基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

谷宜豪（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

由于建筑領(lǐng)域直接關(guān)乎社會(huì)大眾的安危與舒適度，建筑領(lǐng)域一直處于高速狀態(tài)進(jìn)行發(fā)展。但在發(fā)展速度過快后逐漸發(fā)現(xiàn)很多問題，而且這些憑借傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)切實(shí)處理，這時(shí)建筑領(lǐng)域開始將重點(diǎn)放在BIM技術(shù)上，只要在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中靈活落實(shí)BIM，就能深入其中找出建筑結(jié)構(gòu)之中隱藏的安全風(fēng)險(xiǎn)，在這些風(fēng)險(xiǎn)完全排除后，社會(huì)大眾的安危就不會(huì)受到威脅，建筑舒適度也會(huì)有所增長(zhǎng)。

1 基于BIM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的價(jià)值

BIM模型即三維建筑工程信息數(shù)據(jù)模型，是基于三維建筑數(shù)字信息技術(shù)的一種新型計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，能夠依據(jù)模型相應(yīng)的建筑工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建建筑工程數(shù)據(jù)模型，并在建筑工程項(xiàng)目整體建設(shè)的工程設(shè)計(jì)、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)之中發(fā)揮重要指導(dǎo)作用。可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)所有建筑全面使用數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展現(xiàn)，其中還具有數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)管理的強(qiáng)大功能，不僅是它能夠有效確保所有使用建筑全部數(shù)據(jù)的充分動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，同時(shí)還能夠?qū)ㄖ?shù)據(jù)模型進(jìn)行及時(shí)自動(dòng)更新，對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整，大大提高的建筑工作效率及建筑工作管理質(zhì)量。除此之外，BIM建筑技術(shù)的迅速出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，使整個(gè)建筑業(yè)所有結(jié)構(gòu)生產(chǎn)技術(shù)部門都基于同一個(gè)新的建筑技術(shù)模型進(jìn)行工作，為整個(gè)建筑業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供了統(tǒng)一的建筑技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)。同時(shí)，運(yùn)用這一信息技術(shù)所設(shè)計(jì)構(gòu)建的建筑模型，包含了大量的建筑設(shè)計(jì)參數(shù)信息，工作人員僅僅只需對(duì)其中的基本信息和設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)修改，就已經(jīng)能夠輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)整，真正完全實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代建筑主體結(jié)構(gòu)的信息參數(shù)個(gè)性化整體設(shè)計(jì)。

2 基于BIM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

當(dāng)前，隨著現(xiàn)代建筑行業(yè)的快速健康發(fā)展，社會(huì)對(duì)于現(xiàn)代建筑工程的結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)要求也逐漸地提高，同時(shí)，對(duì)于現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)也逐漸提出了更高的設(shè)計(jì)要求，而現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計(jì)管理過程也逐漸變得更加復(fù)雜，并且在進(jìn)行現(xiàn)代化的建筑工程結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計(jì)管理過程中，以往一些傳統(tǒng)的施工設(shè)計(jì)管理方法已經(jīng)根本無法真正起到有效地防范作用，反而將其自身的一些問題逐漸地暴露下去出來，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生了不良的社會(huì)影響。

社會(huì)進(jìn)步時(shí)代的經(jīng)濟(jì)發(fā)展技術(shù)進(jìn)步大大提高了當(dāng)今人們的精神生活品質(zhì)，也使得當(dāng)今人們?cè)诰裎镔|(zhì)生活品質(zhì)上的提高要求越來越高，其中也特別包括專業(yè)建筑物，不僅特別要求整個(gè)建筑物必須具有美觀的整體外形，還特別要求整個(gè)建筑物的整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及室內(nèi)空間功能分布都具有一定的美觀性及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，這也大大增加了專業(yè)建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從業(yè)人員的工作難度。近年來，建筑工程的立面主體形式結(jié)構(gòu)變得愈加復(fù)雜，導(dǎo)致許多建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師在研究設(shè)計(jì)各種建筑主體結(jié)構(gòu)的整個(gè)過程中，需要重新想象比以往更為復(fù)雜的各種建筑結(jié)構(gòu)空間。

3 基于BIM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法

3.1 準(zhǔn)備設(shè)計(jì)方法

相關(guān)項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作人員，在對(duì)一個(gè)建筑施工結(jié)構(gòu)項(xiàng)目進(jìn)行總體設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)一項(xiàng)建筑工程及其施工結(jié)構(gòu)所在地的各個(gè)環(huán)節(jié)情況，進(jìn)行深入的專業(yè)了解與實(shí)地考察，對(duì)建筑施工結(jié)構(gòu)所在地，自然水文、地形、地質(zhì)等各種多方面情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查勘測(cè)，以此才能獲得準(zhǔn)確的勘測(cè)數(shù)據(jù)分析信息，而新的BIM勘測(cè)技術(shù)也同樣可以廣泛應(yīng)用其中。相關(guān)設(shè)計(jì)工作人員不僅可以直接利用BIM中的可視角變化功能特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)建筑工程結(jié)構(gòu)施工前期所在地的外部環(huán)境情況進(jìn)行實(shí)景勘察與設(shè)計(jì)分析，并將建筑施工過程所在地的自然地形、地貌等外部環(huán)境的各種具體情況實(shí)時(shí)呈現(xiàn)顯示出來，這樣便可根據(jù)這些具體信息對(duì)整個(gè)建筑工程結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面、合理地設(shè)計(jì)分析，保證整個(gè)建筑工程結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計(jì)施工質(zhì)量。

3.2 流程設(shè)計(jì)方法

BIM在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，能夠?qū)崿F(xiàn)3D設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑信息在三維空間中的有效體現(xiàn)，而在這一過程中，工作人員應(yīng)先實(shí)現(xiàn)建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程的構(gòu)建。在建筑方案階段，結(jié)構(gòu)工程師需要與建筑工程師進(jìn)行充分溝通，從建筑功能、結(jié)構(gòu)力學(xué)等方面，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并運(yùn)用BIM技術(shù)展示設(shè)計(jì)結(jié)果，與各專業(yè)工程師對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步地調(diào)整。在初步設(shè)計(jì)階段，工作人員可以將建筑相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到BIM軟件的新建結(jié)構(gòu)樣板中，從而構(gòu)建三維立體模型。隨后，工程師通過在平面結(jié)構(gòu)中對(duì)構(gòu)件進(jìn)行布置以及在相應(yīng)建筑模型中的檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免構(gòu)件碰撞沖突情況。并在結(jié)構(gòu)模型完成后，運(yùn)用有限元件分析軟件進(jìn)行試算，運(yùn)用BIM數(shù)據(jù)交換接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)換、更新和修改，避免重復(fù)建模，提高模型更新速度。在施工圖階段，工作人員需要將設(shè)計(jì)內(nèi)容反映到二維圖紙上，運(yùn)用BIM軟件中的平面視圖轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工圖的轉(zhuǎn)換。而在后期圖紙變動(dòng)中，仍然在三維圖形中進(jìn)行變更，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所有視圖構(gòu)件的修改。

3.3 空間設(shè)計(jì)方法

科學(xué)合理的整體空間規(guī)劃設(shè)計(jì)，能夠有效提高整個(gè)建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，而對(duì)于建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)的整體空間規(guī)劃則，主要包括：考慮建筑物的內(nèi)外室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)分布、建筑物的整體外觀等，BIM設(shè)計(jì)技術(shù)能夠在充分集合各種建筑工程各種立體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息的根本基礎(chǔ)上，將建筑初步設(shè)計(jì)時(shí)提出的各種建筑立體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行構(gòu)建，并形成完全可視化的各種建筑立體結(jié)構(gòu)模型，相關(guān)工程設(shè)計(jì)工作人員則不僅可以通過觀察各種建筑立體結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其整體空間規(guī)劃及資源分布利用情況可以進(jìn)行科學(xué)有效的設(shè)計(jì)分析，同時(shí)還要充分考慮整個(gè)建筑工程的整體功能性，進(jìn)而可以促使進(jìn)行建筑工程結(jié)構(gòu)的整體空間規(guī)劃并使設(shè)計(jì)方案最終達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果。

3.4 建模設(shè)計(jì)方法

BIM這項(xiàng)技術(shù)本身其實(shí)就是一種有效建模設(shè)計(jì)技術(shù)，將其廣泛應(yīng)用于我國(guó)建筑工程結(jié)構(gòu)的有效建模設(shè)計(jì)過程中，則不僅能夠有效實(shí)現(xiàn)我國(guó)建筑工程的三維立體結(jié)構(gòu)模型的有效建模構(gòu)建，進(jìn)而能夠促進(jìn)我國(guó)建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)有效性的大大提高。BIM這種技術(shù)應(yīng)用能夠?qū)⒄麄€(gè)建筑工程結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)方案從二維立體平面的信息展示設(shè)計(jì)狀態(tài)形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱顺蔀槿S立體的信息展示設(shè)計(jì)狀態(tài)，這樣不僅大大提高了整個(gè)建筑工程結(jié)構(gòu)的整體可視化展示程度，而且也為所有參與工程設(shè)計(jì)的建筑相關(guān)從業(yè)人員自身提供了更為直觀的整體建筑結(jié)構(gòu)模型，使得他們不僅能夠?qū)φ麄€(gè)建筑工程的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息及建筑空間布局設(shè)計(jì)規(guī)劃一個(gè)更為明確的整體認(rèn)識(shí)。不僅如此，BIM這種技術(shù)方案中的碰撞檢測(cè)技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)整個(gè)建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不合理的部分，并希望能夠及時(shí)檢測(cè)并找出其中部分存在的安全問題，相關(guān)建筑設(shè)計(jì)工作人員也希望能夠充分利用碰撞檢測(cè)這種技術(shù)手段對(duì)整個(gè)建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的存在問題部分進(jìn)行及時(shí)修正，保證整個(gè)建筑工程的后期整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.5 構(gòu)件設(shè)計(jì)方法

在現(xiàn)代建筑工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，構(gòu)件設(shè)計(jì)族主要類型包含板式結(jié)構(gòu)構(gòu)件基礎(chǔ)、板式結(jié)構(gòu)樓梯等。其中，鋼結(jié)構(gòu)和各種預(yù)制建筑構(gòu)件在各種建筑工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中十分常見，主要廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)工程建筑中，而高層住宅等各類工程建筑中，一般也都會(huì)盡量選用這種現(xiàn)澆鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件。設(shè)計(jì)施工人員可能需要根據(jù)不同工程實(shí)際設(shè)計(jì)需求隨時(shí)進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)型和構(gòu)件族的設(shè)計(jì)選擇，以大大提升工程設(shè)計(jì)施工效率。除此之外，還有必要同時(shí)加強(qiáng)，對(duì)這一關(guān)鍵技術(shù)的研究開發(fā)和應(yīng)用研究，提升其各項(xiàng)應(yīng)用功能，以利于優(yōu)化大型建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管理工作。

3.6 碰撞設(shè)計(jì)方法

有效的裝備碰撞條件分析技術(shù)能夠有效減少裝備設(shè)計(jì)變更，降低設(shè)備工程維護(hù)成本。而BIM則是在粒子碰撞物理分析過程中的重要運(yùn)用，則實(shí)現(xiàn)了信息的充分共享和協(xié)同設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒔ㄖ袕?fù)雜的空間幾何關(guān)系充分展現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)有效的碰撞分析檢查。

例如：在某高度為25m、總面積在17953m2的通信機(jī)房設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員運(yùn)用了BIM技術(shù)進(jìn)行碰撞分析。通過直接在軟件建筑結(jié)構(gòu)模型上對(duì)管線構(gòu)件布置進(jìn)行自動(dòng)布置，從而實(shí)時(shí)獲取文件相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算原理模型，工程師可以通過手動(dòng)連接管線文件，對(duì)管線設(shè)備及相關(guān)管線文件進(jìn)行自動(dòng)布置，并通過對(duì)監(jiān)控中心管線文件如何修改運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)控，及時(shí)分析獲取文件相應(yīng)的管線變動(dòng)條件情況。在碰撞分析中，運(yùn)用BIM技術(shù)構(gòu)建了建筑模型，并在碰撞檢查中及時(shí)發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中的問題。工作人員立即對(duì)這一問題進(jìn)行優(yōu)化，從而避免了后續(xù)施工中的圖紙變更等問題，大大節(jié)省了工程成本。由此可見，BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用是行之有效的，還需要工作人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中加強(qiáng)運(yùn)用。

4 結(jié)語

總而言之，BIM在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的落實(shí)水平，可以直接決定建筑結(jié)構(gòu)的最終質(zhì)量，所以施工單位在開展基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，最好先行了解BIM對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體價(jià)值。除此之外，在開始建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，需要注意BIM在準(zhǔn)備、流程、空間、建模以及碰撞等多方面的設(shè)計(jì)方法，保證基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)足夠合理，從而促使現(xiàn)代建筑的實(shí)際質(zhì)量得到持續(xù)強(qiáng)化。