BIM 技術在建筑結構設計中的應用

龐潔

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司，山西晉中 032000）

0 引言

對于建筑工程項目設計而言， 結構設計是重點，其是整個建筑穩(wěn)定與安全的關鍵性影響因素[1]。新形勢下，為能推動建筑工程發(fā)展，建筑結構形式日益復雜， 對設計質(zhì)量的要求也日益嚴格。 引入BIM 技術開展結構設計是一種趨勢， 該技術以信息模型構建為基礎，科學指導各單元設計工作，保證設計的連續(xù)性、科學性與系統(tǒng)性。

1 BIM 技術概述

BIM 技術是建立虛擬化三維立體模型， 模擬、直觀地呈現(xiàn)建筑工程實際情況[2]。其采用數(shù)字技術，助力模型構建， 其信息庫中包含了建筑物幾何信息、狀態(tài)信息等，并涉及了非構建性對象的真實狀態(tài)。 以BIM 技術構建三維立體模型，可集成性處理建筑工程相關信息，呈現(xiàn)出建筑工程的整個施工周期[3]。 可在三維立體模型中全面整合各信息，設計、施工、 運營的單位可利用BIM 開展協(xié)同管理活動，實現(xiàn)高效率工作，獲取最大化的經(jīng)濟效益。

2 BIM 技術特點

2.1 可視化

通常而言，在建筑結構設計流程方面，大多數(shù)結構設計方案會使用2D 平面設計軟件， 可全面呈現(xiàn)建筑結構主體方案情況，然而也有很多特殊部位構件的具體內(nèi)容、 空間位置等無法利用2D 平面圖紙實現(xiàn)清晰完整呈現(xiàn)。 引入BIM 技術后，在工程設計過程中可構建3D 立體結構的數(shù)學模型， 在模型中將充分整合建筑結構設計中各項參數(shù)與信息，并以空間領域的方式反映出來，確保結構中的內(nèi)容得到更好的表現(xiàn)。 在建筑整體設計中發(fā)揮BIM 技術的作用，確保了方案達到直觀、清晰等方面的要求，使后續(xù)施工獲得良好條件，確保施工質(zhì)量和效率都得到大幅度提升。

2.2 協(xié)調(diào)性

在應用BIM 技術時結合各項工程參數(shù)， 確保有力調(diào)控相關作業(yè)流程，提高部門間的協(xié)調(diào)性。將BIM技術應用到工程施工階段， 很多重要程序都可以模擬操作，特別是細節(jié)部分能采取模擬操作的方式。 在3D 立體數(shù)學模型生成后，也要制定科學合理的預算方案，遇到緊急狀況后也有應對措施，確保后期環(huán)節(jié)運行更加穩(wěn)定。

3 BIM 技術在建筑結構設計中的應用實例

3.1 工程概況

該建筑工程總面積為4 136 m2，且要求耐火等級為二級標準。 同時，該建筑上層結構八層，下層結構兩層，均為鋼筋混凝土框架結構。

3.2 BIM 技術應用流程

一是全面細致勘察工程現(xiàn)場情況， 充分掌握地質(zhì)、水文等方面的信息數(shù)據(jù)。

二是明確工程施工的各項規(guī)定、分項目標，主要涉及建筑使用壽命、 荷載水平以及施工內(nèi)容， 要在BIM 數(shù)據(jù)庫存儲上述數(shù)據(jù)。其中，荷載效應設計值計算如式（1）所示。

式中：SGik表示根據(jù)第j 個永久荷載標志值Gjk 計算的荷載效應值；SQik表示第i 個可變荷載標志值Qik 計算的荷載效應值；ΨCi表示第i 個可變荷載Qi的組合系數(shù)；m 表示參與組合的永久荷載數(shù)；n 表示參與組合的永久荷載數(shù)。

三是在項目建設中充分應用BIM 系統(tǒng)，做好分類與統(tǒng)計等工作，掌握各類構件設計內(nèi)容、建設投入以及工藝措施等，讓后續(xù)工程管控有良好條件。 四是借助Revit 軟件構建項目三維模型。 將BIM 技術應用到本工程項目中，主要技術流程如圖1 所示。

圖1 BIM 技術應用流程

3.3 構建結構模型

本項目采用鋼筋混凝土結構，結構設計中重難點是各構件的連接部位，在應用BIM 技術后，先全面細致分析所有結構設計的相關參數(shù)、一般特性等內(nèi)容，對所有構件進行連接設計后，執(zhí)行相關參數(shù)。在BIM 技術支持下形成項目的三維模型后， 還要不斷調(diào)整不同構件的設計參數(shù)，調(diào)整結束后需自動完成構件距離等更新，這樣才能為設計精度與效率提供可靠保障。

在項目結構設計過程中， 借助BIM 技術形成三維模型后，在Revit 軟件中生成建筑結構分析模型，全部構件連接部位都當作是一個節(jié)點，利用節(jié)點使構件之間可自動完成連接。對于模型的構建來說，需全面分析建筑工程的結構柱、結構板以及梁等因素，具體方法如下：①確定適合的樣板文件。②與項目BIM 模型完成連接。 ③形成軸網(wǎng)，同時確定標高等數(shù)據(jù)。④以上流程結束后，創(chuàng)建樣本文件、構件族等。⑤科學設計混凝土柱結構。⑥創(chuàng)建混凝土結構板。 ⑦全方位檢查模型的情況，要及時優(yōu)化改進存在的問題，形成模型后還要重視分析視圖顯示結果，最終獲得初步的模板圖。

在創(chuàng)建工程結構模型時，在標高相關數(shù)據(jù)上要達到科學性要求。 若調(diào)整一些構件，應該檢查并調(diào)整標高，防止發(fā)生標高差的現(xiàn)象。 軟件具備“族”的作用，然而也不能讓建筑結構設計各項規(guī)定都獲得滿足，對此創(chuàng)建與調(diào)整結構模型時，若創(chuàng)建異性構件，還需創(chuàng)建專門的族文件，其各項數(shù)據(jù)也要有明確的定義。 面對著日益增多的建筑工程量，族庫儲存的內(nèi)容將越來越多， 當初始模型創(chuàng)建結束后，很多時候易出現(xiàn)不能將建筑結構全部屬性包含在內(nèi)的情況。 對此需體現(xiàn)結構面板的功能，結合設計的規(guī)定對各項屬性、參數(shù)等進行明確的定義。

3.4 分析建筑結構

在分析建筑工程結構相關性能的過程中，引入BIM 技術后將發(fā)揮出巨大的作用。在對數(shù)字化模型進行創(chuàng)建后， 能保證模型結構更加穩(wěn)定。 在應用BIM 技術軟件的過程中，要將參數(shù)計算、結構設計效果分析等作用體現(xiàn)出來， 優(yōu)化調(diào)整結構設計方案，保證獲得更好的結構設計效果。 同時在建筑結構設計時應做好安全防控管理，利用專門的軟件分析結構設計方案，如Revit2016、ETABS2013 等。 應用這兩種軟件時，為數(shù)據(jù)通信的雙向鏈接創(chuàng)造了條件， 在軟件運行的期間能夠發(fā)揮出數(shù)據(jù)交互的功能。 完成對所有數(shù)據(jù)的準確計算后，能對建筑工程結構的安全性作出最終判斷。 分析建筑結構模型時，也可發(fā)揮出Revit2016 軟件的作用，確保各項設計數(shù)據(jù)信息能自動化生成。建筑三維模型內(nèi)包含了多個方面的構件。 要結合具體定義完成轉(zhuǎn)換，針對不能轉(zhuǎn)換的構件，要采取簡化處理的措施，最后完成相應的設計計算。

3.5 施工圖設計

將BIM 技術應用到建筑工程施工圖設計中，能獲得所需的三維效果圖。在細致分析建筑工程結構三維效果圖后， 相比于以往的二維設計方案，不僅在直觀性上更具優(yōu)勢，也為科學評估施工圖設計創(chuàng)造了條件，并保證施工圖設計更高效，降低相關資金的投入。 不僅如此，BIM 技術也能提供施工圖設計有關的數(shù)據(jù)，確保一些重要性指標設定更加科學，防止施工圖在設計中發(fā)生偏差。 在施工圖設計中應用BIM 技術，還可以優(yōu)化鋼筋參數(shù)配置，這需要利用結構軟件評估其效果。

基于該工程結構設計要求，混凝土材料選擇適宜C30，其變系數(shù)為2，墻高為20.10。 對于柱與梁結構，選擇使用HRB335 帶肋鋼筋，對于箍筋材料最好選擇HPB 光面鋼筋。在接下來的施工過程中，若需調(diào)整配筋方案，需計算、對比與調(diào)整理論配筋、實際配筋。在繪制施工圖時，最好創(chuàng)建共享參數(shù)，如此可使用Revit 軟件， 這樣參建各方均能共享數(shù)據(jù)。 這里，文件格式選擇.txt 格式，若需在Excel 中查看文件，最好復制共享文件，再把.CSV 列為文件后綴，這樣便可進行查看。

4 BIM 技術在建筑結構設計中的應用難點

4.1 成本高、系統(tǒng)不完善

當前BIM 技術在建筑行業(yè)應用非常廣泛，提高了建筑業(yè)發(fā)展的規(guī)?；蜆藴驶?。對建筑企業(yè)來說也增加了資金投入量，配置專門的軟件與協(xié)作平臺，這增加了很多中小型企業(yè)的負擔，特別是軟件購置和維護成本上。 國內(nèi)的BIM 技術也發(fā)展起步較晚， 企業(yè)在軟件的應用與開發(fā)上明顯不足，很多時候僅僅利用了其部分基礎功能。

4.2 與傳統(tǒng)設計方式的習慣不一

在建筑領域引入BIM 技術后可借助專門的設計軟件獲得模型， 這些模型基本上為三維視圖，對模塊參變量、系統(tǒng)參數(shù)等應用較多。 為與二維平面設計習慣保持一致，要改變模塊參變量、系統(tǒng)參數(shù)等， 設計中若是發(fā)生系統(tǒng)參數(shù)設置不合理等現(xiàn)象，將難以避免發(fā)生很多問題。

4.3 特殊結構模塊表達不理想

在以往建筑結構設計中采用幾何圖形繪制方法，不能獲得柱、梁等構件尺寸等數(shù)據(jù)信息，在BIM技術支持下提取對模型中的各項數(shù)據(jù)。 利用BIM技術對建筑設計模型進行繪制，需要全面收集并存儲構件相關信息數(shù)據(jù)， 打造成專門的建筑數(shù)據(jù)模型。 結構設計中也存在很多特殊結構模塊，其三維視圖、剖面視圖等無法獲得較好的施工效果，此時會采用原始設計方法解決問題。

4.4 對計算機的硬件性能要求高

應用BIM 技術構建的建筑模型往往會生產(chǎn)較大的文件，在三維圖像方面也要進行渲染，一般的計算機無法滿足BIM 軟件運行要求。 現(xiàn)在的建筑工程不僅復雜，工程量也更大，對計算機配置的要求變得越來越高。 對Revit 軟件來說可滿足CPU多核架構的計算機渲染，不僅達到了快速處理的要求，也為BIM 模型建立與渲染創(chuàng)造了有利條件。

5 結語

在建筑結構規(guī)劃設計中引入BIM 技術， 可提高設計效率與精準度，工程技術人員也可綜合分析相關問題，并升級、創(chuàng)新與優(yōu)化相關解決方案。 目前，在建筑結構設計中運用BIM 較為普遍，可為建筑行業(yè)創(chuàng)造最大化的經(jīng)濟效益，并有力促進了建筑行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。