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

文｜袁美玲 張弋丹

BIM技術(shù)實(shí)質(zhì)上是基于數(shù)字化技術(shù)的一種新型“工作模式”。BIM包含了建筑物在項(xiàng)目建設(shè)周期中的所有相關(guān)真實(shí)信息，不僅包括幾何信息（幾何信息反映了建筑模型內(nèi)部和外部空間結(jié)構(gòu)的三維幾何表示，通常通過參數(shù)化的三維建筑構(gòu)件組合來實(shí)現(xiàn)），還包括非幾何屬性信息（非幾何信息是指除幾何信息之外的所有信息集合，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(jià)格、進(jìn)度等，同時(shí)還為建筑師、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)人員提供“模擬和分析”的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。從項(xiàng)目的規(guī)劃階段“數(shù)據(jù)庫”就開始建立，隨著工程項(xiàng)目的展開，信息和數(shù)據(jù)將不斷豐富和完善。不同專業(yè)的設(shè)計(jì)人員、施工人員以及運(yùn)維管理人員可以協(xié)同工作，隨時(shí)從中提取有用的資料并實(shí)現(xiàn)一次建模無限次充實(shí)并利用，從而避免重復(fù)工作。BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期管理的關(guān)鍵，能夠儲(chǔ)存項(xiàng)目全生命周期的所有物理屬性和功能指征，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(gè)城市的管理維護(hù)。

圖1

近幾年，BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)行業(yè)引起了高度的關(guān)注，同時(shí)在行業(yè)內(nèi)的發(fā)展也非常迅速，尤其在建筑專業(yè)最為明顯。在國內(nèi)外的各大BIM論壇會(huì)議上，BIM技術(shù)一次又一次的被提及，然而，在結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，各大設(shè)計(jì)院都或多或少的存在困難或問題。因此，很多設(shè)計(jì)院的BIM設(shè)計(jì)還停留在翻模以及輔助設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)全專業(yè)使用BIM設(shè)計(jì)來完成生產(chǎn)任務(wù)的設(shè)計(jì)院很少。因此，實(shí)現(xiàn)從建模到施工圖出圖是BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵問題。

協(xié)同環(huán)境及工作流程

圖2

工作平臺(tái)介紹。目前北京市建筑設(shè)計(jì)研究院使用的工作管理平臺(tái)是Bentley ProjectWise(簡稱PW)，PW是專業(yè)的協(xié)同管理平臺(tái)，具有相對嚴(yán)謹(jǐn)和完善的管理體系，因此需設(shè)置專門的PW管理員。所有的設(shè)計(jì)工作都存儲(chǔ)在服務(wù)器中，工程師通過PW平臺(tái)來訪問服務(wù)器，同時(shí)通過PW管理員賦予不同設(shè)計(jì)人員的不同權(quán)限。文件的權(quán)限設(shè)置是PW管理的一項(xiàng)重要工作，權(quán)限設(shè)置的是否分明直接決定了管理是否有序和有效。文件的每一次修改，PW平臺(tái)都有相應(yīng)的記錄，這樣方便文件的管理，同時(shí)各專業(yè)間的提資也有記錄，這使得設(shè)計(jì)過程的提資記錄變得完整，并且有跡可循。這個(gè)管理平臺(tái)不僅可以使設(shè)計(jì)師訪問，管理員也可以給予項(xiàng)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(jì)院和業(yè)主之間的溝通，能真正實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到施工的全方位的協(xié)同。PW服務(wù)器的維護(hù)是設(shè)計(jì)工作的保障，只有管理平臺(tái)正常有序的運(yùn)行，才能保證設(shè)計(jì)工作的流暢性。

協(xié)同工作流程。為方便各專業(yè)協(xié)同、高效、安全的進(jìn)行，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院采用的協(xié)同工作流程如圖1所示。結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)工作流程如圖2所示。

結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建

模型信息分類。BIM設(shè)計(jì)不單純是創(chuàng)建一個(gè)三維模型，其重點(diǎn)是模型中的“信息”，結(jié)構(gòu)模型信息分為：幾何信息和非幾何信息。幾何信息是存在模型中的實(shí)體，可以直接看到和編輯，如結(jié)構(gòu)柱、梁、板、基礎(chǔ)等構(gòu)件；非幾何信息是賦予這些構(gòu)件的參數(shù)，如構(gòu)件的截面尺寸、注釋、及配筋信息等。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)建過程中工程師們需要將非幾何信息全部賦予構(gòu)件。

幾何信息創(chuàng)建。幾何信息（結(jié)構(gòu)構(gòu)件）創(chuàng)建是BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在這基礎(chǔ)上才能完成非幾何信息的創(chuàng)建，其中軸網(wǎng)也屬于幾何信息。

圖3 結(jié)構(gòu)模型交互圖示

圖4 基礎(chǔ)施工圖

圖5 墻、柱施工圖

圖6 梁、板施工圖

非幾何信息創(chuàng)建。在創(chuàng)建幾何信息的同時(shí)，非幾何信息也應(yīng)賦予相關(guān)構(gòu)件。非幾何信息的詳細(xì)程度取決于建模深度，同時(shí)這也決定了工作量的大小，有些參數(shù)是需要在構(gòu)件創(chuàng)建的過程中賦予。

結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)交互

模型與分析軟件間配合。在接收建筑條件后，首先建立或轉(zhuǎn)成結(jié)構(gòu)模型，然后進(jìn)入結(jié)構(gòu)計(jì)算階段，通過計(jì)算后，再完善結(jié)構(gòu)模型。計(jì)算作為結(jié)構(gòu)專業(yè)非常重要的一環(huán)，如果計(jì)算模型與BIM模型脫節(jié)，那實(shí)在是BIM在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的一大遺憾。

作為國內(nèi)主流結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，PKPM在努力打通與市面上主流的三維設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)壁壘。目前PKPM也正在嘗試通過ISM和Bentley系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。Bentley系統(tǒng)的ISM是專為結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)的交互模式，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)軟件間的雙向協(xié)同，如圖3所示。

結(jié)構(gòu)施工圖繪制

三維設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)之處就在于模型信息準(zhǔn)確和高效的利用，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(jì)的構(gòu)件表達(dá)一致，非幾何屬性的一致會(huì)使圖面中標(biāo)記的信息與構(gòu)件的屬性一致，避免設(shè)計(jì)過程中頻繁的修改而導(dǎo)致模型和繪圖不一致的情況。

然而在實(shí)際制圖過程中，需要考慮本地化繪圖習(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(hào)化構(gòu)件。在符號(hào)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。如圖4~6所示。

節(jié)點(diǎn)詳圖。對于節(jié)點(diǎn)鋼筋的繪制可以通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)，一是在剖面內(nèi)通過繪制三維實(shí)體鋼筋來實(shí)現(xiàn)；二是通過二維線型表示鋼筋來實(shí)現(xiàn)。其中方法二是為了滿足施工圖出圖而進(jìn)行的二維處理方法。三維設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)的表達(dá)方式更為準(zhǔn)確和直觀，在二維的詳圖中附加詳圖的局部三維視圖，這樣可以清楚的表達(dá)詳圖，減少施工過程中的出錯(cuò)幾率。如圖7、8所示。

圖7 三維實(shí)體鋼筋繪制

圖8 通過參數(shù)化符號(hào)表達(dá)二維鋼筋

結(jié)構(gòu)專業(yè)對BIM的期待

BIM的前景一定很廣闊，結(jié)構(gòu)專業(yè)在BIM技術(shù)的應(yīng)用上遇到了諸多的限制條件和阻礙，因此，對BIM技術(shù)我們還有諸多期待。

快速建模。BIM技術(shù)要能在設(shè)計(jì)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，只有效率的提高才能吸引更多的設(shè)計(jì)院對BIM設(shè)計(jì)的大力投入，也只有行業(yè)內(nèi)的各大設(shè)計(jì)院都能來推動(dòng)BIM的發(fā)展，才能使得BIM的發(fā)展更加的快速和有效。效率在一定程度上取決于BIM軟件能否快速的實(shí)現(xiàn)快速建模、出圖等操作。如能實(shí)現(xiàn)快速批量創(chuàng)建和編輯模型，同時(shí)能快速賦予模型非幾何信息，這些都是目前軟件本身不能很好的實(shí)現(xiàn)。通過軟件自身的改進(jìn)和第三方軟件開發(fā)商來解決這些最基本、也是最需要解決的問題直接決定了軟件的本地化程度。

結(jié)構(gòu)計(jì)算。結(jié)構(gòu)計(jì)算是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的部 分，目前BIM設(shè)計(jì)軟件與國內(nèi)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的配合都不能完美的轉(zhuǎn)換。我們希望能實(shí)現(xiàn)的是BIM設(shè)計(jì)軟件中構(gòu)件的幾何信息和非幾何信息在與結(jié)構(gòu)分析軟件的轉(zhuǎn)換中都能得到很好的轉(zhuǎn)換，不希望在轉(zhuǎn)換的過程中丟失任何信息，只有無縫轉(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才有意義，這也是未來BIM設(shè)計(jì)中需要解決的又一大問題。

BIM技術(shù)是設(shè)計(jì)行業(yè)的又一次變革，同時(shí)在設(shè)計(jì)行業(yè)全生命周期中作用是不言而喻的。它是貫穿于設(shè)計(jì)、施工和后期運(yùn)維整個(gè)全生命周期，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)，同時(shí)也給予了另一種工作模式。縱然各種BIM設(shè)計(jì)軟件存在著一定缺陷，但隨著軟件的逐步完善和本地化程度的提升，相信三維設(shè)計(jì)會(huì)像二維設(shè)計(jì)一樣完善和成熟，其優(yōu)勢在未來幾年一定會(huì)有明顯的體現(xiàn)。

通過以BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索，我們可以發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)目前能基本實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的要求。雖然存在著諸多困難，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(gè)過程，而且在施工圖的繪制過程中某些編輯要比二維設(shè)計(jì)中更加方便，比如：板平法鋼筋的繪制。第三方軟件的開發(fā)也能一定程度上加大BIM的發(fā)展力度。結(jié)構(gòu)專業(yè)如能解決上述困難，則全行業(yè)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)真正實(shí)施BIM設(shè)計(jì)指日可待，這也是從BIM翻模到BIM技術(shù)真正完成生產(chǎn)任務(wù)的轉(zhuǎn)變。只有從初步設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)的全過程實(shí)施BIM設(shè)計(jì)，才能控制過程成本，才能對后期的運(yùn)維有更大的意義。