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(wèn)題是建筑行業(yè)面臨的根本性問(wèn)題，同時(shí)也是施工效果無(wú)法預(yù)測(cè)的主要原因。
* g% ~$ ?! ]' f! `6 j   
為了改進(jìn)這一狀況,，許多企業(yè)將用來(lái)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(dòng)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(gè)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。
+ p7 U8 P! W( ?; m" j4 n% {
( ^: i% F5 |- D
基于模型的設(shè)計(jì)和制造

% ^$ v$ c' |$ ?
幾十年來(lái),，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(shuō)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(chǎng)支持，當(dāng)然還有制造,。CAD模型可以用來(lái)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(dòng)化程度。
  ^2 [' `. P( E3 Z5 `3 j   
建筑行業(yè)也可以采用類似的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑施工流程的自動(dòng)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(chǎng),，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。
鋼結(jié)構(gòu)建造基礎(chǔ)知識(shí)
$ x+ {+ M% M# o* L! i   
1 G3 W, @9 F/ S: N要想了解怎樣利用BIM來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)制造的自動(dòng)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(gòu)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(gè)部分應(yīng)如何制造的說(shuō)明書(shū)）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(chǎng)，由鋼結(jié)構(gòu)安裝工進(jìn)行安裝,。
) w4 i7 o( v1 U2 g  h7 K   
那么現(xiàn)場(chǎng)施工圖從何而來(lái),？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(duì)鋼結(jié)構(gòu)制造的總體要求，即關(guān)于典型節(jié)點(diǎn)的說(shuō)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(shuō)明來(lái)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(gè)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。
. ~9 R) g3 B9 T5 N: ^% p9 a

$ c8 M% r  C  u5 L鋼結(jié)構(gòu)施工圖（左）中僅包含關(guān)于節(jié)點(diǎn)的總體說(shuō)明,，而加工詳圖（下）則包含制造每個(gè)鋼結(jié)構(gòu)組件所需的所有細(xì)節(jié),。
7 t2 `7 W: Q2 w   
) s6 V7 R+ M: A! w! }5 d: K3 a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(lái)創(chuàng)建加工詳圖。Autodesk Robobat RCAD就是一款利用數(shù)字“制造”模型來(lái)創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)詳圖的解決方案,。
4 [/ b- q0 k* \' b4 F! ?1 i8 `3 ~   
  z0 W- z, k, Z: Z! G8 `& N" v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(gè)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(dòng)切割鋼梁并制孔,。有些制造商根據(jù)加工詳圖中的信息對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行手動(dòng)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(dòng)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行編程,。

+ E- \# s$ c/ [7 Z4 m將BIM擴(kuò)展到制造環(huán)節(jié)
   
& Y6 {8 o) [6 jBIM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(kāi)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(lái)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。
# u# y' T/ @  u" W# h7 f& M* a

$ M: I. u5 y8 A1 R# t& i% iRevit Structure設(shè)計(jì)模型中的鋼結(jié)構(gòu)圖形和信息可以通過(guò)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,。
7 x- ^/ V8 _' v( m, k5 ^

   
, ]0 a! G8 y: v0 V9 d0 w; E* U+ Z( B% vRevit 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(qǐng)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,。
   
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(shí)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(dòng)中共享,。
: z8 M8 x2 [5 t0 q   
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(huì)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(huì)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(shí)非常有用，在空間極為緊張的建筑中更是如此,。
   
, E! f2 C& J" u4 A' {將BIM用于鋼結(jié)構(gòu)供應(yīng)鏈中的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)與結(jié)構(gòu)框架的總體成本有關(guān),。過(guò)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(shì),，需要在設(shè)計(jì)流程中考慮“制造的簡(jiǎn)單性”（相當(dāng)于制造行業(yè)強(qiáng)調(diào)“可加工性”）
6 M! M/ l+ h0 @7 P* Q   
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(wèn)題,。與參與競(jìng)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(shū),。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(chǎng)發(fā)生的問(wèn)題,，降低不斷上升的鋼結(jié)構(gòu)安裝成本,。
   
5 k# w4 |( H" Q3 Q, z數(shù)字化的從設(shè)計(jì)到制造流程離不開(kāi)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(gè)不同公司。因此,，就需要采用不同以往的項(xiàng)目交付方法來(lái)連通設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié),，也就是說(shuō)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(kāi),。設(shè)計(jì)模型和加工詳圖可以同時(shí)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(kāi)始制造,，鋼結(jié)構(gòu)也可以越快安裝完畢。
1 m1 v0 j0 b1 Q4 u& n* j

# W" h. I& M9 T/ ]) A' w1 s數(shù)字化制造——成功案例
  O: i  a; m* ?; E3 q7 @   
3 k& [9 ~3 F1 w; A- X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(kāi)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),。
   
他們最近開(kāi)展的一個(gè)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(lái)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(kāi)展了密切合作。
   
R&C公司負(fù)責(zé)人兼高級(jí)工程師David Bleiman介紹說(shuō)：“醫(yī)院建筑的相對(duì)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�,！�
   
7 |; ^% i7 L+ z/ ?. f# t5 w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(gè)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(duì)比�,！�
1 `. w* O5 U0 p9 m7 N   
' s& R$ M8 h; r. w/ C  J! y在R&C與鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)方開(kāi)始協(xié)作之前,，制造模型已經(jīng)建成，因此需要手動(dòng)協(xié)調(diào)這兩個(gè)模型,。Bleiman解釋說(shuō)：“跑之前先要會(huì)走,，我們需要先學(xué)會(huì)手動(dòng)協(xié)調(diào)這兩個(gè)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(shí)間�,！痹�設(shè)計(jì)中的任何問(wèn)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(qǐng)求（RFI）和變更單。
   
加工詳圖完成后,，第二階段的工作就開(kāi)始了：鋼結(jié)構(gòu)加工詳圖的全數(shù)字化評(píng)審,。加工詳圖評(píng)審工作（原本需要手動(dòng)打印、傳輸、檢查每張?jiān)攬D的多個(gè)備份）將以電子方式在原來(lái)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,。
   
此外,，R&C還將使用Autodesk NavisWorks軟件對(duì)完整的制造模型和原始的建筑模型進(jìn)行對(duì)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(cè),。

& p1 \' p, ~) q6 W2 ?0 a# @2 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

; f  Z$ N! C, U) `- K$ W2 q6 ]總結(jié)
4 N2 r/ ^: [2 [. |% P) b& z) y   
, y4 }) i$ S# u* \% B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(dòng)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,。
   
2 }8 v  L% N; G3 y. N與集成項(xiàng)目交付方法一樣,，數(shù)字化制造方法將推動(dòng)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,。”
' r1 ?1 c/ x! {: m