件的要求，从BIM部品库中选择合适的部品进行BIM建模的工作。由于各部品是建筑不同功能的载体，而这些功能的有机整合就形成了一个具有特定功能的建筑。部品规划的目的就是结合不同项目的具体需求，选择最为合适的部品组合。例如，对于节能要求较高的建筑，通常会选择导热系数较小的墙体部品，而对于施工进度要求高的建筑则选择装配式的轻质条板墙体。部品规划最终输出的是一个对设计方案各部品要求的清单，清单中详细规定了部品的参数，包括：几何参数、材料参数、规格参数等。参数种类和数量需要结合不同的部品、不同的建筑、不同的设计要求确定。
2.2.2部品检索
部品检索是根据部品需求清单判断参数化构件库中是否存在合适的部品的工作。该过程将根据部品清单中的部品描述逐个查找部品。如果清单中的部品存在，则进行部品调用工作，否则进行部品定义工作。
2.2.3部品调用
部品调用是从BIM部品库中选择部品，作为建模前的准备工作。部品调用时，为了防止对原始BIM部品文件的修改，通常需要复制一个副本以供建模之用。
2.2.4部品定义
部品定义是针对不存在于BIM部品库的部品，通过部品建模的方式建立一个新的部品的工作。部品定义的方式有两种：1）基于已有类似部品进行修改，例如：若目标建筑需要采用条板墙体，而当前BIM部品库中只由砌块墙体，则可以在砌块墙体的基础上，将其相关属性信息改为条板墙体的信息即可。2）重新对部品进行建模，这通常针对的是建筑中数量较多，几何形状较为复杂，但是尺寸和布置具有一定规律的构建。当新部品定义完成后，需要将其保存入信息化构件库，以备其他工程之用。例如：以轻质条板内墙与钢梁连接节点部品为例。如图3和表1所示。
按照设计要求，在元素参数设定中，可以从表1中看出：L形卡的厚度(t)都是6 mm，在设定L形卡厚度参数时，直接定义为6 mm;L形卡的宽度(B2)处理方式相同；角钢的截面尺寸也具有规律性，当内墙厚度不大于160 mm时，角钢尺寸为L63 x6；当墙体厚度小时160 mm时，角钢尺寸为L50 x6；可以使用与L形卡厚度(t)相似的处理方式。L形卡的长（B1）与内墙厚度存在关系：L形卡长=内墙厚度+10 mm。可以在设定内墙厚度参数时，直接定义出L形卡的长度数值B1为内墙厚度+10 mm，这样可以直接通过需要输入的参数值，直接二次生成其他相关属性的参数值，减少参数的复杂性，既减少参数节点的手动编辑工作量，也可以减少出错率。最终构造完成的节点如图4所示。在模型参数设定时，也要充分考虑对象的空间位置联系，挖掘空间位置参数的内在关联，保证位置关系的准确性，有效性。
2.2.5部品布置
部品布置是将之前定义和调用的部品按照设计要求组装成完整BIM模型的过程。建模过程包括两部分：首先，根据结构施工图建立轴线布置和搭建构建模型。保证BIM部品的定位和拼装的精度。其次，对一些较为细小和复杂的部品（在钢结构中通常为节点）进行布置。由于通常这些节点的布置具有规律性，因此可以编写一个布置这些节点的插件，从而实现该类部品的自动布置。插件是基于BIM部品库建模过程中必不可少的一步，良好的插件可以让建模过程更加自动化、智能化，提升建模效率。
例如：节点定义完成后，接下来就是对节点进行布置。节点的布置要求每隔800 mm或1 200 mm设置一个。每个连接件长150 mm。因此可以通过编写插件的方式实现节点的自动布置。插件的开发环境是Microsoft Visual Studi0 2010，编程语言为C（图5），通过引用软件安装目录下的RevitAPI．dll和RevitAPIUI．dll，编写了一个自动识别墙长、墙厚，按照要求的间距布置合适的节点程序插件，如图5-图7所示。
2.3 4D BIM应用
建立好的BIM模型包含了建筑的信息，只有让这些信息得到应用才能发挥BIM的价值。由于4D模拟对于工业化钢结构建筑来说非常重要，因此需要对BIM模型进行4D施工过程模拟。根据模拟范围的不同，4D模拟可以分为整体模拟法和重点部位模拟法两种。
4D BIM施工虚拟建造是对整个建筑进行全过程的施工方案模拟，即在以不消耗实物的前提下，对施工过程仿真模拟，达到多次虚拟建造优化和一次实物安装建造的结合效果。一般的做法是：首先，将BIM模型与进度计划关联起来，从而赋予BIM模型各个构件以时间属性；然后，通过设置不同构件、不同状态下的可视化信息，以进行施工过程的预演仿真。由于BIM模型支持时间、空间任意角度的预览，进度计划人员和施工方案编制人员可以自由切换到任意标高、任意角度、任意时间点和时间段来查看施工状态，从而确定施工方案是否可行。
重点部位可建造性是针对建筑工程局部进行4D模拟，该工作的对象通常是施工工艺有特殊要求的节点。该过程需要定义操作过程的先后顺序，然后将其与节点的各个部件关联。由于重点部位可建造性可以做到工序级别的精细度，因此对于展示关键部分的施工工艺非常有用。重点部位可建造性可以用于施工关键部分的技术交底。
3案例分析
3.1 项目概况
低层模块化生态钢结构项目位于武汉市蔡甸区，为低层住宅建筑，房间功能分区主要包括：卧室、客厅、车库、卫生间等，建筑高度约为6. 64 m，建筑面积约为311.4m2，共两层，一层主要为大厅庭院客厅等，二层主要为卧室等。本建筑采用模块化施工方法、结构模块化设计、节能材料围护结构、中庭采光、太阳能热水以及太阳能光伏发电系统技术，从而达到节能示范的效果，如图8所示。
3.2 基于BIM部品库的项目建模过程
本项目钢结构及部分内墙采用装配化施工，建模软件选择TEKLA和Revit，首先在TEKLA中对钢结构部分进行建模，然后导入Revit进行建筑部分建模。部品库选择两种软件自带的部品库。在部品规划阶段，将所有装配化的结构构件定义为部品，相关部品如表2所示。其中，结构和建筑部品已经存在，为已有部品，可以直接调用并按照设计要求进行布置，而节点部品需要进行定义。
一般构件可直接用TEKLA建立围护结构与主体框架连接节点，包括轻质条板内墙与钢梁连接节点、预制楼屋面板与钢梁连接节点、外墙条板与钢梁连接节点等。由于特殊构件节点部分较复杂，通过三维模型和参数属性关联，首先针对节点，即对钢梁一钢柱链接节点和主次梁连接节点构建节点库。构建库的依据是设计图纸中的节点类型和相关参数，构建完成的构件库。一般构件库与特殊构件库共同构成整个完成3D BIM模型所需要的所有构件信息。
构建了节点构件库后，在BIM模型构建时，按照设计要求从构件库选择相应节点，配合少量的手工操作，即可方便地完成建模。建模的方式是：根据项目的结构设计图纸，将CAD导入BIM软件中，结合CAD地图在相应位置布置钢梁和钢柱，运用BIM软件二次开发编写的自动布置梁柱节点、主次梁节点的插件，调用相应的命令即可自动生成结点。
3.3 基于BIM模型的4D模拟阶段
3. 3.1 项目整体进度4D模拟
BIM的4D模拟选择的软件为Navisworks。该软件能够将3D BIM模型和进度计划有效集成起来。3D模型建好之后，首先通过Revit自带的Na-visworks输出插件，将模型转换为nwc格式，并在Navisworks中打开；然后通过它的Timeliner功能模块将进度计划的Project文件导人，利用选择集的功能将各构件与Project中的WBS子项连接，就得到了一个4D BIM模型；4D BIM模型对每个关键节点的施工进度数据进行统计，在Navisworks中更新每项工作的实际开始时间和实际结束时间，软件将自动将每项工作的计划情况和实际情况进行对比，并将计划执行结果反映到模型上，为项目管理人员评估和调整进度计划提供决策支持。
此外，由于创建了与进度计划相链接的进度模型，因此可以通过现场照片和视频资料记录现场实际施工情况，结合施工模拟情况，从而能够实现形象进度与实际进度的对比，与传统基于甘特图和网络图的进度监控方式相比，基于4D BIM的进度监控更加直观、形象。如图9所示，该图是2014年7月中建钢构低层模块化生态钢结构建筑实际施工情况与BIM模型的对比，结果表明：模拟的计划进度与实际进度基本相符。
3.3.2 重点部位可建造性模拟
项目的首层、二层和屋面钢框架部分均由9 800 mm x3 400 mm的钢梁模块单元组成，为了提高装配化施工的效率，初始的施工方案为：在工厂内将各层梁单元、压型钢板、钢筋及混凝土预制完成，形成对应的单元模块，然后运到现场进行直接组装。
为了对该方案的可施工性进行分析，采用4D虚拟施工的方法进行可施工性的验证。通过将Re-vit模型导人Navisworks软件，将模型与进度计划连接，然后通过采用预演仿真的方式，按照初始进度计划的安排进行虚拟施工。通过对虚拟施工过程进行多角度、多视点的分析，发现在底层结构单元模块安装时，由于其净空太小（图10），工作人员无法进行螺栓拧紧作业，因此该方案可施工性差，需要进行调整与优化。
针对这一问题，课题组提出了3种解决方案。
第1种，底层不采用初始方案的“整体预制一整体安装”方案，而采取部分预制，部分现浇的方案，即首先对钢框架部分进行预制，然后运到现场安装。钢框架安装完成后再进行压型钢板的安装、钢筋绑扎及混凝土浇筑。在钢框架就位后，工人可以在框架之间的空隙处进行高强度螺栓连接施工。该方法能够有效解决螺栓连接施工工作面不够的问题，操作简单易行。然而由于需要湿作业，因此该方法的工业化率有所降低，工期有所延长。
第2种，对基础与底层钢框架的连接进行重新设计，研发一种不用螺栓连接或焊接，而可以直接进行连接并锁紧的连接节点。该方法可以保证底层结构单元能按照原始工序进行，实现高度的工业化、装配化施工，但是新型节点的研发需要进行大量的理论研究和试验测试，实际应用中还需要出台相关规范和标准为指导，并且在产业化方面也面临着较大的成本压力和市场风险。
第3种，对底层结构单元模块进行重新设计，在与锚栓的连接部分预留检修孔，而其他部分可以事先在工厂预制。安装时，工人可以在检修孔范围内进行螺栓连接施工，安装完成后，可以将检修孔盖住。这种方法解决了装配化要求和可施工性之间的矛盾，然而由于预留的检查孔位于室内，其不利于建筑防潮和防水，需要做进一步的处理。
综上所述，通过综合考虑技术的可行性、经济的合理性、风险的可控性、实践的可操作性等方面，建议首先选取方案1完成该项目，方案2和方案3可以作为后续研究。最终模拟钢结构工程进度计划施工过程（钢结构部分）如图11所示。
4 结论与展望
在中国建筑钢结构工业化发展趋势下，BIM应该结合钢结构的特点充分发挥在钢结构工业化、标准化、模块化推动作用。针对BIM的核心-3D模型的建立需要耗费大量的工作量和成本，提出了通过BIM部品库的建立减少构建模型工作量方法，并为了提高节点的布置效率，对BIM软件二次开发，编写了一个自动布置节点的插件。通过某钢结构项目的BIM模型的建立验证了构建信息化构件库可以减少建模的工作量，并说明了BIM软件二次开发的插件确实能够大大提高特殊构建的布置效率。最后运用4D BIM对该项目钢结构建筑施工过
程进行三维可视化仿真分析，并对项目重点部位进行可建造性模拟，为施工方案优化提供指导。
BIM应用的研究是BIM发展的重点方向，本文只是着重提出高效建立BIM模型的方法以及BIM在虚拟建造中的应用，研究拓展BIM的应用领域将会大大提高BIM在工程领域的价值民，挖掘出BIM的潜力。
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