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

【摘要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和科技水平的進(jìn)一步提升，建筑行業(yè)在前所未有的良好機(jī)遇下迅速發(fā)展，其工程規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，建筑投資額度逐漸增加。然而，隨著現(xiàn)代社會(huì)人們對(duì)建筑工程質(zhì)量關(guān)注度和重視度的進(jìn)一步增強(qiáng)，如何進(jìn)一步優(yōu)化建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為相關(guān)工作人員思考的重要問題。在此背景下，BIM技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用為建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來了新的思路。因此，針對(duì)BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析有著重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);應(yīng)用

建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為建筑工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性在極大程度上直接影響著工程結(jié)構(gòu)的最終建造質(zhì)量。為進(jìn)一步保證整個(gè)工程建造質(zhì)量，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在此過程中大膽引用了BIM技術(shù)并取得了良好成效，為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的保證打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在此背景下，本文從BIM技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)出發(fā)，以廣東韶關(guān)某在建體育場(chǎng)為主要研究對(duì)象，進(jìn)一步探討了BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，旨在給BIM技術(shù)平臺(tái)下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改良及優(yōu)化帶來更多的思考和啟迪。

1、BIM應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

通常情況下，傳統(tǒng)模式下的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工程施工圖設(shè)計(jì)階段有著較大的工作量，而該階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)工作直接影響著建筑物的安全性及經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)，該階段的設(shè)計(jì)變更會(huì)給設(shè)計(jì)師帶來巨大的工作量及工程造價(jià)不確定性的增強(qiáng)，而BIM技術(shù)平臺(tái)在施工圖設(shè)計(jì)階段可借助成熟系統(tǒng)的BIM模型建立，以降低工程項(xiàng)目施工圖紙的設(shè)計(jì)變更，進(jìn)而有效降低工程項(xiàng)目的建造成本及后期運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)。在此過程中，BIM技術(shù)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)大致可總結(jié)為以下幾個(gè)方面。首先，BIM技術(shù)平臺(tái)可借助三維實(shí)體模型的構(gòu)建，以更準(zhǔn)確、更形象的方式向相關(guān)工作人員展示工程建筑各部分的空間關(guān)系，從而改善工程設(shè)計(jì)單位、施工單位和建設(shè)單位間的技術(shù)交流與溝通效率。同時(shí)，三維結(jié)構(gòu)模型的建立不僅能有效解決二維建筑圖紙難以發(fā)覺的本專業(yè)的設(shè)計(jì)缺陷以及難以與其它專業(yè)協(xié)同配合的難題，更可以借助三維演示有效解決了建筑工程重要部位和設(shè)備模型等預(yù)留空間是否合適的核查問題，為工程項(xiàng)目順利施工奠定了重要基礎(chǔ)。其次，BIM技術(shù)平臺(tái)能對(duì)建筑工程實(shí)體進(jìn)行配筋模擬，從而強(qiáng)化設(shè)計(jì)人員及施工人員對(duì)工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位或復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的配筋施工，快速及時(shí)地發(fā)現(xiàn)工程配筋過程中可能出現(xiàn)的問題并針對(duì)性地制定相關(guān)解決方案，為工程施工過程中鋼筋量的計(jì)算、下料和成本節(jié)省等工作提供數(shù)據(jù)支撐。最后，BIM技術(shù)平臺(tái)還能夠有效實(shí)現(xiàn)建筑工程實(shí)體模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)和各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)。眾所周知，建筑工程實(shí)體模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)構(gòu)件定義的參數(shù)和不同圖元之間參數(shù)的約束關(guān)系及各個(gè)圖元之間參數(shù)傳遞的關(guān)聯(lián)。設(shè)計(jì)工作人員利用BIM技術(shù)平臺(tái)的參數(shù)化關(guān)系，可有效提升建筑工程模型的建模效率。同時(shí)，BIM技術(shù)平臺(tái)還能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)二維施工圖設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)圖元不具備實(shí)際意義而不能實(shí)現(xiàn)一處修改、處處更新的問題，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中人為錯(cuò)誤及設(shè)計(jì)人員工作量的減少等奠定一定的基礎(chǔ)。

2、BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用——以廣東韶關(guān)曲江體育場(chǎng)為例

2.1工程概況

該體育場(chǎng)位于廣東省韶關(guān)市曲江區(qū)城西北部，總體建筑面積18000㎡，觀眾席位3000席，采用半自動(dòng)化的屋面系統(tǒng)，是目前整體面積較大的縣級(jí)體育場(chǎng)。該體育場(chǎng)整個(gè)屋面結(jié)構(gòu)由固定部分和活動(dòng)部分組成，活動(dòng)部分屋面主要采用平面桁架體系，固定部分屋面主要采用空間桁架體系。

2.2屋蓋體系的參數(shù)化建模

參數(shù)化是BIM技術(shù)平臺(tái)的重要內(nèi)容和技術(shù)支撐，在極大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模式下建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難以快速更改設(shè)計(jì)信息和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的缺陷。在BIM技術(shù)平臺(tái)上引入?yún)?shù)化技術(shù)后，其三維實(shí)體模型不再單純是固定形狀和屬性的對(duì)象，而是由相關(guān)設(shè)計(jì)師定義一系列參數(shù)、幾何規(guī)則及其他非幾何特性對(duì)象的可變模型。在此過程中，設(shè)計(jì)師所定義的參數(shù)和規(guī)則可和建筑工程結(jié)構(gòu)模型的其他構(gòu)件部位相互關(guān)聯(lián)，從而根據(jù)建設(shè)單位需求的改變和周圍環(huán)境、施工環(huán)境的變化等實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程整體結(jié)構(gòu)模型的自動(dòng)更新，這在極大程度上提升了工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作效率。就該體育場(chǎng)項(xiàng)目而言，設(shè)計(jì)人員利用了rhino軟件插件實(shí)現(xiàn)了屋蓋桁架體系的參數(shù)化設(shè)計(jì)和建筑模型生成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.3數(shù)據(jù)庫的搭建

眾所周知，建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程主要是建筑信息數(shù)據(jù)流動(dòng)與交換的過程。設(shè)計(jì)人員有效利用BIM技術(shù)以避免建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中信息孤島的形成，避免重復(fù)進(jìn)行二次建模。在建立BIM框架時(shí)，設(shè)計(jì)人員建立可通用的全局?jǐn)?shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)過程的信息加工，為創(chuàng)建整個(gè)工程數(shù)據(jù)模型奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在建立并應(yīng)用框架時(shí)，考慮建筑工程結(jié)構(gòu)在整個(gè)建筑產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的重要地位，加強(qiáng)其與建筑專業(yè)及設(shè)備專業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的連接和溝通，從而使相關(guān)接口與數(shù)據(jù)信息流動(dòng)性和兼容性加強(qiáng)。但設(shè)計(jì)人員必須重視該類數(shù)據(jù)庫平臺(tái)不夠完善的缺點(diǎn)，首先是設(shè)計(jì)人員需在不同的平臺(tái)和軟件上進(jìn)行信息交互以完成工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到的相關(guān)任務(wù)。其次是平臺(tái)和平臺(tái)之間接口兼容性的不足，從而引起的版本更新和軟件變化導(dǎo)致的建筑工程信息丟失。因此，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際特征而建立的單獨(dú)的BIM數(shù)據(jù)庫平臺(tái)有著極其重要的意義。圖2即為該體育場(chǎng)共同BIM數(shù)據(jù)庫信息交互結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1? 屋蓋桁架體系參數(shù)模型示意圖

圖2 體育場(chǎng)共同BIM數(shù)據(jù)庫信息交互示意圖

2.4基于數(shù)據(jù)庫的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

該體育場(chǎng)項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋為大跨度空間結(jié)構(gòu)。因此，為了在保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、可靠和穩(wěn)定的基礎(chǔ)上節(jié)省建筑工程建造成本，設(shè)計(jì)人員可進(jìn)一步對(duì)鋼結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改良。在此過程中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步利（下轉(zhuǎn)140頁）（上接138頁）用了BIM數(shù)據(jù)庫制定了鋼結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化流程。就結(jié)構(gòu)桿件的優(yōu)化而言，其設(shè)計(jì)流程如圖3所示，設(shè)計(jì)人員從BIM數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)模型信息后，導(dǎo)入軟件分析其結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力，并借用自主開發(fā)的截面優(yōu)化程序?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)進(jìn)行校核和優(yōu)化改良。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還在桿件結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)束后對(duì)相應(yīng)的BIM數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行更新和補(bǔ)充，從而保證數(shù)據(jù)庫信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。就鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)人員從數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息后，搜索其節(jié)點(diǎn)的控制內(nèi)力分布情況，在討論節(jié)點(diǎn)所屬類型的基礎(chǔ)上對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載力進(jìn)行有限元分析和調(diào)整，為鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承載力的合格奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.5基于數(shù)據(jù)庫的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修改

該項(xiàng)目由于業(yè)主方考慮造價(jià)因素，后期取消中間活動(dòng)頂蓋并開空。如果在二維狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的返工工作量巨大，由于采用BIM數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，通過減少荷載和構(gòu)件，相應(yīng)的構(gòu)件通過數(shù)據(jù)更新傳遞，圖紙做出相應(yīng)的修改，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)減少很多工作量。

結(jié)論：

總之，BIM技術(shù)平臺(tái)作為包含整個(gè)工程項(xiàng)目建造信息集成和協(xié)同設(shè)計(jì)的重要平臺(tái)，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有著不容忽視的重要意義，為提升整個(gè)建筑工程設(shè)計(jì)質(zhì)量做出了重要貢獻(xiàn)。而隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)一步發(fā)展和人們對(duì)建筑工程質(zhì)量重視度的進(jìn)一步提升，BIM技術(shù)必將在建筑行業(yè)大放光彩，為提升整個(gè)建筑工程設(shè)計(jì)質(zhì)量和施工質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：

向愛國(guó)，上海尊邦建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海。