建筑信息模型技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用探究

劉曉峰

(深圳市一方建筑設(shè)計有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引 言

在深化建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，BIM技術(shù)即建筑信息模型技術(shù)在此項工作中發(fā)揮了其他技術(shù)所無法代替的優(yōu)勢。我國在2002年首次引進此項技術(shù)，并將此項技術(shù)應用到了建筑產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展與建設(shè)工作中，在此后的一段時間內(nèi)，建筑科研單位持續(xù)進行了建筑信息模型技術(shù)的推廣應用，成功實現(xiàn)了對國內(nèi)建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，解決了建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計中存在的碰撞、協(xié)同性差等問題[1]。但從此項技術(shù)的應用現(xiàn)狀可以看出，建筑信息模型技術(shù)的應用也出現(xiàn)了一些問題，這些問題在一定程度上影響并抑制了產(chǎn)業(yè)在市場內(nèi)的協(xié)同發(fā)展[2]。因此，本文將基于技術(shù)的協(xié)同設(shè)計理念，開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的全面優(yōu)化設(shè)計研究。

1 基于建筑信息模型技術(shù)的建筑協(xié)同設(shè)計理論分析

在2000年，英國某建筑領(lǐng)域研究學者首次在學術(shù)文章中發(fā)表了建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計會影響到建筑行業(yè)的建設(shè)與發(fā)展成本，當結(jié)構(gòu)設(shè)計存在不合理等問題時，建筑的設(shè)計、施工與后續(xù)成本將呈現(xiàn)增加趨勢，通過大量的仿真實驗與實踐檢測，不合理的建筑結(jié)構(gòu)會使工程建設(shè)項目增加約30%的成本[3]。相關(guān)理論在建筑市場內(nèi)甫一提出，便受到了諸多研究人員的關(guān)注，繼而在2004年，美國在完成了相關(guān)研究后指出，某建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件由于操作不當、未經(jīng)過技術(shù)檢驗出現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換問題，這一問題造成的經(jīng)濟損失達到了150億美元。

在這一背景下，建筑信息模型技術(shù)被提出，并成功進入專業(yè)人員研究范疇中，可以將此項技術(shù)作為一個基于三維模型的建筑設(shè)計技術(shù)。此項技術(shù)不僅集成了建筑全周期生命信息，實現(xiàn)了在建筑工程項目設(shè)計階段對多渠道獲取數(shù)據(jù)的集成與虛擬化設(shè)計，也解決了傳統(tǒng)設(shè)計工作存在的交互困難、表達能力差、重復作業(yè)量大、專業(yè)沖突等問題[4]。為了全面解決建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計中存在的不合理問題，應加大在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的建筑信息模型技術(shù)協(xié)同作業(yè)。

傳統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計主要以二維平面設(shè)計為主，在進行不同單元設(shè)計時，會根據(jù)不同區(qū)域的設(shè)計需求不同，選擇與專業(yè)對應的設(shè)計軟件進行專業(yè)設(shè)計工作，并在此過程中將AutoCAD作為結(jié)構(gòu)設(shè)計圖像主要繪制工具，采用操作工具等方式，進行二維平面圖紙的繪制，實現(xiàn)將不同專業(yè)的設(shè)計成果以二維圖紙的方式展示或呈現(xiàn)。盡管此種設(shè)計方法基于理論層面分析是具有一定可行性的，但卻無法實現(xiàn)在專業(yè)設(shè)計過程中，對各個設(shè)計單元之間的交互與信息共享[5]。尤其在某個設(shè)計單元出現(xiàn)技術(shù)變更或圖紙變更時，會由于設(shè)計單元之間缺少有效的溝通，導致設(shè)計變更信息無法被及時傳遞，此種問題最終會導致設(shè)計施工成果出現(xiàn)返工或設(shè)計沖突現(xiàn)象。

在對我國建筑行業(yè)的深化研究中發(fā)現(xiàn)，超過80%的建筑設(shè)計方仍在以二維圖紙作為主要交付方式，也正因如此，導致我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作無法實現(xiàn)全過程動態(tài)化與智能化。

盡管建筑信息模型技術(shù)為建筑領(lǐng)域的建設(shè)與發(fā)展指示了全新的方向，但由于三維可視化技術(shù)需要完整的建筑信息結(jié)構(gòu)模型作為支撐[6]。因此，有必要在開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作時，將此項技術(shù)與建筑協(xié)同設(shè)計理論進行對接與融合，通過三維技術(shù)與建筑信息模型技術(shù)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，并采用獲取建筑結(jié)構(gòu)物理特性信息、材料信息、力學參數(shù)信息等方式，生成一個可及時編輯的建筑結(jié)構(gòu)平面圖與剖面圖，保證設(shè)計成果在發(fā)生變更后，可以及時根據(jù)需求，進行信息的交互與共享，保證多個參與方及時參與到設(shè)計工作中，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的全面協(xié)同。

2 建筑信息模型技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用

2.1 構(gòu)建建筑BIM結(jié)構(gòu)模型

針對現(xiàn)實中的建筑結(jié)構(gòu)進行模擬生成模型，利用模型可以實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般規(guī)律的探索，并實現(xiàn)對其進一步分析，達到掌握現(xiàn)實建筑結(jié)構(gòu)特性的目的。在對建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，引入BIM技術(shù)，利用構(gòu)建的BIM模型將現(xiàn)實建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C當中三維呈現(xiàn)的力圖模型，針對BIM結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建即可看作對建筑結(jié)構(gòu)模型的基本構(gòu)建，二者在結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是相同的[7]。建筑BIM結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 建筑BIM結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建流程圖

為了方便論述，選擇以某別墅建筑為例。已知該別墅的層數(shù)為3層，屬于獨立別墅類型，棟數(shù)較多，且戶型相對簡單，每棟建筑的面積為300 m2左右，包含地上兩層和地下一層。已知該別墅建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用獨立基礎(chǔ)，盡管在建筑當中包含了數(shù)量較多的結(jié)構(gòu)部件，但重復的構(gòu)件眾多[8]。在明確該別墅建筑的基本結(jié)構(gòu)后，引入建筑信息模型技術(shù)，在確保各項專業(yè)工作相互協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，完成對建筑BIM結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建。具體操作過程中，利用建筑信息模型技術(shù)，通過共享參數(shù)的方式對各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的標注族和標簽族進行創(chuàng)建，并以此實現(xiàn)對各個結(jié)構(gòu)全過程平法表示。在進行上述操作時，應用Revit軟件完成。

2.2 基于建筑信息模型技術(shù)的平法施工圖繪制

按照上述建模步驟建立一個建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計對象的模型，模型當中包含了建筑的基礎(chǔ)構(gòu)件、梁構(gòu)件、板構(gòu)件和柱構(gòu)件。在利用建筑信息模型技術(shù)繪制平法施工圖時，所有設(shè)計者都需要遵循平法施工圖設(shè)計規(guī)范，將其作為重要前提，實現(xiàn)對共享參數(shù)和標簽族的創(chuàng)建。圖2為某建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中梁構(gòu)件的標簽族和在平法施工圖中應用的示意圖。

圖2 某建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中梁構(gòu)件的標簽族和在平法施工圖中應用的 示意圖

在Revit軟件當中創(chuàng)建一個全新的項目，選擇菜單欄中的“管理”選項，并點擊下方“共享參數(shù)”指令。在彈出的“編輯共享參數(shù)”窗口當中創(chuàng)建全新的指令，創(chuàng)建共享參數(shù)和新建組，在之后的創(chuàng)建參數(shù)窗口當中完成參數(shù)共享，此時完成了對建筑結(jié)構(gòu)平法共享參數(shù)的創(chuàng)建。按照上述流程創(chuàng)建的共享參數(shù)具備良好的協(xié)調(diào)性，在后期對設(shè)計方案更改時，只需要修改一處，其他位置的參數(shù)也會隨之發(fā)生改變，以此實現(xiàn)基于建筑信息模型技術(shù)的參數(shù)協(xié)調(diào)控制。

在Revit軟件當中完成對共享參數(shù)的創(chuàng)建后，針對標簽族進行創(chuàng)建。在Revit軟件當中，結(jié)構(gòu)柱定位圖以及建筑梁平法配筋圖當中都可以添加建立的標簽族。通過對建筑結(jié)構(gòu)BIM模型和族文件的編制，從Revit軟件中設(shè)計出對應建筑結(jié)構(gòu)以及相關(guān)詳圖的平法施工圖描述。針對生成的結(jié)果可以利用二維CAD對其進行表達。在結(jié)合建筑信息模型技術(shù)的基礎(chǔ)上，得到建筑結(jié)構(gòu)平法施工圖，利用該施工圖實現(xiàn)對施工設(shè)計的管理，促進設(shè)計效率的提升。在Revit軟件當中創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)平法施工圖中可以看出，在施工圖當中包含了多項建筑結(jié)構(gòu)信息，若實際應用的建筑項目結(jié)構(gòu)簡單，則可以實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)信息的快速運用，以此提升設(shè)計工作的效率。

2.3 確定建筑IFC空間結(jié)構(gòu)關(guān)系

為了確保后續(xù)各項工作的開展具備更標準的依據(jù)，從而實現(xiàn)各個專業(yè)參與方的銜接，以建筑信息模型技術(shù)作為基礎(chǔ)，在BIM平臺上開展各項工作，以此減少由于數(shù)據(jù)交換的不協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)丟失造成的嚴重后果。建筑IFC空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 建筑IFC空間結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

由于IFC標準本身具備一定的開放性，且閱讀性更面向于大眾群體，因此任何人都能夠使用和查找，方便建筑項目各個參與方使用。同時，IFC標準當前主要應用在工業(yè)建筑領(lǐng)域和民用建筑領(lǐng)域當中，因此將IFC標準作為建筑結(jié)構(gòu)BIM軟件與第三方交換軟件的連接條件具備極高可行性，并且IFC標準本身是針對數(shù)據(jù)交換設(shè)計而來的，因此將IFC標準應用到其他軟件當中也能夠進一步提高數(shù)據(jù)資源的利用價值。在制定IFC標準時，結(jié)合集成嵌套的關(guān)系，將建筑結(jié)構(gòu)當中的構(gòu)件信息、樓層信息、建筑物信息等相互結(jié)構(gòu)，并構(gòu)成一套具備系統(tǒng)性的框架結(jié)構(gòu)。在IFC標準當中，嵌套規(guī)則是核心，通過嵌套的方式對各個建筑結(jié)構(gòu)實體進行定義。建筑IFC空間結(jié)構(gòu)中共包含了場地層次、建筑層次、樓層層次和空間層次等四個不同層次結(jié)構(gòu)，從這一點可以看出IFC標準遵循的是一般層次結(jié)構(gòu)關(guān)系。建筑項目當中包含著多個場地，而場地當中又包含了多個建筑，建筑整體又是由多個樓層組成的，各個樓層又可以看作由梁板柱和各個構(gòu)件組成的。按照這一標準，將其作為設(shè)計的思路完成對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

2.4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容標準信息描述

將建筑機構(gòu)設(shè)計內(nèi)容標準信息劃分為四個基本層次，從高到低依次為領(lǐng)域?qū)印⒐蚕韺?、核心層和資源層。將具有相似性的工程信息匯總在同一個模塊的同一層當中完成描述。在上述基于IFC標準的基礎(chǔ)上，對設(shè)計內(nèi)容的標準信息進行描述時，不得出現(xiàn)越級情況，例如資源層不得使用領(lǐng)域?qū)赢斨械男畔υO(shè)計內(nèi)容進行描述。通過這一描述規(guī)定的設(shè)置能夠有效避免結(jié)構(gòu)改動時造成混亂的問題。針對各個層級的具體信息描述內(nèi)容設(shè)置，在領(lǐng)域?qū)赢斨邪渌鱾€領(lǐng)域的所有信息；在共享層當中包含了不同專業(yè)下需要完成交換的信息；在資源層當中包含了最基礎(chǔ)的建筑結(jié)構(gòu)信息，例如幾何信息、材料信息等。在實際對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容進行描述時，應當結(jié)合設(shè)計需要，從對應層次領(lǐng)域當中挑選出符合描述規(guī)定的信息，并將其匯總構(gòu)成一個完整的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容標準描述信息。

3 對比分析

為證明設(shè)計的方法可行，下述將通過對比實驗的方式，對基于建筑信息模型技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行檢驗。在設(shè)計研究前，應先進行建筑設(shè)計概況的描述，具體內(nèi)容見表1。

表1 建筑設(shè)計概況的描述

完成對建筑設(shè)計基礎(chǔ)信息與概況的描述后，使用本文設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法，對建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，對比兩種方法設(shè)計后的綜合性能。對比結(jié)果見表2。

表2 本文設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法實際應用效果

從上述對比結(jié)果可以看出，使用本文設(shè)計方法進行建筑結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計，可以降低設(shè)計成果的造價、縮短建筑工程施工工期、減少設(shè)計變更行為的發(fā)生次數(shù)、控制施工中的管線碰撞次數(shù)、避免建筑項目后續(xù)施工出現(xiàn)風險，從而提高建筑工程項目的綜合性能指標。綜上可知，本次提出的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在引進建筑信息模型技術(shù)后，具有了更加顯著的優(yōu)勢，可以全面或徹底解決傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)存在的不足與短板。

4 結(jié)束語

在本文研究的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中，引進了建筑信息模型技術(shù)。對比實驗結(jié)果證明，設(shè)計方法具有更加優(yōu)化的綜合性能，可以解決傳統(tǒng)方法在應用中存在的多種不足。

但此次設(shè)計也存在一些缺陷，包括沒有構(gòu)建建筑信息模型共享平臺，無法實現(xiàn)此模型在更多領(lǐng)域中的應用轉(zhuǎn)換，沒有嘗試將此項技術(shù)與更多技術(shù)進行創(chuàng)新融合，無法實現(xiàn)對現(xiàn)代化設(shè)計產(chǎn)物的進一步更新與優(yōu)化。上述提出的問題都將在后續(xù)的研究中進行優(yōu)化，因此，我國建筑行業(yè)的發(fā)展與建設(shè)勢必向著更加優(yōu)化的方向進步。

本次課題的研究受到多種因素的影響，可能存在一些論點論述不清，希望在后續(xù)的研究中，通過對建筑領(lǐng)域相關(guān)設(shè)計工作的進一步調(diào)研，優(yōu)化此次設(shè)計成果，完善相關(guān)理論。