本白皮書將闡述如何用在鋼結構的數字化制造過程中使用結構建筑信息模型，以及建筑信息模型（BIM）在數字化供應鏈中的作用。

根據斯坦福大學集成設施工程中心（Center for Integrated Facility Engineering，CIFE）的研究數據，建筑施工行業的生產效率正在持續下滑。該數據顯示，生產效率問題是建筑行業面臨的根本性問題，同時也是施工效果無法預測的主要原因。

為了改進這一狀況，許多企業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字化制造。BIM能夠支持所有建筑專業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字化制造。

基于模型的設計和制造
幾十年來，制造行業一直在使用機械CAD系統制造數字模型。這些模型不僅能夠說明產品的設計，還可以用到其它應用中，如應力分析、現場支持，當然還有制造。CAD模型可以用來生成控制CNC（計算機數字控制）機床，提高機械加工流程的自動化程度。

建筑行業也可以采用類似的方法來實現建筑施工流程的自動化。盡管建筑不能像汽車一樣在“加工”好整體后發送給業主，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
要想了解怎樣利用BIM來實現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場，由鋼結構安裝工進行安裝。

那么現場施工圖從何而來？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，即關于典型節點的說明。然后，鋼結構詳圖設計師再根據這些施工圖和總體的節點說明來設計具體的鋼結構組件和具體的幾何形狀，并創建加工詳圖，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格、大小、尺寸、焊接、螺栓連接、表面處理、涂裝要求等詳細信息。

鋼結構施工圖（左）中僅包含關于節點的總體說明，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。

詳圖設計師通常使用繪圖軟件“手工”創建加工詳圖或用專門的鋼結構詳圖設計軟件來創建加工詳圖。Autodesk Robobat RCAD就是一款利用數字“制造”模型來創建鋼結構詳圖的解決方案。

需要注意的是，在建筑項目中，加工詳圖的數量要遠遠多于施工圖的數量。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。在將加工詳圖發布到制造環節之前，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。

鋼結構制造商通常使用數控機床自動切割鋼梁并制孔。有些制造商根據加工詳圖中的信息對數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字化制造模型自動對數控機床進行編程。

將BIM擴展到制造環節

BIM怎樣滿足鋼結構制造商的需求呢？正如制造業中基于CAD的模型能夠支持制造流程一樣，專門開發的建筑信息模型，如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（一種行業標準數據格式，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。

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。

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。

該項目已于2007年初動工，預計于2012年完工。等這些設施投入使用后，原有醫院建筑要實施爆破，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作之前，制造模型已經建成，因此需要手動協調這兩個模型。Bleiman解釋說：“跑之前先要會走，我們需要先學會手動協調這兩個模型。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、制造和安裝環節進行協作，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，進而減少后續階段中的信息請求（RFI）和變更單。

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建這些詳圖的鋼結構詳細設計軟件中進行。

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調。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的模型相結合，以便進行沖突檢測。

Rutherford & Chekene公司利用Revit Structure建筑信息模型（如本圖及下圖所示的醫院項目）實現數字化制造。

總結

制造行業目前的生產效率極高，其中的部分原因是利用數字化數據模型實現了制造方法的自動化。同樣，BIM和數字化制造也能夠提高建筑行業的生產效率。

與集成項目交付方法一樣，數字化制造方法將推動建筑行業的快速發展。Bleiman總結道：“我們都知道，要實現數字化制造需要解決很多挑戰。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。”

參考文獻

1. 斯坦福大學集成設施工程中心（CIFE）Paul Teicholz，“建筑行業勞動效率下滑的原因和補救措施”（Labor Productivity Declines in the Construction Industry:Causes and Remedies），AECbytes.com，2004年4月14日