BIM技術(shù)在連云港玉米深加工包裝間結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

張 利，程歆琛，殷小龍

(長春工程學院土木工程學院，長春 130012)

BIM技術(shù)在連云港玉米深加工包裝間結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

張 利，程歆琛，殷小龍

(長春工程學院土木工程學院，長春 130012)

傳統(tǒng)的2D建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在現(xiàn)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計上顯得力不從心，怎樣將更豐富的設(shè)計理念融入到建筑中，使設(shè)計的過程變得可視化，將整個設(shè)計理念完整地通過三維模型表現(xiàn)出來，是當前建筑業(yè)的當務(wù)之急，對比了基于BIM技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計流程與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計流程的不同，重點介紹了BIM技術(shù)在連云港玉米深加工包裝間結(jié)構(gòu)設(shè)計上的應(yīng)用，并利用ETABS和PKPM進行分析結(jié)構(gòu)的對比，同時介紹了在Revit中施工圖的繪制方法。

BIM；結(jié)構(gòu)設(shè)計；設(shè)計流程；施工圖

0 引言

近年來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，信息化已經(jīng)過入各個行業(yè)，建筑業(yè)的設(shè)計模式也受到了巨大的沖擊，信息化給建筑業(yè)帶來了革命性的影響，建筑行業(yè)一直在尋求一種能夠降低項目成本、提高生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量，并且能減少項目交付時間的技術(shù)手段，BIM技術(shù)的出現(xiàn)有實現(xiàn)這些目標的潛力[1]。隨著復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)形式逐步增多，存在項目各參與方溝通困難、數(shù)據(jù)重復(fù)利用率低下及各專業(yè)設(shè)計信息交流障礙等問題。傳統(tǒng)的2D建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在現(xiàn)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計上顯得力不從心，怎樣將更豐富的設(shè)計理念融入到建筑中，使設(shè)計的過程變得可視化，將整個設(shè)計理念完整地通過三維模型表現(xiàn)出來，BIM技術(shù)的實質(zhì)實際上是基于信息技術(shù)的一種新的“工作模式”，BIM包含了建筑物在項目建設(shè)周期中所有相關(guān)的真實信息，不僅僅包括幾何信息。幾何信息是指建筑模型外部和內(nèi)部空間上的三維幾何表示，通常是用基于參數(shù)化的三維構(gòu)件模型來表達，如梁的長度、寬度等。本文將重點介紹BIM技術(shù)在連云港玉米深加工包裝車間結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。

1 設(shè)計流程對比

與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計模式相比，基于BIM技術(shù)完成的結(jié)構(gòu)設(shè)計有很大的不同，由于利用BIM技術(shù)進行設(shè)計的項目通常要求使用同一個總體模型。故結(jié)構(gòu)設(shè)計的模型都是來自于建筑專業(yè)提供的建筑模型，之后結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計人員再在建筑模型的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。在這一階段包括對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的進一步修改、刪減等，將邊界條件、荷載等分析元素添加到模型中，結(jié)構(gòu)模型也就基本建立完成。再將建立好的結(jié)構(gòu)模型通過建筑信息模型轉(zhuǎn)換插件或其他信息傳遞方式導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)有限元軟件中，然后把結(jié)構(gòu)有限元軟件中的分析、計算結(jié)果反饋到核心建模軟件中。當建筑模型發(fā)生變更修改時，結(jié)構(gòu)工程師也能根據(jù)建筑師的要求進行結(jié)構(gòu)模型的實時修改。

民用建筑設(shè)計階段分為概念設(shè)計、方案設(shè)計、初步設(shè)計及施工圖設(shè)計等4個階段，這樣能夠使設(shè)計流程變得更加清晰和合理，即能提高各專業(yè)之間的合作效率，也更加便于對設(shè)計周期的把控和管理。

在整個建筑設(shè)計流程中，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是必不可少的一環(huán)，建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計有著十分巨大的差別。建筑工程師更加注重的是建筑物的外觀造型以及建筑空間的安排，但是，結(jié)構(gòu)工程師更加注重建筑物的安全性能和對建材的利用。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中建立的模型都是分析模型，分析模型中的構(gòu)件都已經(jīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行了簡化，而簡化模型也無法在后期對其進行利用。

相對于傳統(tǒng)的設(shè)計流程，基于BIM技術(shù)的設(shè)計流程發(fā)生了以下的改變：

1)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母淖儭IM技術(shù)的應(yīng)用能夠幫助各專業(yè)之間在同一個數(shù)據(jù)庫中完成各自的工作內(nèi)容，并且能夠看到其他專業(yè)及時的變更，實現(xiàn)了各專業(yè)之間的實時數(shù)據(jù)同步，有效地避免或解決了設(shè)計過程中各專業(yè)之間的設(shè)計沖突，使得專業(yè)之間的協(xié)調(diào)更加完美，從而達到了提高設(shè)計質(zhì)量的目的?；贐IM模型的分析、模擬和展示，比傳統(tǒng)的二維圖紙與平面效果圖的協(xié)調(diào)方式能帶給設(shè)計師更加直觀和豐富的感受。

2)工作流程的改變。目前國內(nèi)各大設(shè)計院的設(shè)計周期通常被壓縮得非常緊張，通常需要通宵達旦地加班趕圖，BIM技術(shù)能使各參與方參與時間提前，能使整個建筑的項目周期在合理的范圍內(nèi)縮短。在每個設(shè)計階段，工作任務(wù)會有一定程度的前置，設(shè)計人員能提前進行相關(guān)的檢測與分析，并能降低變更成本，減少錯誤。設(shè)計審核不再是傳統(tǒng)的階段性審核，而會根據(jù)實時模型對其進行審核，也是從傳統(tǒng)二維圖形審核變化為BIM模型的三維審核。

3)設(shè)計質(zhì)量的提高。在方案設(shè)計階段，立面圖、剖面圖、平面圖等二維視圖都能根據(jù)BIM模型自動生成，也會更加精確，設(shè)計師不再需要花很多時間去繪制平立剖圖，并能把主要精力放在設(shè)計創(chuàng)意上。在BIM模式下，設(shè)計師可以更加快捷、高效地解決碰撞、錯漏缺等問題，由此能大大提高設(shè)計質(zhì)量。

2 工程項目簡介

連云港玉米深加工包裝間總建筑面積3 749.04 m2，該建筑為工業(yè)建筑，長60.00 m，寬23.80 m，結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架體系，主要用于玉米變性淀粉的加工，建筑物耐火等級為二級。建筑層數(shù)為10層，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑設(shè)計使用年限為50 a，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震基本加速度為0.10g，特征周期為0.35 s。50 a一遇基本風壓為0.55 kN/m2，100 a一遇基本風壓為0.65 kN/m2;場地地面粗糙度類別為A類。

新的核磁共振技術(shù)，無一例外地面臨著諸多挑戰(zhàn)，而要成功地將這些技術(shù)應(yīng)用于臨床，仍有大量工作要做。DTI的研究已經(jīng)產(chǎn)生了最實質(zhì)性的成果，但在這項技術(shù)被廣泛應(yīng)用于臨床之前，仍然需要進一步的改進，然后進行標準化。目前，國內(nèi)外各學者對 DTI相關(guān)參數(shù)在病理基礎(chǔ)表現(xiàn)上持有不同的觀點，在預(yù)后判定方面還未做系統(tǒng)的研究。有關(guān)ADC值、FA值變化的病理機制、臨床意義及與臨床預(yù)后的研判方面的研究將是在未來的幾年里研究的重點與熱點。脊髓成像界無疑會取得許多偉大的成就，未來的研究轉(zhuǎn)化將使臨床從中受益。

圖1為經(jīng)過結(jié)構(gòu)選型后，結(jié)構(gòu)專業(yè)的物理模型。在進行模型修改之前，需要先定位好建筑模型中的標高，以防止在結(jié)構(gòu)模型中出現(xiàn)標高差。

在建立結(jié)構(gòu)信息模型的時候，軟件自帶的族遠遠不能滿足實際設(shè)計的需求，在面對項目中的異形構(gòu)件時需要單獨建立族文件，并定義構(gòu)件族屬性參數(shù)。一般情況下，族分為內(nèi)建族和可載入族，構(gòu)件時需要單獨建立族文件，并定義構(gòu)件族屬性參數(shù)。一般情況下，族分為內(nèi)建族和可載入族，企業(yè)在應(yīng)用BIM技術(shù)時，完善族庫是一個漫長的過程，經(jīng)歷的項目越多，族庫也會更加的龐大和完整。與常規(guī)二維結(jié)構(gòu)建模不同，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，先根據(jù)建筑模型建立物理模型，其次建立分析模型，初始的結(jié)構(gòu)模型是不具備結(jié)構(gòu)屬性的，需要在結(jié)構(gòu)面板中添加結(jié)構(gòu)專業(yè)的參數(shù)與屬性，之后能在項目瀏覽器中結(jié)構(gòu)平面圖和三維視圖中出現(xiàn)分析屬性，分析模型如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)專業(yè)物理模型

3 結(jié)構(gòu)分析

采用ETABS 2013結(jié)構(gòu)計算軟件與Revit 2016 進行數(shù)據(jù)的交互，進行雙向鏈接，完成結(jié)構(gòu)的安全性計算，針對Revit模型，Computers and Structures公司推出了CSixRevit 2016接口軟件，在Revit 2016的附加模塊中單擊“外部工具”里“Export to Create New ETABS or SAP2000 Model”即可生成后綴.exr格式的文件，如圖3所示。由于剛性樓板假定無法在Revit中實現(xiàn)，同時在Revit中無法定義地震信息，故在ETABS中對模型進行調(diào)整。

在Revit中梁的分析模型由黑、白、灰3種顏色的線段組成，如圖4所示，黑色為梁的起點，白色表示整個梁，灰色代表終點。與有限元軟件相似，可以通過改變設(shè)置區(qū)分起點和終點。在軟件默認的設(shè)計參數(shù)中，梁的分析線段位于梁的頂面中心位置，在實際工程中可以根據(jù)要求進行修改，更改參數(shù)如圖5所示，本工程中的梁的分析線都在梁頂面的中心線上，故不需要偏移[2]。

圖2 結(jié)構(gòu)分析模型

圖3 Revit導(dǎo)出選項

圖4 梁分析線段圖

Revit2016中自動生成的結(jié)構(gòu)分析模型如圖2所示，在分析模型中，多數(shù)構(gòu)件都能根據(jù)定義自動轉(zhuǎn)換以線和面為表現(xiàn)形式的分析模型，對結(jié)構(gòu)中某些無法轉(zhuǎn)換的構(gòu)件進行簡化，不參與結(jié)構(gòu)整體計算，只需要將荷載信息施加到分析模型。在現(xiàn)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，基礎(chǔ)和上部建筑通常是分開分析的，一般是上部結(jié)構(gòu)單獨建模分析，之后通過上部結(jié)構(gòu)加荷載計算將傳遞下來的荷載施加在基礎(chǔ)上再進行設(shè)計，故將柱基礎(chǔ)的模型禁用，如圖6所示。

在整體結(jié)構(gòu)計算中，對樓板的處理通常是假定其為剛性樓板，以控制樓板在平面內(nèi)的變形來計算層間位移角，配筋通過其他方式計算。在Revit中無法進行剛性樓板的假定，之后在ETABS中進行修改，ETABS分析模型如圖7所示。

圖5 梁分析參數(shù)變更

圖6 柱基礎(chǔ)禁用表示

圖7 ETABS分析模型

在ETABS完成結(jié)構(gòu)分析后，整體結(jié)構(gòu)的科學性和合理性是規(guī)范特別強調(diào)的內(nèi)容。規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標主要有:周期比、位移比、剛度比、剛重比、剪重比等[3]，部分分析結(jié)果見表1～2，圖8～9分別為X、Y方向在風荷載作用下的層間位移角，圖10～11分別為X、Y方向在地震作用下的層間位移角。

表1 結(jié)構(gòu)基本自振周期對比

表2 層間位移角對比

圖8 X方向風荷載作用下層間位移角

圖9 Y方向風荷載作用下層間位移角

4 施工圖設(shè)計

BIM技術(shù)在建筑工程設(shè)計階段的應(yīng)用，施工圖的繪制是必不可少的工作。目前有部分結(jié)構(gòu)將模型成果作為相應(yīng)的文件交付內(nèi)容，但傳統(tǒng)二維圖紙在很長一段時間內(nèi)難以被取代，所以，目前BIM技術(shù)的應(yīng)用前提是必須將建筑信息模型和施工的動態(tài)關(guān)聯(lián)，模型發(fā)生修改調(diào)整的變化能實時地反應(yīng)到施工圖紙上，這是應(yīng)用BIM技術(shù)在施工圖中的一大優(yōu)勢。

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析軟件中的結(jié)果進行鋼筋混凝土構(gòu)件配筋設(shè)計。在計算參數(shù)中預(yù)設(shè)材料屬性。混凝土采用C30，強度特征值為20.10，容重為26 kN/m3，徐變系數(shù)為2，梁、柱主筋采用HRB335帶肋鋼筋，梁、柱箍筋采用HPB300光面鋼筋，通過計算配筋與理論配筋對比，調(diào)整實際配筋。平法的核心是表達鋼筋信息，而鋼筋信息是BIM的重要組成部分，如平法的抽象注釋符號[4]。

圖10 X方向地震作用下層間位移角

圖11 Y方向地震作用下層間位移角

4.1 共享參數(shù)的創(chuàng)建

在Revit中繪制施工圖主要將用到共享參數(shù)這一功能，共享參數(shù)是Revit中將一方參數(shù)共享給另一方為目的的參數(shù)類型，具體使用方式與其他參數(shù)類似，但最大的不同之處在于共享參數(shù)可以保存在與任何族或者Revit項目中不相干的文件中，但依然可以在其他不相關(guān)的文件中使用該參數(shù)，共享參數(shù)是一種信息的集合，能將其中的信息同時共享給多個族和項目，從而可以在對項目構(gòu)件進行標注時實時更新標注信息。創(chuàng)建共享參數(shù)前需要先在電腦中安裝Revit_CHSRebar字體用來表達中國平法圖集中的鋼筋符號，我國混凝土規(guī)范已經(jīng)規(guī)定了普通鋼筋強度標準值以及普通筋強度設(shè)計值[5]，見表3，表3中規(guī)定了不同級別鋼筋的不同符號表達方式。照此操作可將平法中的鋼筋符號用其他符號代替，詳見表4。

表3 普通鋼筋強度設(shè)計 單位：N·mm-2

表4 鋼筋符號輸入輸出顯對照表

Revit中自行創(chuàng)建的參數(shù)都是.txt格式的文件，可以將創(chuàng)建好的共享參數(shù)文件復(fù)制出來，將文件的后綴修改為.csv格式，就能在Excel里將文件打開了，更加方便用戶的參考。

4.2 創(chuàng)建標注族

根據(jù)11G101—1的要求，按規(guī)定創(chuàng)建標注族文件，再將族文件載入至項目中，完成柱結(jié)構(gòu)施工圖的標注。

生成的施工圖紙可以導(dǎo)出為CAD格式的圖形文件，現(xiàn)階段應(yīng)用BIM技術(shù)在出圖方面無法離開二維圖紙，因為很多細部的表達還是需要二維圖形來表示。

圖12 柱標注族

總體上講，BIM技術(shù)在施工圖上的應(yīng)用與平法標注是相結(jié)合的，BIM模型是三維的表達方式，平法則是二維的表達方式，從信息表達上看，存在一種互補的關(guān)系。

1)本文是借助BIM軟件對施工圖設(shè)計中繪制圖進行操作，利用創(chuàng)建共享參數(shù)和標簽族文件實現(xiàn)BIM與平法的結(jié)合，也體現(xiàn)了BIM 協(xié)調(diào)一致性的優(yōu)點所在。

2)平法與BIM之間的結(jié)合在表達方式上存在一些問題，BIM中的平法和傳統(tǒng)的平法存在差異，

要在BIM中實現(xiàn)平法，需要在制圖規(guī)則上做一些改動。

3)BIM軟件可很好地管理施工圖文件。

5 結(jié)語

本文研究了基于BIM技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，并對比分析了基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程與傳統(tǒng)設(shè)計流程中的不同點，以連云港玉米深加工包裝間為基礎(chǔ)，完成了對BIM技術(shù)應(yīng)用在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的技術(shù)方法的應(yīng)用，利用CSIxRevit 2016實現(xiàn)了Revit中建筑信息模型與結(jié)構(gòu)分析軟件ETABS的分析模型之間的雙向鏈接，并與國內(nèi)設(shè)計院較為常用的結(jié)構(gòu)分析軟件PKPM進行了設(shè)計結(jié)果的對比，兩者分析結(jié)構(gòu)基本一致，計算誤差在允許范圍以內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。通過建立共享參數(shù)的方法實現(xiàn)了在Revit中進行平法標注，能大大提高設(shè)計效率。BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用還有很大的發(fā)展空間，國內(nèi)主流設(shè)計軟件之間的信息交流還存在不少問題，軟件之間的接口研究還需進一步完善，中國亟需自己的BIM體系軟件，只有擁有符合國內(nèi)行情的BIM體系軟件才能保證BIM技術(shù)在中國的快速發(fā)展。

[1] Azhar S.Building information modeling (BIM):trends,benefits,risks and challenges for the AEC industry[J].Leadership & Management in Engineering,2011,11(3):241-252.

[2] 楊鵬飛.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)BIM協(xié)同設(shè)計研究[D].北京：北方工業(yè)大學，2015.

[3] 李宏彬.框架支撐結(jié)構(gòu)在中小學建筑中的應(yīng)用及性能分析[D].邯鄲：河北工程大學，2013.

[4] 龍輝元.結(jié)構(gòu)施工圖平法與BIM[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2011(1)：26-30.

[5] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

The Application of BIM Technology to the Structure Design of a Packaging Room for Corn Deep Processing in Lianyungang China

ZHANG Li,et al.

(SchoolofCivilEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

The traditional 2D building structure design method is hard to cope with the structural design of the present stage.How to integrate the more abundant design idea into the building,to make the design process become visualized,and to express the whole design idea through the three-dimensional model completely are the current development trends in construction industry.In this article,the design process of building structure design based on BIM technology and the traditional structure design process are compared.The application of BIM technology in the structure design of a packaging room for corn deep processing in Lianyungang China has been introduced as the key point.Then by using ETABS and PKPM the analysis to the structure differences has been compared,and the drawing method of the construction drawing in Revit has been introduced as well.

BIM; structural design; design process; construction drawing

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.003

2016-12-05

張利(1960-)，男(漢)，內(nèi)蒙古赤峰，教授 主要研究建筑結(jié)構(gòu)與混凝土耐久性。

TU311.41

A

1009-8984(2017)01-0010-05