BIM技術在建筑結構設計中的應用

李旭升

（廣東新長安建筑設計院有限公司，廣東 汕頭 515000）

1 引言

隨著我國現(xiàn)代化進程的不斷加快，很多先進的工藝技術被廣泛運用到建筑結構設計領域，其中就包括BIM技術。該技術在建筑結構層面的運用可以顯著提升結構設計的效率和質量，通過構建三維虛擬模型的方式，便于設計人員開展后續(xù)的分析和決策。不僅如此，基于BIM技術的建筑結構設計，整體自動化水平比較高，可以顯著降低人工勞動力，同時避免人員設計存在的失誤情況，從而確保房屋建筑結構設計的整體質量效果[1]。

2 建筑工程結構設計現(xiàn)狀

目前，我國房地產行業(yè)發(fā)展十分迅速，很多建筑施工建設開始朝著高層及超高層方向發(fā)展。為了確保高層建筑整體結構的穩(wěn)定性和安全性，在實際進行房屋結構設計中，需要合理運用結構設計優(yōu)化方法和手段，可實現(xiàn)結構設計與成本管理二者的協(xié)調發(fā)展，在確保結構設計可靠性的基礎上最大限度地降低成本投入。

相關調查研究顯示，近幾年我國房屋建筑結構設計中采用設計優(yōu)化方法，使得成本投入可以降低15%左右，這對于企業(yè)的經(jīng)濟效益提升是極為有利的。雖然設計優(yōu)化方法的運用可以達到降低成本的效果，但是在實際的運用過程中卻受到多方面因素的影響，導致設計運用難度較大，例如，部分企業(yè)在實際開展房屋建設以及設計中，為了有效縮短建筑施工周期，盲目重視施工進度管理，在實際的結構設計中即便是發(fā)現(xiàn)了不規(guī)范、不合理的問題，也不采取相關的處理措施，在這種情況下繼續(xù)施工建設，不僅會造成嚴重的質量問題，同時也容易埋下安全隱患。不僅如此，很多設計人員由于專業(yè)素質有待提升，加之缺乏相關的設計優(yōu)化經(jīng)驗，在實際當中無法實現(xiàn)對房屋建筑結構的優(yōu)化設計。

3 BIM技術的特點

通常而言，將BIM技術運用到實際結構設計當中，可以實現(xiàn)規(guī)劃、設計、施工以及維護等管理水平高效提升，達到促進企業(yè)快速發(fā)展的實質性目的。具體而言，該項技術在建筑結構設計層面所表現(xiàn)出的技術優(yōu)勢和特點如下。

第一，可視化。在以往的建筑結構施工過程中，其結構設計圖紙的繪制一般都是通過CAD等二維技術工藝實現(xiàn)。其中，建筑內部空間結構大都根據(jù)工作人員長期的經(jīng)驗以及腦力判斷。在特殊復雜的工程建設當中，單純依靠腦力和經(jīng)驗顯然無法達到理想的效果，給建筑結構設計造成巨大的阻礙。而BIM技術憑借可視化功能優(yōu)勢，可以將建筑內部空間結構以一種直觀立體的方式呈現(xiàn)給作業(yè)人員，給后續(xù)施工決策提供科學合理的指導，同時也大幅提升了結構設計質量水平。

第二，協(xié)調性。眾所周知，在建筑施工建設過程中尤其是結構設計領域，涉及諸多專業(yè)，各個專業(yè)配置相應的部門開展施工作業(yè)。實際施工當中，如果各個部門之間協(xié)調和溝通不到位，那么不僅會導致施工進度和效率受到影響，同時也會大幅降低結構設計施工質量水平，不利于結構安全性和可靠性的提升，同時產生的碰撞問題也會導致后續(xù)出現(xiàn)返工和變更問題。而BIM技術的運用可以有效彌補這一缺陷，其在實際運用當中可以協(xié)調各部門及專業(yè)實施針對性的設計，一方面降低碰撞問題出現(xiàn)概率，另一方面也可有效提升結構設計水平。

第三，模擬性。借助BIM技術可以模擬建筑結構施工現(xiàn)場的日照、節(jié)能以及熱傳導等情況，便于制訂相關的應急預案。

4 BIM技術在建筑結構設計中的應用要點

4.1 鋼筋表達

鋼筋表達實際上就是指將建筑結構設計中所使用的鋼筋水泥混凝土結構，通過BIM技術以三維立體化的形式呈現(xiàn)出來，如此一來，設計人員可以更加直觀地獲取鋼筋外形尺寸以及位置等參數(shù)，提升設計整體水平。同時，還可以結合工程實際科學合理地計算出鋼筋混凝土等結構用量，避免出現(xiàn)材料的過度浪費。

就目前而言，基于BIM技術下的建筑結構設計中鋼筋表達主要包括兩種形式，即實體詳圖表達和平法注釋表達。其中，前者可以實現(xiàn)三維立體形式的表達，一方面可以明確鋼筋結構的所處位置以及外形尺寸等參數(shù)信息，另一方面對于一些建筑結構施工當中隱蔽性比較強的鋼筋參數(shù)信息，也可以結合該項技術進行分析和明確。但是需要注意的是，該表現(xiàn)形式對于硬件條件的限制比較大，使用過程中還不可避免會占用較多的空間，相應的設計工作量顯著提升；而平法注釋表達的原理在于對建筑結構相關鋼筋部件進行參數(shù)賦值，讓所賦值的參數(shù)信息與構件相同，以此為基礎實現(xiàn)調取和互換操作，最終達到合理表達鋼筋結構參數(shù)的效果[2]。相對比前者來說，后者最大的優(yōu)勢在于可以從一張圖像中獲取多個鋼筋參數(shù)信息數(shù)據(jù)，但是缺陷在于表現(xiàn)形式比較單一，對于平面圖像的限制比較大。在實際當中需要結合工程設計情況，對兩種表達方式進行合理選擇。

4.2 實體模型的可視化

BIM技術在具體的結構設計當中可以充分結合工程實際而建立3D模型，將建筑復雜的內部結構通過立體化的3D模型呈現(xiàn)出來，讓設計人員可以更加直觀立體地觀察各部分結構參數(shù)信息，包括空間相對位置、各部件情況等，便于設計人員從多角度、多層面進行觀測，結合觀測結果做出科學合理的設計方案調整，最終達到提升工程品質的實質性目的。就目前而言，BIM技術的可視化功能優(yōu)勢在建筑結構設計領域發(fā)揮出顯著的功能優(yōu)勢，但是行業(yè)中該技術的應用深度卻存在顯著差異，具體如圖1所示。

圖1 BIM應用深度分布

由圖1可知，建筑設計行業(yè)中17%的企業(yè)尚元BIM推進計劃，基本開始實施該項理念的企業(yè)占比為23%，對BIM技術實施廣泛推廣和運用的企業(yè)占比56%，并且推廣過程中基本實現(xiàn)了規(guī)?；囼灒€有少數(shù)企業(yè)在實際當中雖然對該技術有所運用，但是沒有實現(xiàn)大規(guī)模推廣，占比為1%～3%[3]。

4.3 碰撞檢查

對建筑結構進行碰撞檢查，目的在于防止后續(xù)因為碰撞而產生返工和變更問題。在實際進行碰撞檢查中，可以結合BIM技術構建實際的3D模型，對前期設計階段進行碰撞因素模擬，結合該模型可以直觀立體地發(fā)現(xiàn)結構空間設計中是否存在相互干撫以及碰撞問題，然后以此為基礎進行優(yōu)化和改良，最終消除前期設計中存在的碰撞問題。在完成碰撞檢查和優(yōu)化設計之后，工作人員可以直接利用這一設計方案進行施工交底和工程模擬，以達到提升結構設計施工質量水平目的。

5 BIM技術在建筑結構設計中的應用實踐

5.1 工程概況

某區(qū)域棚戶區(qū)改造項目中，結合BIM技術的應用組織結構如圖2所示。

圖2 BIM技術組織架構

5.2 構建結構模型

在該建筑結構設計中，由于整體建筑以鋼筋混凝土結構為主，設計工作的要點在于提升連接部位的強度。在對結構連接部位進行設計優(yōu)化中，可以充分結合BIM技術的功能優(yōu)勢，推理和測算出各個連接射線之間的可靠性程度，以便于進行合理有效的連接，提升結構整體的強度和穩(wěn)定性。不僅如此，在實際開展設計工作中使用BIM技術，還可以構建內部結構模型，通過模型科學準確地分析建筑結構內部的各項參數(shù)和指標，然后結合實際的強度要求對參數(shù)進行調整和優(yōu)化，同時對于相關部件還可以進一步完善，讓整體建筑結構設計質量得到進一步的提升。在本工程結構設計中，設計人員首先利用BIM技術構建結構的幾何模型，其中主要還運用到Revit軟件，結合該軟件的強大功能，對結構模型進行合理化分析，包括建筑結構的每一個節(jié)點位置，都需要確保連接設計的合理性和可靠性。與此同時，在進行模型構建中，需要充分分析基礎結構、梁體、板體等要素，并且還需要做好以下幾方面工作：第一，結合該工程實際選擇合適的樣本[4]，然后結合BIM模型進行可靠性連接；第二，結合計算機軟件進行軸網(wǎng)建立，同時精準定位標高；第三，科學合理地設置建筑結構中的混凝土梁與混凝土柱，并且結合BIM模型進行全面檢查，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)問題要第一時間反饋和處理，防止隱患的進一步擴大；第四，對于一些特殊的結構形式，在實際進行測算過程中難度較大，所以只需要將構建的荷載信息與分析模型進行融合即可，無須進行測算同樣可以達到理想的設計效果。

5.3 結構可視化設計

對于建筑結構設計來說，不是一項簡單的工作，需要圖紙有效展示出建筑結構構件以及內部各方面要素信息，但是基于CAD技術設計的圖紙屬于二維信息，無法清晰展示出結構構件的詳細情況，所以在本次結構設計優(yōu)化中難以發(fā)揮出實質性的效果。而將BIM技術運用到本次結構設計中，可以構建三維立體模型。

相對比二維信息模型，三維立體模型更加直觀，可以清晰地展現(xiàn)出建筑結構構件的位置以及其他的參數(shù)信息，設計人員通過直觀分析，可以有效明確結構內部構件存在的問題和弊端，然后及時進行優(yōu)化和改進，全面提升建筑結構設計水平。不僅如此，在三維模型構建完成后，相關設計工作人員還可以結合模型對建筑結構布局進行調整，合理計算出建筑物體量，達到可視化設計的目的。

6 結語

綜上所述，BIM作為一項新型的技術工藝，同時也是信息化時代的主流產物，將其運用到建筑工程結構設計領域，可以憑借其功能特點，顯著提升結構設計質量和效率。基于BIM技術的建筑結構設計，通過構建三維實體模型，可以有效將建筑結構的內部情況進行展現(xiàn)，便于設計人員更好地開展后續(xù)工作，同時降低了人工設計層面存在的缺陷和較高的任務量，對于促進建筑行業(yè)的發(fā)展意義重大。