BIM技術(shù)在某項目結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用研究

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(1.湘潭大學土木工程與力學學院，湘潭 411105； 2.四川柏慕聯(lián)創(chuàng)工程技術(shù)服務(wù)有限公司，成都 610015； 3.北京構(gòu)力科技有限公司，北京 100013； 4.中南大學土木工程學院，長沙 410075)

引言

在工程項目的建設(shè)過程中，造價是決定其是否可行的關(guān)鍵性指標，對工程造價的控制貫穿每一個工程項目的建設(shè)全過程。其中，在設(shè)計階段對項目的造價進行控制，具有至關(guān)重要的決定性作用。統(tǒng)計研究表明，雖然項目設(shè)計階段的費用僅占建設(shè)成本的2%～5%，但其對項目工程造價的影響可達75%以上[1]。正因如此，工程優(yōu)化設(shè)計與造價控制成為當前工程界研究的熱點。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)設(shè)計師的優(yōu)化目標普遍單一，往往只依據(jù)可靠度作為目標進行優(yōu)化，很少考慮到其優(yōu)化結(jié)果對于全專業(yè)的影響； 同時，由于我國建筑行業(yè)習慣是對項目造價進行事后控制，并沒有掌握造價對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主動控制權(quán)，最終導(dǎo)致我國建設(shè)項目成本控制實踐中，造價控制主要集中于項目實施的環(huán)節(jié)。為了有效地控制項目投資，盡可能減少目標值與實際值的偏離，必須抓住工程設(shè)計階段這個關(guān)鍵點[2]?；贐IM技術(shù)構(gòu)建的三維信息模型管理平臺可以實現(xiàn)對建筑物全生命周期的精細化管理，有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同共享的功能，為成本管理的有效實施提供穩(wěn)定的依據(jù)[3]。BIM全專業(yè)協(xié)同技術(shù)在工程項目全過程中都可以應(yīng)用，通過可視化建模方式，有助于減少視圖的誤差，通過碰撞檢查，有益于優(yōu)化施工方案，控制成本，而通過動態(tài)數(shù)據(jù)庫，有利于各管理線的協(xié)同工作信息共享[4]。BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對工程造價的有效監(jiān)控，同時為工程造價的控制問題提供強有力的技術(shù)支持。提高工程造價的控制水平的同時，保障工程施工的整體效益[5]。

本文嘗試將BIM技術(shù)引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計階段，促進造價信息與優(yōu)化設(shè)計方案的有效結(jié)合，對選擇優(yōu)化設(shè)計方案時所需的各項數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的分析和研究，提出基于BIM的更為簡潔高效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程。

1 工程概況及初始設(shè)計方案

本工程位于湖南省，為某高校大型圖書館建設(shè)項目，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第三組，設(shè)計基本地震加速度值為0.15 g，建筑場地類別為Ⅲ類，基本風壓0.55kN/m2，地面粗糙度為B類，基本雪壓為0.45kN/m2，鋼筋采用HPB300級、HRB400級混凝土強度等級C35。

樓(屋)面荷載情況：樓面恒荷載標準值采用3.8kN/m2，屋面恒荷載標準值采4.5kN/m2。報告廳采用3.0kN/m2，辦公室活荷載采用2.0kN/m2，消防樓梯活荷載采用3.5kN/m2，密集書庫活荷載采用12.0kN/m2，公共衛(wèi)生間采用8.0kN/m2，屋面(按不上人考慮)活荷載采用0.7kN/m2。

基于PBIMS設(shè)計平臺實現(xiàn)同一中心文件下的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，直接形成建筑結(jié)構(gòu)的三維模型，原PBIMS方案建筑、結(jié)構(gòu)以及專業(yè)串聯(lián)三維模型如圖1(a-c)所示。

BIM技術(shù)通過參數(shù)化的建模過程(Parametric Modeling)，保存了圖元作為數(shù)字化建筑構(gòu)件的所有信息，將幾何信息組構(gòu)成參數(shù)組件，如墻、柱、梁、板等； 除了攜帶幾何信息外，這些參數(shù)組件更可以攜帶如材質(zhì)、成本、使用年限等信息，這些優(yōu)勢也給將BIM技術(shù)應(yīng)用于工程造價領(lǐng)域創(chuàng)造了可能。

原方案建筑平、立、剖面圖如圖2(a-c)所示。

利用BIM技術(shù)一致性、可出圖性的優(yōu)勢，其自動化的圖文產(chǎn)出減少了大量的人力與時間成本，設(shè)計變更所耗費的成本也隨之降低； 一處修改處處更新的特點，也能幫助設(shè)計師準確、快捷地優(yōu)化方案中的每一個細節(jié)。

2 基于BIM的優(yōu)化方案

本項目在接到相關(guān)專業(yè)條件進行結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計時，首先確定結(jié)構(gòu)方案為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，并初步給出了框架梁、框架柱的截面尺寸。利用PBIMS結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件建立結(jié)構(gòu)模型，然后用SATWE對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行計算和分析。隨后對不滿足規(guī)范要求的節(jié)點或構(gòu)件重新進行修改，直至滿足規(guī)范的要求為止，從而完成初始的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

(a)建筑三維模型 (b)結(jié)構(gòu)三維模型 (c)專業(yè)整合模型圖1 建筑結(jié)構(gòu)的三維模型

(a)平面圖 (b)立面圖 (c)剖面圖圖2 原建筑方案

在以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通常是根據(jù)經(jīng)驗先確定結(jié)構(gòu)方案，估算出梁、板、柱等主要構(gòu)件的截面尺寸，然后利用軟件計算分析后再調(diào)整不滿足要求的構(gòu)件。采取這種方式確定的構(gòu)件截面尺寸主觀性較大，最后得到的截面尺寸也增加了工程的造價。

建筑功能與建筑造價是建筑結(jié)構(gòu)的兩大關(guān)鍵內(nèi)容，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)予以全面考量，在空間及成本既定的基礎(chǔ)之上盡可能實現(xiàn)最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計[6]。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由鋼筋和混凝土兩種材料組成的，這兩種材料受力原理不一樣價格也有明顯差距，建筑物自重最輕時不代表其造價就最低。工程造價是優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵與首要目標，也就是說，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標應(yīng)該是消耗材料、人工等的成本，這樣才能做到真正地優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使工程造價降到最低[7]。本文選取鋼筋、混凝土用量、模板面積、人工費等四個因素來比較不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的工程造價。

本文選取項目四層1/01-3/03軸交1/K-Q軸的圖書藏閱區(qū)部分進行優(yōu)化分析，此部分結(jié)構(gòu)需求空間較大，利于展開比較。本文分別考慮對所選部位選取肋梁樓蓋、井字梁樓蓋、無梁樓蓋三種結(jié)構(gòu)方案，通過PBIMS、柏慕1.0等軟件進行結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)分析，得出三種方案其各類材料及人工消耗量。三種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖3(a-c)所示。

三種方案的軸網(wǎng)及梁柱尺寸如圖4(a-c)所示。

通過計算框架結(jié)構(gòu)荷載，完成三種優(yōu)化方案的結(jié)構(gòu)計算并得出三種優(yōu)化方案的材料用量以及工程造價。三種方案其鋼筋骨架如圖5(a-c)所示。

(a)肋梁樓蓋方案 (b)井字梁樓蓋方案 (c)無梁樓蓋方案圖3 結(jié)構(gòu)方案

(a)肋梁樓蓋方案 (b井字樓蓋方案) (c)無梁樓蓋方案圖4 軸網(wǎng)及梁柱尺寸

(a)肋梁樓蓋方案 (b)井字梁樓蓋方案 (c)無梁樓蓋方案圖5 各方案鋼筋骨架圖

(a)鋼筋 (b)混凝土

(c)模板 (d)人工圖6 各方案對應(yīng)的材料用量

經(jīng)過統(tǒng)計之后得出的各個方案的鋼筋、混凝土用量，以及模板和人工費用如圖6(a-d)所示。

從以上三維柱狀圖可以看出，從井字梁樓蓋到肋梁樓蓋再到無梁方案，可以看出從井字梁樓蓋方案到無梁樓蓋方案，隨著梁架數(shù)量的減少，整個結(jié)構(gòu)所消耗的鋼筋量逐漸增多，混凝土體積也逐漸增多，這是因為隨著梁架數(shù)量逐漸減少，剩余的框架梁的截面高度增加，框架梁自重及梁柱配筋率均相應(yīng)上升，總的鋼筋消耗量也相應(yīng)上升； 同時，隨著梁架數(shù)量減少，框架梁截面高度增加、樓板厚度也隨之增大，使得混凝土總體積也隨著上升。在模板使用量方面，因為肋梁方案在梁截面尺寸以及主次梁數(shù)量上都處于中間位置，導(dǎo)致其模板使用總量較高。

3 優(yōu)化方案的綜合比選

根據(jù)算出的工程量，使用算量軟件將工程量換算成實際工程造價。套用2008年全國建筑工程勞動定額，與《湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于發(fā)布2017年湖南省建設(shè)工程人工工資單價的通知》，分別獲得鋼筋單價3 377.43元/t，商品混凝土單價353.06元/m3，木模板單價46元/m2，人工工資單價100元/工時，并統(tǒng)計得出了三種優(yōu)化方案的工程造價，以及各類因素影響造價占比，如圖7(a-d)所示。

(a)井字梁樓蓋 (b)肋梁樓蓋

(c)無梁樓蓋 (d)各因素影響造價占比圖7 各方案成本構(gòu)成

優(yōu)化設(shè)計的目標就是控制工程造價。只要嚴格遵守“經(jīng)濟、實用、合理”的原則，認清優(yōu)化設(shè)計在造價控制中的重要性，確定合理目標，積極創(chuàng)造適宜條件，主動采用科學的控制方法，就一定能搞好設(shè)計階段的造價控制[8]。

從統(tǒng)計結(jié)果來看，在以上三種優(yōu)化方案的工程造價中，模板造價是影響井字梁樓蓋方案與肋梁樓蓋方案的主要因素，這是因為框架梁的側(cè)模以及底模消耗量大量模板； 而在無梁樓蓋方案中，商品混凝土造價則占據(jù)了主要影響因素?？梢钥闯鲭S著梁架數(shù)量減少，框架梁截面高度增加、樓板厚度也隨之增大，使得混凝土總體積也隨著上升，消耗量增加。

從三種優(yōu)化方案的工程造價可以看出，以無梁樓蓋方案為基準方案，井字梁樓蓋方案的優(yōu)化率為13.4%，肋梁樓蓋方案的優(yōu)化率為5.51%。因此，井字梁樓蓋方案在本工程中可作為最優(yōu)方案選擇。

4 結(jié)論

結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計是一個較為系統(tǒng)的工作，優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵目標是控制工程造價。只有嚴格遵守“經(jīng)濟、實用、合理”的原則，認清優(yōu)化設(shè)計在造價控制中的重要性，確定合理目標，積極創(chuàng)造適宜條件，主動采用科學的控制方法，才能做好設(shè)計階段的造價控制。本文結(jié)合BIM技術(shù)平臺以及廣聯(lián)達算量平臺，對工程實例建立三維信息模型，在綜合考慮了混凝土用量、鋼筋用量、模板用量以及人工消耗量等因素之后，得出了不同優(yōu)化方案的工程造價，結(jié)果表明井字梁樓蓋優(yōu)化方案是最優(yōu)方案。建筑工程的優(yōu)化設(shè)計是多種因素綜合考量的結(jié)果，不應(yīng)只從本專業(yè)出發(fā)，而應(yīng)從整體綜合上考慮，本文選取了混凝土用量，鋼筋用量，模板用量以及人工消耗量等四種因素，提高了優(yōu)化方案比選結(jié)果的準確度?；贐IM技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計能夠通過三維可視化以及中心工作平臺的方式，更好地提高優(yōu)化效率，實現(xiàn)對工程造價的有效監(jiān)控，同時為工程造價的控制問題提供強有力的技術(shù)支持。提高工程造價的控制水平的同時，保障工程施工的整體效益。

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