1. 引言
在快速发展的建筑行业，装配式建筑以其高效、环保、可持续的特点逐渐成为主流趋势。其中，装配式钢结构作为装配式建筑的重要组成部分，以其强度高、自重轻、施工速度快等优势，在大型公共建筑、工业厂房、多高层住宅等领域展现出广阔的应用前景。然而，装配式钢结构的设计生产阶段涉及众多专业知识的交叉融合，如何高效、精准地完成设计、生产及预制构件的装配，是行业面临的重要挑战。在此背景下，BIM技术以其强大的信息集成与协同管理能力，为装配式钢结构的设计生产阶段提供了全新的解决方案。
许多学者基于BIM技术对装配式钢结构项目各个阶段进行了应用研究。晋浩[1]通过案例阐述BIM在装配式钢结构建筑中的应用，包括钢结构深化设计、图纸检查与会审、清单统计、出图、焊接工艺优化、集成平台运输模拟、施工方案编制与模拟、BIM5D管理平台运用及智慧工地建设等。李卫宏[2]针对装配式钢结构建筑施工过程中焊接质量难以保证、施工效率低、碰撞等问题，通过BIM技术对装配式钢结构建筑进行精细化建模来指导施工的进行，明显改善了施工质量。李晨[3]从“施工管理”、“图纸二次深化”和“预制构件”三方面研究装配式建筑施工的难易性和经济效率性，提出基于BIM技术的精细化方案。通过文献计量、因素分析和模糊综合评价等方法验证其可行性和优越性。蔡庆森[4]以龙岗区第二中医院项目为例，使用BIM和CAD技术，分阶段建立施工场地、土建、钢结构、机电、室外墙和室内精装模型，研究BIM在装配式钢结构施工中的应用。徐名尉[5]研究BIM技术在武汉精武路超高层项目施工中的应用，提出利用BIM技术建模深化钢结构节点，优化调整节点，并在BIM平台展示数据，指导加工和施工人员工作，提高施工质量和效率，降低施工难度和风险。刘杰[6]通过分析BIM技术在窑洞三维呈现、场地分析、朝向确定、能耗分析和施工图设计中的具体应用，明确BIM技术在新型窑洞设计中的技术价值，促进信息时代下传统民居设计的成熟与完善。丁东山[7]以应急隔离酒店项目为例，集成BIM、物联网、人工智能技术，以数据为载体，形成设计标准化、构件生产可视化、施工现场监控智能化、运维管理数据化的新流程。打造快速建造、平疫结合新方案，开创智能建造管理新模式，实现装配式建筑全生命周期的精细化与智能化管控。郭飞[8]发现，BIM技术能深化构件设计，为大型工业零部件生产提供准确图纸和数据，制造商可整合设计图纸信息，考虑生产和施工准备。
可以看出，大部分学者的研究主要集中在装配式建筑的施工阶段，对于设计生产阶段的研究较少，本研究旨在深入探讨BIM技术在装配式钢结构设计生产阶段的应用价值与实践路径。通过文献综述、案例分析等方法，分析BIM技术在提升设计效率、优化生产流程、增强构件预制精度等方面的具体应用效果；同时，结合某装配式钢结构建筑项目，探讨BIM技术在设计生产中的实际应用，以期为行业实践提供参考。
2. 设计阶段应用研究
2.1. BIM协同论
在整个建设项目的全生命周期中，各参与方之间的高效协作至关重要，它能够显著提升建设项目的运行效率，协同作业流程如图1所示。以BIM协同论为基础，基于装配式钢结构办公楼实际项目，建立建筑结构三维模型，在设计阶段进行专业协同优化研究，以期提高设计效率，减少设计错误，提升项目质量，实现项目资源的优化配置。
Figure 1. The idea of BIM collaborative design
图1. BIM协同设计思路
2.2. 工程概况
某装配式钢结构办公楼项目，如图2所示，地上5层，建筑高度为21.8 m，采用钢结构和自制的新型泡沫混凝土墙进行建造，如图3，外墙均为160厚。该办公楼属于装配式钢结构建筑，主要由箱型柱和H型钢梁构成，箱型柱最大截面为400 × 400 × 18 × 18 mm，H型钢梁最大截面H600 × 250 × 8 × 14 mm。钢结构主体主要采用Tekla Structures来对其进行深化设计与建造，同时也结合Revit对该办公楼进行建筑结构协同设计分析。
Figure 2. Office building project
图2. 办公楼项目
Figure 3. Steel structure and foam concrete wall
图3. 钢结构和泡沫混凝土墙
2.3. 基于BIM技术建筑结构多专业协同优化研究
在工程项目设计阶段，BIM技术主要用于参数化设计、多专业协同设计、碰撞检查和各种性能分析。对于多专业协同设计，如图4，实质上就是运用BIM技术为建筑、结构、机电、暖通等各专业提供一个三维集成协同化设计平台，这样有助于减少原始设计中各专业冲突较多而导致工程不断变更的情况，极大地减少了后续施工阶段出现设计变更和拆改的概率。
Figure 4. Basic process of professional collaborative design
图4. 专业协同设计基本流程
在使用BIM设计的过程中，建筑的主体形态由建筑和结构专业表示，因此在装配式钢结构办公楼项目中，构建了建筑结构专业的模型，理清两者之间的几何关系，并准确表达模型，使其与实际项目相一致。在实际工程项目中，窗户问题较为常见，属于较为通用性问题，因此本小节结合办公楼实例以窗户调整为例，介绍BIM技术下建筑与结构专业的协同优化设计。在设计阶段采用BIM技术进行深度优化，如图5(a)中，窗户上部分与钢梁冲突，既发挥不了窗户的作用，也达不到建筑美观的效果；下方由于建筑结构设计交流欠缺，导致窗户与楼层板之间存在较大间隙，出现楼层间不隔音等问题。在这种情况下，与传统二维设计相比，BIM三维可视化在发现冲突问题上具有得天独厚的优势。使用BIM技术可以直观地发现问题，如图5(b)，在不变动结构框架的基础上，最简便的方法就是变动窗户的大小及位置，最终使用BIM技术调整后的位置如图5(c)。在该装配式钢结构项目的设计阶段，建立办公楼的建筑和结构三维模型，事先发现窗户与钢梁间存在的设计问题，通过进行建筑结构专业的协同信息共享有效减少了前期存在的设计缺陷，避免后期返工，降低建造成本。
(a) (b) (c)
Figure 5. Window adjustment in collaborative design of building structures; (a) Construction practical issues; (b) Before BIM adjustment; (c) After BIM adjustment
图5. 建筑结构协同设计之窗户调整；(a) 建筑实际问题；(b) BIM调整前；(c) BIM调整后
3. 生产阶段应用研究
在生产阶段，确保钢结构预制构件的精确制造至关重要。利用BIM技术，能够确保预制构件在尺寸、形状和位置上的精确度，从而降低生产过程中的误差。通过模型导出的构件数量统计表，能够为建筑构件的生产做好准备。对于那些市场上可以直接采购的建筑构件，以统计结果为基础，制定相应的建筑构件采购计划；对于市场上无法直接购买的构件，就需要制定详细的生产计划，并向构件生产单位提交构件数量明细表，确保构件的生产规格和质量满足要求。
以该装配式钢结构办公楼项目为例，在其钢结构构件和泡沫混凝土墙板的生产加工过程中应用BIM技术采集构件信息，将相关信息完整传递给构件加工厂指导构件生产。
3.1. 基于Tekla的钢构件工程量分析
Tekla在工程项目的实际运用过程中展现出了对钢结构处理的强大功能，这主要得益于其具有较为充足的型钢和截面库。使用者可以在众多不同类别、型式、截面的型钢中，结合实际情况从中选出各自所需，使得模型的建立更为便利和迅速。在钢结构加工生产的过程中，钢构企业需要事先对原材料、零构件进行计划。为了制定较为精确的原材料购买及构件加工计划，对工程量的数据统计是否精准是非常重要的，Tekla具有比较便利的数量统计功能，可以准确地统计工程量，在实际工程中应用普遍。
本节利用Tekla对该装配式钢结构办公楼项目进行建模，钢结构模型如图6所示，在建模过程中结合实际需要对该工程项目进行相关工程量的数据统计，导出如图7所示。最终处理出办公楼箱型柱构件、钢梁构件、零件、螺栓等清单用于指导采购及生产，清单详细列明了构件的编号、规格、数量、尺寸以及相应的重量，以确保后续采购和生产工作的顺利进行，部分截图见图8~9。
在装配式钢结构办公楼项目生产阶段，通过Tekla软件导出钢构件的相关信息，可以帮助钢结构项目生产阶段进行精确的材料清单管理、高效的构件生产计划制定以及准确的构件质量控制。通过这种方式，企业可以更加精确地控制成本，提高生产效率，从而在激烈的市场竞争中占据有利地位。Tekla不仅提高了工作效率，还为钢结构工程项目的顺利实施提供了有力的技术支持。
Figure 6. Tekla steel structure model
图6. Tekla钢结构模型
Figure 7. Generation of Tekla component list
图7. Tekla构件清单生成
Figure 8. Screenshot of part of the office building component list based on Tekla
图8. 基于Tekla的办公楼构件清单部分截图
Figure 9. Screenshot of part list of the office building based on Tekla
图9. 基于Tekla的办公楼零件清单部分截图
3.2. 基于Revit建筑模型的墙板工程量分析
Revit是现今较为常用的BIM参数化模型构建软件，参数和图元构成其基本单元“族”，“族”用来集成各种信息。创建族的时候赋予各构件材质、尺寸大小等信息，因此，族构件布置成功之后，与工程量紧密相连的各类信息可以依据族的空间几何数据及其自身的参数自动化计算形成。
本节利用Revit建立办公楼项目的建筑模型，如图10所示，通过Revit能快速、准确地生成墙板的工程量清单。图11是结合Revit构件明细表及工厂生产实际情况制定的办公楼泡沫混凝土墙生产任务单，从模型中直接读取数据，节约时间的同时还提高了准确性，使墙板在工厂生产中有序进行，减少资源浪费。泡沫混凝土墙加工图如图12。
Figure 10. Revit architectural model
图10. Revit建筑模型
Figure 11. Production order of foam concrete wall
图11. 泡沫混凝土墙生产任务单
Figure 12. Processing diagram of foam concrete wall
图12. 泡沫混凝土墙加工图
4. 结论
以装配式钢结构办公楼项目为例，从设计和生产两个阶段进行BIM技术在装配式钢结构建筑中的应用研究。在设计阶段借助BIM技术进行深化设计，基于办公楼项目建筑结构BIM模型进行专业协同优化，减少了设计错误的发生；在钢结构构件生产加工过程中应用BIM技术，输出办公楼项目钢构件和泡沫混凝土墙板的工程量清单，使得该项目主要构件的加工制造流程变得简单高效。研究表明，BIM技术的应用，在设计阶段能够显著提高装配式钢结构的设计效率和准确性，并在生产阶段有助于实现构件的精确制造和装配。