建筑結構設計中BIM技術的應用

趙軍

(武漢中合元創(chuàng)建筑設計股份有限公司)

1 引言

將建筑信息模型（BIM）技術應用在建筑結構設計上，可以更好的實現(xiàn)結構施工圖與結構設計的無縫連接，保持高度統(tǒng)一。具體的方法步驟是：設計師首先在BIM軟件中建立建筑物的實體模型，然后基于實體模型建立鋼筋的框架結構模型，并通過相互關聯(lián)的構件屬性參數(shù)與注釋組，對實體模型以及施工圖紙設計進行動態(tài)更新。

2 BIM技術的優(yōu)勢

BIM是建筑信息化模型（Building Information Model）的英文簡稱，它能夠把建筑工程項目全壽命周期內(nèi)每個不同階段的過程、資源等信息全部集中在一個三維數(shù)據(jù)信息模型系統(tǒng)中進行全面描述，實現(xiàn)信息共享，項目各參與方都可以從中得到自己所需要的數(shù)據(jù)資源信息，對各專業(yè)施工起到很好的協(xié)調作用，做到設計、施工、運營管理、維護等全壽命周期的一體化管理和無縫連接，大大提高施工質量、效率，節(jié)約建設、管理成本。

BIM技術功能強大，優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）可視化

在沒有BIM之前，建造者只能是通過二維施工圖紙的描述，對建筑物的三維實體結構展開想象。運用BIM技術可以直接建立三維實體模型，在可視化的情況下對構件之間的聯(lián)系進行反應，還能直接生成數(shù)據(jù)表格，并可出圖，實現(xiàn)了“所見所得”的展示效果，而且各施工專業(yè)之間的討論溝通與方案決策都能夠在三維實體模型的可視化狀態(tài)下直接提出更改意見并進行實操模擬。

2）協(xié)調性

BIM建筑信息模型提供了碰撞檢測技術，可以對各種專業(yè)工種在施工中的碰撞問題進行檢測，并提前做好專業(yè)協(xié)調。還可以協(xié)調諸如電梯井布置、防火分區(qū)、地下排水布置等與其它設施布置的空間要求。

3）模擬性

BIM不僅可以對建筑結構進行模擬，還可以對建筑物的日照、通風、節(jié)能、熱能傳導等情況進行模擬。BIM技術的模擬性可以說既反應了現(xiàn)實，同時又能超越現(xiàn)實，在放大、旋轉等功能性命令的輔助下，可以對現(xiàn)實情況下不可能實現(xiàn)的操作通過模型進行模擬查看。BIM還可以在三維的基礎上增加時間、價格要素，建成4D或5D模型，協(xié)助建設者做好施工進度和工程造價的動態(tài)管理，控制好施工成本。還可以對后期的運維以及突發(fā)狀況下的應急響應進行模擬。

4）優(yōu)化性

BIM提供了海量的數(shù)據(jù)資源，包括形狀、位置的幾何、物理以及規(guī)格信息等資源，這些資源對于設計方案的進一步優(yōu)化提供了巨大的幫助。有了這些強大的數(shù)據(jù)資源信息，BIM就可以對建筑結構設計中的一些復雜數(shù)據(jù)進行快速的處理和優(yōu)化，對工程量進行準確計算統(tǒng)計，加入價格因素，就能計算造價。BIM可以通過碰撞檢測，對結構設計中的錯誤自動糾正。在施工中發(fā)現(xiàn)問題時，可以直接通過模型查找來解決。如果在結構設計中需要更改某個組件或參數(shù)，往往是“牽一發(fā)而動全身”，但在BIM中，就只需要在界面上輸入更改的內(nèi)容，一鍵確定，其他關聯(lián)信息就會自動更改生成，如果是傳統(tǒng)的CAD圖紙修改，整個設計方案都得重來。

3 適用于建筑結構設計的BIM軟件

BIM技術在建筑工程中的應用，并不是一個軟件就能實現(xiàn)的。它是以BIM核心軟件作為平臺核心，再鏈接上其他專業(yè)的相關軟件，一般常用的有BIM方案設計軟件、可持續(xù)分析軟件、機電分析軟件、結構分析軟件、可視化軟件、以及模型檢查、深化設計、造價管理、能耗分析、運用管理等相關專業(yè)的軟件一起形成的一個BIM廣義系統(tǒng)。

BIM核心軟件的功能主要就是建模，在建筑行業(yè)領域使用最多的是Revit軟件，由歐特克公司開發(fā)，此軟件共有三個不同的版本，應用于結構設計的主要是Autodesk Revit Structure軟件。這款軟件集成了獨立分析、可編程以及多材質物理模型的所有優(yōu)勢，最大程度的保證了設計準確性與多專業(yè)的協(xié)調能力。

4 鋼筋混凝土結構設計基于BIM的兩種表現(xiàn)形式

鋼筋混凝土是目前建筑工程中普遍采用的結構形式，將BIM運用于建筑結構設計中，可以對鋼筋構件做三維鋼筋實體建模，生成結構以及構件的剖面圖；也可以在結構平面圖上進行符號標注。下面就對BIM常用的三維鋼筋實體模型法和平面配筋注釋法進行分析說明。

4.1 三維鋼筋實體模型法

所謂三維配筋建模，就是以建筑的實體結構為基礎，把鋼筋的框架結構建成BIM模型（見圖1），通過BIM的數(shù)字化三維技術對鋼筋進行表達，向設計者呈現(xiàn)結構中的細部構件，對鋼筋的定位、節(jié)點、尺寸、搭接長度以及箍筋間距變化等情況進行細節(jié)描述，對位置沖突上的避讓進行說明，讓隱蔽工程可視化，對框架結構的實際信息進行真實反應?？梢宰鳛榧夹g交底資料指導施工，讓施工者對建筑物有個更為感性的認識。并且可以直接對鋼筋以及混凝土進行算量，并生成造價預算表格。采用這種方法優(yōu)勢比較明顯，主要表現(xiàn)在四個方面：

1）鋼筋骨架模型化

相較于普通建筑模型，在建筑結構模型的基礎上增加了鋼筋實體模型，可以直接查看以三維立體形式呈現(xiàn)的結構鋼筋網(wǎng)。模型中包含鋼筋的尺寸、捆扎形式和空間定位等信息，對結構復雜的位置可以放大顯示，用于實操指導，提前避免實際施工捆扎鋼筋時可能出現(xiàn)的出現(xiàn)鋼筋碰撞。

2）隱蔽工程可視化

鋼筋是混泥土框架結構中的隱蔽工程，四周有混凝土包裹，在現(xiàn)實中是觀察不到這些內(nèi)部結構的，但在BIM呈現(xiàn)的三維視口中，通過修改混凝土參數(shù)、改變材質透明度、設置剖面視圖等多種方式，可以清晰的看到內(nèi)部鋼筋的排放位置及相關信息。

3）超越現(xiàn)實視角

BIM模型是基于現(xiàn)實實體基礎上計算機模擬呈現(xiàn)，可視化的角度和大小是可調的。使用者可以根據(jù)自己需要觀看的重點進行放大或縮小視圖，也可以從任意角度和方位觀看，這些操作只需要在軟件中進行旋轉或放大縮小命令操作即可。而現(xiàn)實實體觀察卻做不到這一點，人的視角有一定的局限性，也不可能對龐然大物放大縮小或旋轉。

4）自動化算量

精細化建模下的BIM模型包含了進行材料算量所需的各種基本信息，設計人員可以方便的在模型中直接查看工程的混凝土、鋼筋用量，根據(jù)混凝土類型、鋼筋直徑等特征生成材料清單，方便快捷的進行成本核算和比對（見圖1）。

但采用三維鋼筋實體模型顯示鋼筋框架結構也有一些缺點：需要對每根鋼筋的長度、定位等信息進行逐一處理，信息量多，工作量大，圖紙量大。而且對電腦的CPU以及顯卡的配置要求較高。

4.2 平面配筋注釋法

在BIM中也可以用平法表達鋼筋的相關信息，與傳統(tǒng)的平面圖不同，BIM的平法表達不止有抽象的符號，它給構件賦值了鋼筋的相關信息，可以進行提取交換與分析（見圖2）。注釋族與屬性欄里的參數(shù)相互關聯(lián)，只要修改屬性欄參數(shù)，平法施工圖內(nèi)對應的注釋符號、位置以及數(shù)據(jù)就會自動更改。

圖1 三維鋼筋框架結構實體模型

圖2 梁屬性欄參數(shù)與梁平面注釋族的關聯(lián)

采用這種表示方法的主要優(yōu)點在于制圖簡單，工作量小，電腦配置要求不高，而且節(jié)省圖紙，在一張圖紙上可以表述多條鋼筋的信息。但是它的缺點也很明顯，沒有三維效果，對施工過程的指導作用不大，目前也不能利用BIM對結構進行直接分析。

5 結語

將BIM技術應用于建筑結構設計中，生成可視化三維結構物理模型，可以提高施工者對建筑結構的感性認識，其具有的模擬性、協(xié)調性、優(yōu)化性特點可以把工程施工中的很多實際問題提前在設計階段解決掉，可視化用于指導施工，可以大大提高施工效率，而且在基于3D模型的基礎上，可以計算出鋼筋、混凝土的使用量，再加入時間、單價因素，在施工進度和工程造價動態(tài)管理上都有很好的表現(xiàn)。但BIM技術在建筑結構設計中的功用還不夠完美，尤其是在物理模型跟結構分析軟件的鏈接上，還有待進一步研究。