基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計流程管理研究

陳波

（成都建工第一建筑工程有限公司，成都 610017）

1 引言

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不嚴(yán)謹(jǐn)，設(shè)計質(zhì)量不達(dá)標(biāo)是影響建筑質(zhì)量的重要因素[1]。依據(jù)二維結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳統(tǒng)方式不可避免地會有工作效率低下、與相關(guān)專業(yè)的信息傳遞不良、繪圖工作量大、結(jié)構(gòu)的構(gòu)件位置和設(shè)備管線碰撞和錯位等缺點[2]。

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型是利用數(shù)字模型完成建筑設(shè)計項目的設(shè)計和管理，具有智能化、數(shù)字化、各模型間信息關(guān)聯(lián)性好等優(yōu)點。另外，該系統(tǒng)強(qiáng)大的設(shè)計協(xié)同能力可以高效地檢查設(shè)計碰撞問題，明顯提高結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量。與此同時，設(shè)計管理是站在設(shè)計管理者的角度根據(jù)業(yè)主的要求，進(jìn)行建筑設(shè)計質(zhì)量和流程的管理[3]。設(shè)計管理的主要內(nèi)容包括：設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計信息的管理、與設(shè)計相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計流程的制定、設(shè)計協(xié)作的管理、設(shè)計質(zhì)量的管理。

2 BIM技術(shù)的特點

BIM技術(shù)不僅可以用在建筑的設(shè)計和施工過程中，還可以在建筑交付后的后期運(yùn)營和管理中發(fā)揮作用，可以應(yīng)用在建筑全壽命周期中。主要的特點有：

1）設(shè)計模型的可視化。傳統(tǒng)的基于CAD軟件的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是二維平面設(shè)計，設(shè)計成果只能通過平面來展示，很難體現(xiàn)出立體結(jié)構(gòu)的效果。BIM技術(shù)可以同時呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的三維立體效果和實現(xiàn)建筑實體的立體建模，如圖1所示。

圖1 BIM建筑設(shè)計三維模型

2）設(shè)計信息集成化。根據(jù)BIM基礎(chǔ)模型，各個專業(yè)的設(shè)計可以將設(shè)計的參數(shù)如構(gòu)建間的空間、尺寸、材料等信息輸入到模型當(dāng)中，實現(xiàn)各個專業(yè)間的高度集成。

3）可傳遞性。BIM技術(shù)可以在設(shè)計的各個數(shù)據(jù)之間建立有效和統(tǒng)一的關(guān)聯(lián)，不需要設(shè)計人員去更新相關(guān)工作，若程序自動修改了某項數(shù)據(jù)或內(nèi)容后，系統(tǒng)能夠自動將修改內(nèi)容反饋到與之關(guān)聯(lián)的圖元中，提高工作效率的同時減少了設(shè)計錯誤率。

3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題

基于二維平面的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計流程和管理模式面臨的主要問題包括以下4個方面：

1）設(shè)計方法方面。二維施工圖繪制方法，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的布置需要從平面和剖面2個方面繪制，若不進(jìn)行仔細(xì)的校對經(jīng)常會出現(xiàn)平、剖位置不對的錯誤。

2）設(shè)計手段方面。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)建模計算需要在不同軟件中進(jìn)行，結(jié)構(gòu)計算需要根據(jù)二維軟件中結(jié)構(gòu)布置來計算結(jié)構(gòu)建模，計算完成后還需要返回二維結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中再修改和繪制結(jié)構(gòu)圖紙。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后不可避免地會進(jìn)行修改或調(diào)整，不斷往復(fù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和建模會增加設(shè)計的工作量，降低設(shè)計質(zhì)量。

3）設(shè)計協(xié)同方面。二維空間的設(shè)計無法直觀地反映各個設(shè)計專業(yè)間的關(guān)系，相互之間的協(xié)作較為困難，只能依靠設(shè)計人員的空間想象力來設(shè)想各專業(yè)之間的關(guān)系，不可避免地會發(fā)生專業(yè)間的碰撞和構(gòu)件的位置沖突。

4）設(shè)計管理方面。一旦項目開始，設(shè)計單位面臨的工作量巨大，為了盡快達(dá)到業(yè)主要求的工作目標(biāo)，若設(shè)計的監(jiān)督管理不到位，設(shè)計圖紙的布局不合理、內(nèi)容不完整等現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)和建筑專業(yè)的對比檢查和校對會出現(xiàn)不仔細(xì)和不全面的問題。

4 基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

為了彌補(bǔ)二維設(shè)計圖紙的缺點，結(jié)合BIM技術(shù)特點和應(yīng)用情況，利用BIM技術(shù)對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程進(jìn)行了優(yōu)化，主要包括如下3個方面。

4.1 方案設(shè)計階段

基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計階段的管理流程：結(jié)構(gòu)專業(yè)先依據(jù)建筑專業(yè)提交的方案模型，結(jié)合項目實際情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計和建模。然后，對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算和分析，并進(jìn)行調(diào)整和修改及校審。下一步匯總各專業(yè)的方案模型數(shù)據(jù)，并進(jìn)行設(shè)計協(xié)調(diào)。最后，修改和調(diào)整各個專業(yè)的設(shè)計方案，進(jìn)入初步設(shè)計階段。

4.2 初步設(shè)計階段

基于BIM技術(shù)的初步設(shè)計階段的流程：首先項目的各個專業(yè)相互提交方案模型，根據(jù)地勘報告和荷載信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計建模，在此過程中，結(jié)構(gòu)和其他專業(yè)互提設(shè)計模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置和尺寸的初步設(shè)計并初步預(yù)留各專業(yè)的設(shè)備孔洞。然后計算和分析結(jié)構(gòu)模型，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整、修改和校審。最后根據(jù)各初步設(shè)計模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和匯總，進(jìn)行必要的修正和調(diào)整后進(jìn)入下一個階段。

4.3 施工圖設(shè)計階段

基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計階段的首要任務(wù)是各個專業(yè)相互提交初設(shè)模型，根據(jù)項目的地基、風(fēng)荷載、地震等實際情況，構(gòu)建結(jié)構(gòu)設(shè)計模型。建模完成后，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算并對結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和修改、校審。然后，匯總組合各設(shè)計專業(yè)的初步設(shè)計模型數(shù)據(jù)并進(jìn)行設(shè)計協(xié)調(diào)和修改，繼而完成結(jié)構(gòu)施工圖的設(shè)計模型。最后，可直接生成二維施工圖，經(jīng)過和結(jié)構(gòu)模型的校核后就可以將施工圖的BIM立體設(shè)計模型和二維圖紙一并交付給業(yè)主。

5 設(shè)計流程對比分析

基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計流程對結(jié)構(gòu)設(shè)計管理的改進(jìn)主要體現(xiàn)在：在方案設(shè)計階段，基于BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計可以將設(shè)計成果的表達(dá)從紙面過渡到結(jié)構(gòu)模型，可以直接將該成果應(yīng)用在企業(yè)的投標(biāo)、下一步的審批、以此為基礎(chǔ)的深化設(shè)計中。將傳統(tǒng)流程的階段性提資活動轉(zhuǎn)換成隨時對各專業(yè)模型進(jìn)行提取和交換的方式，專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計較好，可最大限度地避免交叉專業(yè)間的設(shè)計沖突風(fēng)險。2種結(jié)構(gòu)設(shè)計方式的區(qū)別如表1所示。

表1 兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計流程的對比

另外，BIM技術(shù)可以利用立體模型直觀地反映項目的設(shè)計成果，還可以直接生成二維圖紙，并可以根據(jù)模型和各個構(gòu)件實時更新，可以避免傳統(tǒng)圖紙中平面、立面、剖面不一致的情況。二維和BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計在各個階段工作量上的差別如表2所示。

表2 二維和BIM結(jié)構(gòu)不同設(shè)計階段的時間量

從表2可以看出，利用BIM技術(shù)可以明顯提高整個設(shè)計流程中的效率，平均提升了約37.6%，其中，檢查和協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)的提升最為明顯，達(dá)到了88.9%，效率提高最小的階段為施工圖的設(shè)計階段，效率提升了近20%。由此可得BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程當(dāng)中有明顯的優(yōu)勢。

6 結(jié)語

本文通過分析傳統(tǒng)二維建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的主要問題和基于BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，根據(jù)BIM技術(shù)的特點優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計的流程，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的管理水平，相比于傳統(tǒng)模式，該設(shè)計管理方案在設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計工程量方面有明顯的優(yōu)勢。

由于BIM技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用才剛剛興起，在應(yīng)用過程當(dāng)中還面臨著諸多問題，設(shè)計階段的模型細(xì)度不夠明確，BIM結(jié)構(gòu)模型和第三方結(jié)構(gòu)分析軟件在使用上的兼容性問題，對于BIM模型生成的建筑結(jié)構(gòu)的二維施工圖不一定完全符合相關(guān)的制圖標(biāo)準(zhǔn)，有時需要二維CAD輔助完成節(jié)點、細(xì)部的設(shè)計。另外，BIM技術(shù)的使用也會明顯增加設(shè)計單位的人力和運(yùn)營成本，軟件的維護(hù)費用也會增加。

綜合來講，BIM技術(shù)會明顯提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和設(shè)計的質(zhì)量，從長遠(yuǎn)的角度來看，BIM技術(shù)符合建筑設(shè)計企業(yè)質(zhì)量管理的目標(biāo)，會逐漸被整個設(shè)計行業(yè)大規(guī)模地應(yīng)用。