基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計研究

趙廣榮

【摘 要】將BIM（建筑信息模型）技術(shù)引入到建筑結(jié)構(gòu)施工圖的設(shè)計過程中能夠提升建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計的效率，同時能夠解決目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的發(fā)展瓶頸。闡述了面向結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計的數(shù)據(jù)要求，并對其描述方法進(jìn)行了分析；基于IFC架構(gòu)的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計信息模型進(jìn)行了施工圖設(shè)計原型系統(tǒng)的開發(fā)；最后通過實際案例對基于BIM的工程實際效果進(jìn)行了應(yīng)用測試。結(jié)論表明，基于BIM的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計可以極大提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率與質(zhì)量，是建筑結(jié)構(gòu)施工設(shè)計領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢與技術(shù)特征。

【關(guān)鍵詞】BIM；技術(shù)特征；應(yīng)用軟件

0 引言

目前在建筑設(shè)計領(lǐng)域，廣泛使用的依然是基于二維CAD技術(shù)的各種軟件。各個應(yīng)用軟件之間的信息傳輸依賴于二維圖形與文檔進(jìn)行信息的交換，同時設(shè)計的成果也是以施工圖紙作為最終的表現(xiàn)形式。基于CAD的工程設(shè)計思路有效提升建筑的效率，縮短了設(shè)計周期，但是隨著目前建筑技術(shù)的快速發(fā)展，也面臨這發(fā)展瓶頸。其主要表現(xiàn)就是在建筑施工圖設(shè)計過程中各個階段的信息共享性較差，工程模型建立、圖紙繪制、圖紙修改等都耗費(fèi)了大量的時間與人力勞動。基于BIM的設(shè)計技術(shù)能夠提供在建筑設(shè)計全過程中的信息共享，解決傳統(tǒng)設(shè)計過程中存在的問題。目前BIM技術(shù)尚無統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此相關(guān)的軟件之間的信息交換仍然存在一定的問題，建筑設(shè)計領(lǐng)域需要的成熟的BIM軟件仍然缺乏，因此進(jìn)行基于BIM建筑施工圖的設(shè)計理念、設(shè)計方法、設(shè)計流程以及相關(guān)技術(shù)具有重要的理論意義與實踐應(yīng)用價值。

1 基于BIM的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計需求

1.1 設(shè)計流程

與傳統(tǒng)基于CAD技術(shù)的二維設(shè)計流程不同，基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計具有不同的設(shè)計流程。在設(shè)計流程中，設(shè)計人員要能夠給予建筑設(shè)計圖紙進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并進(jìn)行模型設(shè)計；在設(shè)計軟件中將結(jié)構(gòu)內(nèi)部的構(gòu)件以及構(gòu)件之間的關(guān)系進(jìn)行確定，并能夠?qū)?nèi)力進(jìn)行不要分析；在此基礎(chǔ)上將結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果對建筑設(shè)計人員進(jìn)行實時反饋，通過反饋信息進(jìn)行建筑設(shè)計模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)的調(diào)整，直至滿足設(shè)計的相關(guān)需求，最后根據(jù)設(shè)計的結(jié)果繪制最終的結(jié)構(gòu)施工圖。這樣的設(shè)計流程能夠最大程度保證設(shè)計需求分析與設(shè)計結(jié)果的一致性，并有效提升設(shè)計的質(zhì)量與效率。目前CAD技術(shù)中也具有圖層識別技術(shù)自動導(dǎo)入軸網(wǎng)以及構(gòu)建定位等信息傳輸，但是需要手工構(gòu)建大量模型，同時信息不完備，關(guān)聯(lián)度也存在一定的問題，不能保證設(shè)計過程中信息的一致性。

1.2 模型描述

建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計信息模型是以結(jié)構(gòu)物理模型為核心，同時要能夠根據(jù)構(gòu)件的關(guān)系對模型的屬性、模型之間的關(guān)聯(lián)信息、管理信息進(jìn)行定義。在BIM設(shè)計軟件中，結(jié)構(gòu)物理模型信息包含構(gòu)建信息、節(jié)點信息、約束信息等；屬性信息包含材料信息、內(nèi)里信息等；關(guān)聯(lián)信息則體現(xiàn)的的是構(gòu)建之間的連接關(guān)系、屬性的關(guān)聯(lián)等；管理信息則是用戶信息、版本信息以及模型文件信息等基本信息。

2 基于IFC架構(gòu)的模型定義

IFC是IAI在建筑行業(yè)制定的建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)被全球主要國家的建筑行業(yè)接受，并成為模型的數(shù)據(jù)描述與信息交換標(biāo)準(zhǔn)。在模型建立過程中，采用IFC可以保證模型數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)性欲一致性。在本部分的描述中從構(gòu)件定義、關(guān)聯(lián)關(guān)系實現(xiàn)以及IFC數(shù)據(jù)等方面對施工圖BIM模型的構(gòu)建方案進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件定義

根據(jù)IFC的定義，一個完整的建筑結(jié)構(gòu)模型可以分為梁、柱、板、墻、梯等基本構(gòu)件，這些基本構(gòu)件都是由實際的建筑構(gòu)件實體派生出來的。如墻構(gòu)件的定義，基于IFC標(biāo)準(zhǔn)中藥首先進(jìn)行建筑實體的定義，然后通過關(guān)聯(lián)建立建筑實體與樓層實體之間的對應(yīng)聯(lián)系，最后進(jìn)行墻體實體的構(gòu)件。最終通過墻體實體與樓層實體的關(guān)聯(lián)定義實現(xiàn)對墻體實體的定義。

2.2 構(gòu)件屬性定義

根據(jù)IFC標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的模型要能夠?qū)?gòu)建的幾何、材料、力學(xué)等維度的屬性進(jìn)行定義。如對于墻體實體的屬性定義就包含材料屬性的定義，如墻體是否由外墻面磚、隔熱層、內(nèi)墻面、結(jié)構(gòu)層等四層材料構(gòu)成，同時還需要對各個材料層進(jìn)行定義與關(guān)聯(lián)，建立墻體與墻體材料之間的有效關(guān)聯(lián)。

2.3 關(guān)聯(lián)關(guān)系的定義

構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)性是BIM模型的重要特征，這樣的特征保證了整個模型信息的一致性與完整性?；贗FC標(biāo)準(zhǔn)的模型面向?qū)ο蟮倪壿嫏C(jī)構(gòu)保證了BIM模型體系的有效關(guān)聯(lián)。構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系有對稱與非對稱兩個分類。

2.4 自定義IFC數(shù)據(jù)實現(xiàn)

目前建筑工程技術(shù)快速發(fā)展，建筑對象呈現(xiàn)多樣性、復(fù)雜性、分散性的特征，因此目前現(xiàn)有的IFC模型架構(gòu)無法實現(xiàn)對現(xiàn)有建筑實體的對應(yīng)關(guān)系。作為開放的標(biāo)準(zhǔn)體系，IFC標(biāo)準(zhǔn)下的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模型支持實體擴(kuò)展、屬性集擴(kuò)展以及基于IFC-Proxy實體擴(kuò)展。在目前的應(yīng)用過程中具有運(yùn)行效率高、擴(kuò)展模型軟件識別難等特點，基于IFC-Proxy實體方式可以滿足用于對少量模型信息進(jìn)行按照需求的擴(kuò)展，具有顯著的靈活性但是運(yùn)行運(yùn)行效率較低。屬性集擴(kuò)展結(jié)合了以上兩種優(yōu)勢，具有靈活性高與模型信息的擴(kuò)展。

3 BIM模型設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 BIM模型設(shè)計

根據(jù)IFC標(biāo)準(zhǔn)模型邏輯機(jī)構(gòu)，同時適當(dāng)考慮到模型的運(yùn)行效率與修改的便捷性，采在項目設(shè)計中采用了簡化的IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型的設(shè)計，在保證模型有效的前提下，降低了軟件的計算量。所設(shè)計的模型包含有結(jié)構(gòu)模型、計算模型、屬性模型以及材料模型四個方面。結(jié)構(gòu)件模型包含結(jié)構(gòu)件的類別以及構(gòu)件的耦合關(guān)系；材料信息模型包含材料屬性以及與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)；屬性定義模型可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動態(tài)屬性定義。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)所涉及的BIM模型，在CAD技術(shù)二次開發(fā)下實現(xiàn)了基于BIM的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計原型。設(shè)計的系統(tǒng)的邏輯機(jī)構(gòu)圖主要包含數(shù)據(jù)層、結(jié)構(gòu)層、模型層以及應(yīng)用層四個層次。作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的核心，并具有系統(tǒng)信息、模型信息、設(shè)計規(guī)則信息等組成部分；接口層是實現(xiàn)物理存儲數(shù)據(jù)與模型之間數(shù)據(jù)通信的接口。應(yīng)用層則包含了BIM的各項應(yīng)用，主要有三維模型檢驗、圖形文檔的設(shè)計管理等方面的功能。

4 結(jié)論

本文主要對基于BIM模型的建筑結(jié)構(gòu)施工圖的設(shè)計方法、流程以及模型建立于實現(xiàn)進(jìn)行了研究分析。通過案例分析可以得出以下幾個方面的結(jié)論。首先是目前基于CAD技術(shù)的二維建筑施工圖已經(jīng)不能完全滿足日益復(fù)雜的建筑工程需求，需要在設(shè)計方法方面有所創(chuàng)新；同時目前IFC標(biāo)準(zhǔn)下的BIM模型可以滿足設(shè)計要求，但是在實際應(yīng)用過程中要能夠?qū)崿F(xiàn)實體之間的邏輯對應(yīng)，并通過適量簡化提高模型的運(yùn)算效率；最后模型的運(yùn)用要能夠與國內(nèi)的建筑規(guī)范以及技術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合，復(fù)雜的構(gòu)件模型的建立以及運(yùn)用在今后的實踐應(yīng)用過程中還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

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