基于BIM的全過程結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

焦 柯 楊遠豐 周凱旋 陳劍佳 楊 新

(1.廣東省建筑設(shè)計研究院，廣州 510010； 2.廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院，廣州 510006)

基于BIM的全過程結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

焦 柯1楊遠豐1周凱旋2陳劍佳1楊 新1

(1.廣東省建筑設(shè)計研究院，廣州 510010； 2.廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院，廣州 510006)

從傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計向三維參數(shù)化設(shè)計轉(zhuǎn)型中，建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)遇到了較大的阻礙，其中主要是結(jié)構(gòu)BIM全過程設(shè)計的效率問題和工作流程問題。本文針對這兩個問題開展了深入研究和大量的插件開發(fā)，有效提升了BIM建模效率，同時解決了Revit平臺下的專業(yè)協(xié)同方式問題，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)BIM的全過程設(shè)計。

結(jié)構(gòu)專業(yè)；BIM；Revit；協(xié)同設(shè)計

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2015.05.01

1 引言

BIM的推廣應(yīng)用是不可逆轉(zhuǎn)的時代潮流，結(jié)構(gòu)專業(yè)作為建筑設(shè)計的重要支柱，同時又是建筑行業(yè)的上游專業(yè)，應(yīng)率先完成BIM的過渡，使其信息參數(shù)化、三維可視化、信息管理化[1]。但轉(zhuǎn)型過程中遇到了不少的阻礙，其中主要為效率問題和工作流程問題。這兩大問題大大降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的工作熱情，使得結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用遠遠落后于建筑專業(yè)和設(shè)備專業(yè)。為加快結(jié)構(gòu)專業(yè)從傳統(tǒng)CAD向BIM的轉(zhuǎn)型，本文進行了結(jié)構(gòu)BIM專項研究及實踐應(yīng)用，通過對結(jié)構(gòu)BIM全過程設(shè)計方法研究和大量的插件開發(fā)，有效提升了BIM建模及設(shè)計出圖效率，同時解決了Revit平臺下的專業(yè)協(xié)同問題。

2 結(jié)構(gòu)BIM的必要性

Revit中建立的BIM模型和傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)二維施工圖有著本質(zhì)的不同。

(1)傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)施工圖缺失高度方向數(shù)據(jù)，難以進行空間表達，設(shè)計人員只能通過空間想象還原模型。正因如此，對于復雜建筑而言，傳統(tǒng)方法容易造成大量的錯漏，對整個工程進度及建造質(zhì)量帶來了極大的影響。

而Revit模型，由于其具有三維可視化、顏色區(qū)分化的特點，可進行“可視化管理”。通過切換預設(shè)的視圖樣板，可針對性地對模型進行三維檢查。如此可有效發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，大大提高了同專業(yè)和多專業(yè)間校對效率，明顯提高出圖質(zhì)量。

(2)傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)施工圖的信息具有隨意性和缺失性，導致了其不能有效地向下游軟件傳輸結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)。這不僅造成了大量的重復工作，而且無法進行后期的建筑參數(shù)化管理。

而Revit結(jié)構(gòu)模型則是個有效的參數(shù)化信息載體，其數(shù)據(jù)信息可供下游軟件讀取使用。因而從提升整個建造環(huán)節(jié)的工作效率和建筑全生命周期管理考慮，結(jié)構(gòu)BIM的應(yīng)用意義重大。

可見，無論從提高設(shè)計質(zhì)量，控制建造進度考慮，還是從建筑的全生命周期的管理考慮，結(jié)構(gòu)BIM的應(yīng)用都有無法替代的優(yōu)勢。

3 工作效率問題

Revit平臺下的工作效率問題一直被結(jié)構(gòu)工程師所詬病。原因主要有以下三個方面：

(1)Revit平臺改變了傳統(tǒng)的二維繪圖方式，轉(zhuǎn)型階段工作方式的改變導致了效率的降低，使一部分工程師難以接受。

(2)未經(jīng)深化設(shè)置的Revit平臺，存在各種線型問題、表達問題，操作簡易程度問題等，其創(chuàng)建的模型難以用于出圖。這導致設(shè)計人員仍需進行二維施工圖繪制，無形中增加了設(shè)計人員的工作量。

(3)BIM模型沒有被有效利用。視圖樣板的設(shè)置、插件的二次開發(fā)可有效地提升三維模型的可視化效果和工作效率，大大減少出錯幾率，縮減設(shè)計周期。這也是Revit模型的核心，即結(jié)構(gòu)BIM模型的有效管理問題。

3.1 工作方式的效率問題

研究發(fā)現(xiàn)，解決第一方面的問題并不難。Revit中雖為三維建模，但一般仍在二維下的工作平面工作，建模方式與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)軟件建模方式類似。而稍有區(qū)別的內(nèi)容都可在Revit中找到替代品，如標準層在Revit中則可用“組”來替代[2][3]。

真正存在工作阻礙的是部分構(gòu)件的建模問題，如結(jié)構(gòu)模型的坡屋面建模、樁基礎(chǔ)建模。

經(jīng)過大量的嘗試，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)類型的坡屋面，可以借助建筑類型的坡屋面來進行輔助創(chuàng)建，從而實現(xiàn)快速使用“結(jié)構(gòu)板族”來進行坡屋面建模。而“結(jié)構(gòu)板族”創(chuàng)建的坡屋面可以在其上添加大量的類型參數(shù)，從而使其成為有效的信息載體[4]。

研究同時發(fā)現(xiàn)，可以在Revit中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)樁體，而且Revit中創(chuàng)建的樁體只需進行一定的“族類別”處理，即可實現(xiàn)柱端自動附著持力層，自動計算樁長的功能。其方法為將承臺族的族類別更改為“常規(guī)模型”族類別，如此即可在承臺底部布置“結(jié)構(gòu)柱”類別的樁體。而持力層則以樓板族替代，在各個勘察孔位置添加樓板的控制點，從而實現(xiàn)持力層的折面繪制。注意到“結(jié)構(gòu)柱族”的構(gòu)件可以自動附著至“結(jié)構(gòu)樓板族”構(gòu)件，利用底部附著功能和偏移功能即可實現(xiàn)樁體自動深入持力層相應(yīng)深度，滿足相應(yīng)規(guī)范要求[5]。

可見，工作方式轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的建模效率問題，只需稍加變通即可解決。

3.2 施工圖繪制問題

Revit平臺下的結(jié)構(gòu)施工圖繪制，一直為困擾結(jié)構(gòu)BIM工程師的大問題。一是Revit平臺下施工圖的注釋效率不高，同時要實現(xiàn)注釋與構(gòu)件信息的參數(shù)化聯(lián)動需要大量的前期族準備和規(guī)定；二是線型問題，由于Revit中的每根線都與構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，不能像CAD那樣任意更改和刪除，故難以滿足千變?nèi)f化的施工圖要求；三是大樣圖繪制問題。

(1)施工圖標注注釋問題

研究發(fā)現(xiàn)，解決施工圖平法注釋效率和參數(shù)化聯(lián)動問題并不困難。只需在建模前創(chuàng)建好用“共享參數(shù)”關(guān)聯(lián)好的構(gòu)件族和標注族，并在建模時使用該族進行模型創(chuàng)建和構(gòu)件標注即可實現(xiàn)平法標注與構(gòu)件內(nèi)部參數(shù)的關(guān)聯(lián)，從而在標注族中進行配筋輸入即可實現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部信息的同步輸入。

操作“創(chuàng)建類似”(快捷鍵CS)的命令即可實現(xiàn)標注的復制和構(gòu)件附著，雙擊標注族即可輸入配筋信息。這與目前傳統(tǒng)的施工圖繪制方法幾乎完全一致，不存在任何工作方法的改變問題。

此外，為了加快輸入的速度，可開發(fā)專門用于配筋輸入的插件，見圖 1和圖 2所示。

圖1 插件功能面板

圖2 配筋輸入插件界面

通過預制好的族和插件，可以快速地實現(xiàn)施工圖配筋的標注輸入。故施工圖標注效率問題和參數(shù)化信息輸入效率問題可以得到有效地解決。

此外，施工圖標注時，大量的標注信息會導致標注的重疊，為減少標注位置的調(diào)整，研發(fā)了Revit平臺下的標注避讓插件，見圖3。其避讓效果見圖4和圖5所示。

圖3 標注避讓插件

圖4 避讓前效果

圖5 自動避讓后效果

(2)施工圖線型效果問題

施工圖線型問題中，最常見的為梁中部的樓板線問題。由于傳統(tǒng)施工圖不需繪制各板跨的樓板輪廓，故梁中線不存在該線。而Revit則不能隱藏該線，又不能刪除該樓板。故該問題一直為影響出圖質(zhì)量的一個問題。

研究發(fā)現(xiàn)，使用Revit的“連接”命令將相鄰樓板進行連接即可消除該線。而對于相鄰樓板標高不一致的情況，只需將樓板和梁的材質(zhì)設(shè)置為一致，再通過連接命令，刷新圖面顯示即可消除。

為了解決手工連接的效率問題，開發(fā)了“批量連接”命令以解決該問題，插件如圖 6、圖 7。

圖6 插件功能面板

圖7 插件設(shè)置界面

(3)施工大樣圖問題

大樣圖的繪制一直為Revit平臺下工作的一個難點。雖然Revit中有強大的剖切功能，但其剖切出來的效果難以達到施工圖出圖的標準。較為折衷的做法為采用Revit的剖切圖作為模板圖，導出CAD后再進行深化處理。但該方法涉及到多平臺的轉(zhuǎn)換，且與BIM的理念不符。為了在Revit平臺下實現(xiàn)結(jié)構(gòu)全過程的設(shè)計，本文研發(fā)了Revit平臺的大樣圖繪制工具。該插件提供了快速創(chuàng)建大樣輪廓并標注尺寸、創(chuàng)建點鋼筋、拉筋、箍筋等功能，能幫助設(shè)計人員在Revit平臺下快速繪制大樣圖，避免在Revit與AutoCAD之間反復導圖。其插件功能見圖 8，節(jié)點大樣示意見圖 9。

圖8 節(jié)點大樣插件

圖9 節(jié)點大樣示意

3.3 結(jié)構(gòu)BIM模型的利用

結(jié)構(gòu)Revit模型的利用程度，決定了工作的效率。通過創(chuàng)建不同的視圖樣板來實現(xiàn)顯示效果的快速切換，可使構(gòu)件間關(guān)系清晰地以二維或三維形式進行顯示，方便建模和校核。

本課題創(chuàng)建的視圖樣板包括：施工圖樣板、建模樣板、結(jié)構(gòu)專業(yè)校核樣板、多專業(yè)校核樣板等。

如圖 10，結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)校審視圖樣板將不同類型的柱以不同的顏色進行顯示。

如圖 11，多專業(yè)校核視圖樣板將建筑部分內(nèi)容以半透明的形式顯示，同時高亮結(jié)構(gòu)構(gòu)件，方便校對結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否滿足建筑要求。

如圖 12，建模視圖樣板以不同的顏色區(qū)分梁、柱、板構(gòu)件和上下層構(gòu)件，樓板以不同的顏色區(qū)分其厚度，方便進行建模檢查，減少出錯概率。

如圖 13，施工圖視圖樣板將所有的構(gòu)件顏色調(diào)整為黑白，方便觀看打印效果，同時對構(gòu)件線型進行深化設(shè)置，確保線型粗細能滿足出圖要求[6]。

設(shè)計人員可以根據(jù)需求選用合適的樣板快速進入相關(guān)工作。

圖10 結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)校核視圖樣板效果

圖11 多專業(yè)校核視圖樣板效果

圖12 建模視圖樣板效果

在結(jié)構(gòu)校審時，校審人員往往需要對有特殊變化的柱進行詳細的審核。為了提升校審速度，編制了相應(yīng)的插件，可對梁上柱、墻上柱、收分柱、偏位柱、孤柱和底層柱進行高亮顏色區(qū)分。插件參數(shù)設(shè)置界面及效果分別見圖 14、圖 15所示。

4 協(xié)同工作流程問題

協(xié)同工作是設(shè)計人員日常的工作常態(tài)。但結(jié)構(gòu)設(shè)計人員從傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計過渡到三維BIM設(shè)計時往往都會有協(xié)同方法和工作流程方面上的疑慮，不清楚BIM下的設(shè)計工作應(yīng)如何安排，流程應(yīng)如何制定，如何才能發(fā)揮出BIM的作用，縮短整個設(shè)計周期。這些問題如不能有效解決，也會成為結(jié)構(gòu)BIM推廣道路上的絆腳石。

為了解決該問題，本文對Revit平臺下的協(xié)同方式和多專業(yè)間的協(xié)同流程進行研究和探討。

4.1 Revit協(xié)同方式的優(yōu)選

Revit提供了兩種協(xié)同方式，分別為基于工作集的協(xié)同方式和基于鏈接的協(xié)同方式。這兩種方式的優(yōu)缺點見表 1。

基于以上的優(yōu)缺點分析和實際工程的協(xié)同嘗試，我們總結(jié)出了大量的實操注意事項。同時，研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)協(xié)同時，由于同專業(yè)人員一般會在同一個部門，其工作方式較為容易統(tǒng)一，方便創(chuàng)建統(tǒng)一的服務(wù)器，且單專業(yè)的模型信息規(guī)模相對多專業(yè)而言要小很多，使用工作集方式進行同步更新時能獲得較好的工作效率。故一般情況下，結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)的協(xié)同宜優(yōu)先選擇基于工作集的方式。

圖13 施工圖視圖樣板效果

而多專業(yè)間進行協(xié)同對比時，由于一般要采用不同的工作模板文件，更新時一般只需單向更新即可，且多專業(yè)文件匯集時模型較大，故不適宜采用工作集的協(xié)同方式，改用穩(wěn)定性更高，權(quán)限管理更為簡單的鏈接形式更為適宜。

圖14 插件設(shè)置界面

圖15 高亮顯示效果

4.2 結(jié)構(gòu)與其他專業(yè)的協(xié)同流程

結(jié)構(gòu)專業(yè)與其他專業(yè)的協(xié)同流程宜根據(jù)不同的工作階段進行選定。

可根據(jù)生產(chǎn)需求及實際工作能力針對不同的設(shè)計階段制定不同的協(xié)同流程方式。

表1 工作集與鏈接協(xié)同的優(yōu)缺點

(1)方案階段流程

方案階段結(jié)構(gòu)專業(yè)一般不需要出圖，一般僅作為“顧問”的角色予以配合，比如確定大致柱網(wǎng)和剪力墻位置。故該階段，結(jié)構(gòu)專業(yè)一般不需要提供精確的BIM模型。對于機場、體育館等大跨度復雜結(jié)構(gòu)，在協(xié)同流程中宜通過相應(yīng)的插件將結(jié)構(gòu)軟件中的模型導出到Revit平臺，供建筑方案進行提資即可。故方案階段的協(xié)同流程如圖 16。

圖16 方案階段協(xié)同流程

(2)初設(shè)階段流程

初設(shè)階段結(jié)構(gòu)專業(yè)需要根據(jù)建筑方案，進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置，方案比選，確定截面并繪制結(jié)構(gòu)平面圖。因此需要結(jié)構(gòu)專業(yè)和建筑專業(yè)進行多次的交付修改工作，故其流程宜按圖17進行。

圖17 初設(shè)階段協(xié)同流程

(3)施工圖階段

施工圖階段由于涉及大量精確圖形繪制和標注，以及多重的相互提資工作，導致其協(xié)同流程十分復雜，宜根據(jù)不同的需求確定協(xié)同流程。圖 18和圖 19是根據(jù)我院的實際情況，研究制定的兩種較為可行的協(xié)同流程方案。這兩種協(xié)同流程方案的優(yōu)缺點分析見表 2所示。

圖18 施工圖協(xié)同流程方案一

圖19 施工圖協(xié)同流程方案二

方案一優(yōu)點1)沿用目前的設(shè)計流程，結(jié)構(gòu)工程師容易適應(yīng)；2)結(jié)構(gòu)模型的方案修改完全在結(jié)構(gòu)計算軟件中進行，能避免Revit結(jié)構(gòu)模型的反復修改的問題。缺點1)建筑專業(yè)無法及時獲取Revit結(jié)構(gòu)模型；2)沒有改變傳統(tǒng)的專業(yè)間協(xié)同方法，沒發(fā)揮Revit協(xié)同的優(yōu)勢。方案二優(yōu)點1)建筑專業(yè)可以及時提取Revit結(jié)構(gòu)模型；2)結(jié)構(gòu)專業(yè)可以在Revit中實現(xiàn)與其他專業(yè)的協(xié)同修改；3)適用于模型局部需要反復修改的項目。缺點1)需要專門安排人員進行Revit結(jié)構(gòu)模型與計算模型的修改更新工作；2)Revit結(jié)構(gòu)模型的修改信息反饋給計算模型進行修改是通過“襯圖”的功能實現(xiàn)，目前只有YJK擁有該功能，PKPM和廣廈修改起來會較為麻煩。

設(shè)計工作組可以根據(jù)實際的工作狀況選用合適流程開展工作即可。

5 總結(jié)

本文對結(jié)構(gòu)BIM全過程設(shè)計方法研究，是根據(jù)實際工作需要，為加快結(jié)構(gòu)專業(yè)的BIM轉(zhuǎn)型而開展的。對阻礙結(jié)構(gòu)BIM推廣的設(shè)計效率問題和工作流程問題展開了深入的研究。本文通過制定不同需求的工作模板和進行大量的插件開發(fā)，從而有效地提升了結(jié)構(gòu)專業(yè)在Revit平臺下的工作效率。此外，本文以不同的項目為試驗對象，制定出了不同設(shè)計階段、不同需求下的結(jié)構(gòu)BIM工作流程。通過本文研究大大降低了在結(jié)構(gòu)專業(yè)推廣BIM技術(shù)的門檻，為BIM技術(shù)在全專業(yè)應(yīng)用上掃清了障礙。

[1]劉濟瑀. 勇敢走向 BIM2.0[M]. 第1版. 中國建筑工業(yè)出版社, 2015年3月.

[2]歐特克公司.Autodesk Revit 2014幫助文檔,2014

[3]何波. Revit與Navisworks實用疑難200問[M]. 第1版. 中國建筑工業(yè)出版社, 2015年4月.

[4]周凱旋. 基于Revit平臺的結(jié)構(gòu)專業(yè)快速建模關(guān)鍵技術(shù)[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2015,7(4):24-30.

[5]GB50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[6]GDA0001-2009,建筑工程CAD制圖標準-廣東省建筑設(shè)計研究院標準[S].廣東省建筑設(shè)計研究院,2009.

Research on Whole Process Structure Design based on BIM Technology

Jiao Ke1,Yang Yuanfeng1, Zhou Kaixuan2,Chen Jianjia1,Yang Xin1

(1.ArchitecturalDesignandResearchInstituteofGuangdongProvince,Guangzhou510010,China； 2.FacultyofCivilandTransportationEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)

Due to low efficiency and unreasonable work flow in BIM practice, civil engineers encounter difficulties during the transformation from traditional 2D design to 3D parametric design. This paper conducts an in-depth research on these two problems, finds out solutions and works out a lot of assisted plugins, which increases the efficiency of building BIM model, solves the cooperation problem of multi-specialty under Revit platform, and finally realizes the whole process design of BIM.

Civil Engineering; BIM; Revit; Cooperative Design

焦柯(1968-)，男，教授級高工。主要從事復雜結(jié)構(gòu)計算分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件研發(fā)工作。

TU17；TU318

A

1674-7461(2015)05-0001-07