BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用探索

袁美玲 張戈丹

盡管BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中推廣應(yīng)用尚存在一些障礙，但是可以預(yù)見在結(jié)構(gòu)設(shè)計中真正實(shí)施BIM設(shè)計，改變原來的以BIM翻模為主，而轉(zhuǎn)向采用BIM技術(shù)真正完成生產(chǎn)任務(wù)指日可待。

近幾年BIM技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展迅猛，各種BIM（建筑信息模型）軟件相繼出現(xiàn)。我們希望以市場上主流的三維設(shè)計軟件為基礎(chǔ)，對BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行探索，特別是探討如何利用BIM技術(shù)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)從建模到施工圖到數(shù)字化交付的全過程應(yīng)用。

越來越被重視的BIM設(shè)計

BIM設(shè)計的實(shí)質(zhì)是基于數(shù)字化技術(shù)的一種新型工作模式。BIM包含了建筑物在設(shè)計、建造和運(yùn)維階段所有相關(guān)的真實(shí)信息，不僅包括幾何信息，還包括非幾何屬性信息。其中，幾何信息反映了建筑模型內(nèi)部和外部空間結(jié)構(gòu)的三維幾何信息，通常通過參數(shù)化的三維建筑構(gòu)件組合來表示；非幾何信息是指除幾何信息之外的所有信息的集合，通常被保存在模型的參數(shù)屬性中，如建筑構(gòu)件的材料、重量、價格、進(jìn)度等，這也為建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、設(shè)備工程師、開發(fā)商，乃至最終用戶等各環(huán)節(jié)相關(guān)人員提供模擬和分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

從項目的規(guī)劃階段，BIM的數(shù)據(jù)庫就開始建立。隨著工程項目的逐步展開，信息將不斷豐富和完善。借助BIM系統(tǒng)，不同專業(yè)的設(shè)計人員、施工人員和運(yùn)維管理人員可以協(xié)同工作，隨時從中提取有用的資料，并實(shí)現(xiàn)一次建模不限次重復(fù)利用，從而避免重復(fù)勞動。BIM設(shè)計是實(shí)現(xiàn)建設(shè)項目全生命周期管理的關(guān)鍵，因?yàn)锽IM系統(tǒng)可以儲存項目全生命周期的所有物理屬性和功能信息，以便于業(yè)主和經(jīng)營者利用這些信息進(jìn)行建筑物管理與維護(hù)，乃至整個城市的管理維護(hù)。

近幾年，BIM技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域引起了高度的關(guān)注，在領(lǐng)域內(nèi)的推廣應(yīng)用也非常迅速，尤其在建筑行業(yè)。在國內(nèi)外的各大相關(guān)論壇或會議上，BIM技術(shù)被一次又一次提及。然而，在結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計中，各大設(shè)計院在采用BIM技術(shù)時或多或少都會遇到一些困難或問題。因此，很多設(shè)計院的BIM應(yīng)用還停留在翻模和輔助設(shè)計階段，真正實(shí)現(xiàn)全專業(yè)使用BIM技術(shù)來完成生產(chǎn)任務(wù)的設(shè)計院很少。采用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)從建模到施工圖出圖是結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)全面實(shí)施BIM應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問題。

阻礙BIM推廣應(yīng)用的三大因素

筆者在多年的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，阻礙我國BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域推廣應(yīng)用的因素主要有以下三個：

第一，效率問題還有待解決。BIM技術(shù)要在設(shè)計行業(yè)內(nèi)得到大力的發(fā)展，首要解決的問題是效率問題：只有效率得到顯著提高，才能吸引更多設(shè)計院加大對BIM設(shè)計的投入，而且只有行業(yè)內(nèi)的各大設(shè)計院都在積極推動，才能推進(jìn)BIM應(yīng)用的發(fā)展和成熟。效率能否得到提升，在一定程度上取決于BIM軟件能否助力設(shè)計人員快速地完成建模、出圖等操作，如支持快速、批量創(chuàng)建和編輯模型，同時賦予模型各種非幾何信息。然而，目前大部分BIM軟件還不能很好地達(dá)到這些目標(biāo)。能否通過改進(jìn)軟件自身或借助第三方軟件開發(fā)商的力量來解決這些最基本，也是亟待解決的問題，直接決定了以國外產(chǎn)品為主的BIM軟件本地化發(fā)展的成敗。

第二，BIM設(shè)計軟件與國內(nèi)結(jié)構(gòu)計算軟件之間的轉(zhuǎn)換不夠理想。BIM設(shè)計軟件和結(jié)構(gòu)計算軟件對于結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計來說都非常重要，兩者之間的配合與轉(zhuǎn)換在結(jié)構(gòu)專業(yè)中變得越來越重要。然而，目前BIM設(shè)計軟件與國內(nèi)結(jié)構(gòu)計算軟件尚不能實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)換，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計BIM發(fā)展需要解決的又一大問題。我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)BIM設(shè)計軟件中的構(gòu)件的幾何信息和非幾何信息在與結(jié)構(gòu)分析軟件的構(gòu)件能得到很好的轉(zhuǎn)換，而不希望在轉(zhuǎn)換的過程中丟失任何信息——只有實(shí)現(xiàn)了兩者之間的無縫轉(zhuǎn)換，BIM對結(jié)構(gòu)設(shè)計才有意義。

第三，本地化工作做得不夠完善。由BIM支持的三維設(shè)計不同于傳統(tǒng)設(shè)計之處，主要在于對模型信息的準(zhǔn)確、高效利用，其中包括幾何形體和非幾何屬性。幾何形體的一致性可以使施工圖繪制的構(gòu)件與所設(shè)計的構(gòu)件表達(dá)一致，非幾何屬性的一致性可使圖紙標(biāo)記的信息與構(gòu)件的屬性一致，避免出現(xiàn)因?yàn)樵O(shè)計過程中進(jìn)行頻繁修改而導(dǎo)致模型和圖紙信息不一致的情況。然而在實(shí)際制圖過程中，需要考慮本地化的繪圖習(xí)慣和制圖標(biāo)準(zhǔn)，因此需要定制大量滿足國內(nèi)制圖要求的符號化構(gòu)件。在符號化構(gòu)件庫齊備的情況下，可大幅提高施工圖繪制效率，且準(zhǔn)確性得以保障。

成功案例的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

BIM應(yīng)用前景廣闊，但是結(jié)構(gòu)專業(yè)在BIM應(yīng)用過程中遇到了諸多的限制或阻礙。如果能夠克服這些困難，BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面將大有作為。

北京市建筑設(shè)計研究院有限公司就在采用BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計方面取得了不錯的成效。目前北京市建筑設(shè)計研究院有限公司使用的BIM管理平臺是Bentley ProjectWise（簡稱PW）。

PW是專業(yè)的協(xié)同管理平臺，涵蓋相對嚴(yán)謹(jǐn)和完善的管理體系，而協(xié)同設(shè)計是BIM設(shè)計中的重要組成部分，協(xié)同的效率直接影響了設(shè)計工作的效率。為了更好地應(yīng)用PW，北京市建筑設(shè)計研究院有限公司設(shè)置了專門的PW管理員。北京市建筑設(shè)計研究院有限公司將所有設(shè)計工作信息都存儲在服務(wù)器中，工程師通過PW平臺來訪問服務(wù)器，同時通過PW管理員賦予不同設(shè)計人員的不同權(quán)限。文件的權(quán)限設(shè)置是PW管理的一項重要工作，權(quán)限設(shè)置得是否分明、合理，直接決定了PW管理是否有序、有效。

相關(guān)人員對服務(wù)器上的文件進(jìn)行每一次修改，PW平臺都有相應(yīng)的記錄，這樣在方便文件管理的同時，也記錄了各專業(yè)間的提資，這使得設(shè)計過程的提資記錄變得非常完整，并且有跡可循。這個管理平臺不僅可以授權(quán)設(shè)計師訪問，管理員還可以給予項目的施工工程師和業(yè)主不同權(quán)限，這樣業(yè)主也可以在外地進(jìn)行文件的訪問，方便設(shè)計院和業(yè)主之間的溝通，能真正實(shí)現(xiàn)從設(shè)計到施工的全方位的協(xié)同。PW服務(wù)器的穩(wěn)定運(yùn)行是設(shè)計工作的保障，只有管理平臺正常有序的運(yùn)行，才能保證設(shè)計工作的流暢性。

采用BIM設(shè)計不只是單純地創(chuàng)建一個三維模型，更重要的是有效管理模型中的信息。結(jié)構(gòu)模型信息可分為幾何信息和非幾何信息。幾何信息是存在于模型中的實(shí)體信息，可以直接被看到和編輯，如結(jié)構(gòu)柱、梁、板、基礎(chǔ)等構(gòu)件的信息；非幾何信息是賦予這些構(gòu)件的參數(shù)信息，如構(gòu)件的截面尺寸、注釋和配筋等信息。幾何信息（結(jié)構(gòu)構(gòu)件）創(chuàng)建是BIM設(shè)計的基礎(chǔ)，在這基礎(chǔ)上才能完成非幾何信息的創(chuàng)建。而非幾何信息對于BIM信息模型在后期運(yùn)維至關(guān)重要，因此在模型的創(chuàng)建過程中工程師們就需要將非幾何信息全部賦予各個構(gòu)件。

在接收建筑條件后，首先應(yīng)據(jù)此建立結(jié)構(gòu)模型，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)成結(jié)構(gòu)模型；然后進(jìn)入結(jié)構(gòu)計算階段，通過計算完善結(jié)構(gòu)模型。計算是結(jié)構(gòu)專業(yè)非常重要的一環(huán)，如果計算模型與BIM模型脫節(jié)，那么BIM在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的價值就會大打折扣。

向BIM設(shè)計發(fā)展

BIM技術(shù)的應(yīng)用是設(shè)計行業(yè)的又一次變革，BIM技術(shù)對于設(shè)計的全生命周期管理將起到舉足輕重的作用。BIM技術(shù)貫穿于從設(shè)計到施工，再到后期運(yùn)維的項目整個全生命周期，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來挑戰(zhàn)，同時也帶來了新的工作模式。盡管現(xiàn)在BIM設(shè)計軟件還不盡如人意，但隨著軟件的逐步完善和本地化程度的提升，相信由BIM支撐的三維設(shè)計會像二維設(shè)計一樣逐步完善和成熟，其優(yōu)勢會在未來幾年內(nèi)得到明顯體現(xiàn)。

通過BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用探索，我們可以發(fā)現(xiàn)目前BIM技術(shù)能基本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計需求。雖然在應(yīng)用過程中還面臨諸多困難，尤其在施工圖表達(dá)上，但通過我們的努力，基本能實(shí)現(xiàn)從建模到施工圖出圖的整個過程的BIM設(shè)計。

第三方軟件的開發(fā)商積極參與BIM軟件的本地化開發(fā)，在一定程度上加快了我國BIM的發(fā)展步伐。作為國內(nèi)主流的結(jié)構(gòu)計算軟件，PKPM的供應(yīng)商建研科技在努力打通PKPM與市面上主流的三維設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)壁壘。目前PKPM也正在嘗試通過ISM和Bentley的三維設(shè)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。Bentley的ISM是專為結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計的交互模式，可實(shí)現(xiàn)PW與結(jié)構(gòu)軟件間的雙向協(xié)同。

由此可以預(yù)見，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中真正實(shí)施BIM設(shè)計指日可待，改變原來的以BIM翻模為主，而轉(zhuǎn)向采用BIM技術(shù)真正完成生產(chǎn)任務(wù)。只有從初步設(shè)計到施工圖設(shè)計的全過程采用BIM設(shè)計，BIM才能起到控制成本，簡化、優(yōu)化后期運(yùn)維的價值。