BIM技術(shù)在現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

劉 威

傳統(tǒng)建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多以圖紙形式展示建筑模型，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)突破了此種局限，其使用三維數(shù)字技術(shù)將建筑信息模型立體化呈現(xiàn)出來，同時(shí)建筑工程的各項(xiàng)參數(shù)信息與細(xì)節(jié)也直觀可見。不僅如此，BIM 技術(shù)還能完整儲存建筑工程設(shè)計(jì)、施工、拆除以及改造階段涉及的數(shù)據(jù)信息，為以后的工程管理提供有價(jià)值的參考依據(jù)。目前，BIM 技術(shù)除了應(yīng)用在建筑工程領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用于橋梁、道路、城市排水等領(lǐng)域。

1 BIM 技術(shù)在現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 減少設(shè)計(jì)與施工誤差

BIM 技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，首先，要在施工前用計(jì)算機(jī)繪制出與建筑工程一致的虛擬模型，將建筑工程的墻體結(jié)構(gòu)、鋼筋分布、骨架結(jié)構(gòu)等直觀立體地呈現(xiàn)出來。其次，動態(tài)測試建筑工程的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并將測試結(jié)果輸入模型中，觀察數(shù)據(jù)輸入后建筑模型產(chǎn)生的變化。最后，結(jié)合模型變化規(guī)律提出調(diào)整工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[1]。通過此種技術(shù)手段有利于減少設(shè)計(jì)方案與實(shí)際施工之間存在的誤差。

1.2 提升施工效率與質(zhì)量

建筑工程施工單位以往都是根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）圖紙來確定施工要求，然而建筑工程實(shí)際施工情況與平面設(shè)計(jì)圖紙的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在一定差距，無法切實(shí)保障工程施工的整體質(zhì)量。且后續(xù)還會涉及CAD圖紙、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，無形中增加了人力與資金的投入，延長了施工周期，無法保障建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益[2]。應(yīng)用BIM 技術(shù)能夠靈活調(diào)整建筑模型中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一性，也可間接提升建筑工程的施工效率與質(zhì)量，促使施工單位收獲預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

1.3 實(shí)現(xiàn)工作的自動交接

在傳統(tǒng)的建筑工程施工模式中，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)或設(shè)計(jì)圖紙發(fā)生變化，均會不同程度影響建筑工程整體的施工進(jìn)度。另外，設(shè)計(jì)圖紙與施工現(xiàn)場存在出入的情況也時(shí)有發(fā)生，必然會增加工程的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致停工。將BIM 技術(shù)應(yīng)用到建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可使各項(xiàng)工作自動完成交接，因?yàn)橄到y(tǒng)中任意一項(xiàng)建筑虛擬模型的數(shù)據(jù)發(fā)生變動，其他相關(guān)數(shù)據(jù)也會隨之發(fā)生改變。工作人員核實(shí)所有數(shù)據(jù)信息無誤后，便可將建筑模型的設(shè)計(jì)圖紙打印出來，作為后續(xù)施工的依據(jù)，從而達(dá)到提高建筑工程施工測量的準(zhǔn)確性、確保工程質(zhì)量以及提高經(jīng)濟(jì)效益的目的[3]。

2 BIM 技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用要點(diǎn)

BIM 技術(shù)以3D 數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，通過采集建筑全生命周期的數(shù)據(jù)，完成建筑三維立體模型的構(gòu)建。相對于傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，BIM 技術(shù)的應(yīng)用更為高效，通過建立信息模型在施工、維護(hù)等過程中進(jìn)行信息化交流，保證決策的科學(xué)性和有效性。

由此可見，BIM 技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)集成化的管理體系，將其應(yīng)用到現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，能夠大幅減少規(guī)劃、建設(shè)、監(jiān)理的工作量，有效保證監(jiān)理工作質(zhì)量，將工程風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

2.1 結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在建筑工程結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)中，BIM 技術(shù)的運(yùn)用集中體現(xiàn)在平面布局、施工方案兩個(gè)方面。首先，積極引入Revit Architecture 軟件系統(tǒng)（下文簡稱RA），通過模擬三維場景進(jìn)行場景平面布局。其次，采用多種材料構(gòu)建建筑的不同結(jié)構(gòu)形式，待完成三維建模后，便可結(jié)合模型形態(tài)與設(shè)計(jì)意圖反復(fù)推敲其中的參數(shù)，最終得到有價(jià)值的數(shù)據(jù)[4]。以工業(yè)建筑裙樓為例，在利用BIM 技術(shù)實(shí)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，可以嘗試安裝玻璃幕墻，設(shè)計(jì)為六邊形、不等邊矩形，使建筑立面具有現(xiàn)代化特色?？紤]到裙樓是對塔樓的擴(kuò)展，可采用3層弧形結(jié)構(gòu)，利用RA 系統(tǒng)的可視化功能完成整個(gè)建筑的整體布局。

2.2 碰撞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在建筑工程空間位置的碰撞設(shè)計(jì)過程中，利用BIM 信息模型可以完成草圖模型的精細(xì)化加工，切實(shí)保證所建信息模型的完整性。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于碰撞方案模型涉及大量的基礎(chǔ)信息，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要注意層數(shù)的設(shè)定，并通過創(chuàng)建柱圖和制作墻體來生成梁、柱、板。采用RA 設(shè)定建筑的最大疊加層數(shù)，保證層數(shù)設(shè)定科學(xué)可靠的同時(shí)，通過構(gòu)建柱狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步完善柱圖體系。在繪制墻面時(shí)，需要將對應(yīng)參數(shù)輸入墻壁設(shè)置模塊中。幕墻制作中采用RA 工具包，通過選擇參照線的方法構(gòu)建幕墻的平面、豎直度以及室內(nèi)標(biāo)高。

此時(shí)，BIM 模型的主題內(nèi)容已經(jīng)基本設(shè)計(jì)完成，梁柱、板件等建筑主體結(jié)構(gòu)的參數(shù)也在模型中逐一得到優(yōu)化。在工業(yè)建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其高承壓、高強(qiáng)度等特性，此類結(jié)構(gòu)的截面要大于普通截面[5]。采用BIM 技術(shù)的目的就是要合理控制鋼筋混凝土構(gòu)件的截面高度，減少配筋率，避免梁柱交接位置的鋼筋過于集中，為工程施工提供便捷條件，從而提高混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM 技術(shù)，要求與已有的三維建筑信息模型相結(jié)合，依托Revit Structure 構(gòu)造出結(jié)構(gòu)分析模型和鋼筋信息模型。對管線設(shè)備來說，在工業(yè)建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用Revit MEP，需要增加參數(shù)設(shè)計(jì)，將建筑工程建設(shè)目標(biāo)以參數(shù)化形式體現(xiàn)在BIM 模型中，并建立統(tǒng)一的連接。

然而，考慮到建筑工程中包含的專業(yè)、項(xiàng)目繁多，需要通過BIM 技術(shù)協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作，特別是設(shè)備管線設(shè)計(jì)的碰撞檢測環(huán)節(jié)更是必不可少。因此，在結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化中要著重拓展碰撞檢查的覆蓋面。對于一些重要部位，應(yīng)將管道布置圖輸入信息模型中，然后按照設(shè)計(jì)圖生成建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備專業(yè)的三維模型，以便實(shí)施不同專業(yè)的碰撞測試，并出具碰撞報(bào)告[6]。

現(xiàn)代建筑工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以嘗試?yán)盟木S動畫模擬施工，或者進(jìn)行結(jié)構(gòu)建造和其他方面的工作。以復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為例，由于工程結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)位置比較復(fù)雜，鋼筋數(shù)量較多，因此可以利用BIM 進(jìn)行空間實(shí)體建模，并按照設(shè)計(jì)圖紙加固復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，然后在鋼筋錨桿上定位三維位置。利用三維模型可以迅速獲取隱藏信息，防止鋼筋在交叉和碰撞時(shí)出現(xiàn)空間不足的情況，同時(shí)也能顯示出錯(cuò)綜復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)施工工藝，做好現(xiàn)場施工指導(dǎo)與管理工作，全面推進(jìn)精細(xì)化管理，降低質(zhì)量與安全隱患，有效提高建筑施工技術(shù)的管理水平。

2.4 不同階段視圖設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

BIM 技術(shù)在不同階段視圖設(shè)計(jì)中的應(yīng)用各有側(cè)重點(diǎn)。在建筑工程三維透視效果圖生成階段，利用BIM 技術(shù)能夠輔助生成透視圖，并通過應(yīng)用構(gòu)造工具協(xié)同完成建筑結(jié)構(gòu)的建模與透視圖的構(gòu)建。在建筑工程平面圖生成階段，采用平面圖窗口進(jìn)行編輯，通過三維建模的方式繪制出頂視圖，虛擬呈現(xiàn)二維建筑圖形，并在此基礎(chǔ)上設(shè)定多次剪切面方位，即可繪制出各樓層的平面圖。

在建筑工程剖面圖與立體圖生成階段，各項(xiàng)要素都基于三維建模生成，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)造出新的模型，而且支持實(shí)時(shí)查看、編輯、修改。其關(guān)鍵在于保證剪裁面的設(shè)置科學(xué)合理，以二維圖形的形式進(jìn)行編輯、修改、處理，與平面圖方案相配合實(shí)施自動調(diào)節(jié)。例如，有辦公區(qū)域、加工區(qū)域、員工宿舍等的工業(yè)樓宇，采用板式樓梯結(jié)構(gòu)，既能保證建筑美觀，又方便現(xiàn)場施工。但在設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證梯梁下部的空間滿足設(shè)計(jì)要求，要利用BIM 技術(shù)進(jìn)行視圖設(shè)計(jì)，避免因高度不足而發(fā)生碰撞。

3 BIM 技術(shù)在現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用策略

構(gòu)件之間、構(gòu)件與設(shè)備之間、設(shè)備之間的科學(xué)設(shè)置，以及構(gòu)件與電纜開槽關(guān)系調(diào)節(jié)等均屬于現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所要關(guān)注的內(nèi)容，且建立建筑模型、構(gòu)件荷載、剪力墻計(jì)算以及施工程序優(yōu)化等也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)。將BIM技術(shù)應(yīng)用到上述工作內(nèi)容中，不僅有助于降低工作人員的設(shè)計(jì)難度，而且可以很好地解決構(gòu)件碰撞問題，切實(shí)保障建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)穩(wěn)定性。

3.1 建立建筑模型

由于建筑工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難度系數(shù)高，因此在正式施工前需要構(gòu)建一個(gè)完善的模型，用作建筑工程的研究依據(jù)。BIM 技術(shù)的三維化功能主要體現(xiàn)在三維立體模型的構(gòu)建方面，通過將建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)要素之間的關(guān)聯(lián)性直觀呈現(xiàn)在模型中，工作人員可以認(rèn)真研究其中的細(xì)節(jié)，這樣既能確保審核工作質(zhì)量，同時(shí)也讓工程結(jié)構(gòu)最終的設(shè)計(jì)結(jié)果與現(xiàn)場環(huán)境、施工要求、客戶需求相契合，為后續(xù)工程施工奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2 結(jié)構(gòu)部件碰撞試驗(yàn)

建筑由墻、柱、梁、板等多種結(jié)構(gòu)部件組成，而建筑工程又具有復(fù)雜性特點(diǎn)，構(gòu)件之間、構(gòu)件與設(shè)備之間、構(gòu)件與線纜布局之間的影響必不可少，若不注意則會造成嚴(yán)重后果。以地鐵建筑工程為例，構(gòu)件間的碰撞、構(gòu)件與車輛間的碰撞都是造成安全隱患的重要因素。一般情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的碰撞實(shí)驗(yàn)都是以二維平面圖作為推算依據(jù)，推算盲區(qū)的問題無法避免。BIM 技術(shù)利用多種參數(shù)反復(fù)驗(yàn)算構(gòu)件，可以清晰發(fā)現(xiàn)潛在的沖突，讓工作人員直接觀察到構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)，將盲區(qū)范圍控制到最低。例如，上海國家會展中心考慮到構(gòu)件、設(shè)備的復(fù)雜特點(diǎn)，積極引進(jìn)BIM 技術(shù)開展綜合碰撞實(shí)驗(yàn)，促使建筑施工得以順利有序推進(jìn)，有效規(guī)避了后續(xù)返工、施工變更等問題。

3.3 構(gòu)件荷載計(jì)算

BIM 技術(shù)模型中，不同類型構(gòu)件的荷載都有計(jì)算公式，工作人員僅需按照要求將構(gòu)件尺寸、材料配比、材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)據(jù)信息輸入模型中，便可直接得出梁、墻、頂、板的具體荷載，進(jìn)而保證構(gòu)件更加可靠且穩(wěn)定。在BIM 技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)，Revit 屬于較為普遍的軟件之一，該軟件操作簡單、計(jì)算便捷，大大降低了設(shè)計(jì)難度。

例如，北京商務(wù)中心區(qū)的“中國尊”，該工程的外部幕墻工程非常龐大，在實(shí)際施工階段正是利用BIM 技術(shù)進(jìn)行幕墻荷載的精準(zhǔn)計(jì)算，才最終呈現(xiàn)出壯觀別致的建筑外部造型，成為我國一項(xiàng)經(jīng)典的精品工程。上海中信大廈也是將BIM技術(shù)應(yīng)用到工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，綜合計(jì)算地基承載力、地基荷載。

3.4 剪力墻計(jì)算

在建筑整體結(jié)構(gòu)中，由于剪力墻具備抗震、抗風(fēng)荷載、抗變形等性能，能夠抵御地震、颶風(fēng)等產(chǎn)生的剪切力，因此成為保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與品質(zhì)的重要因素。

剪力墻構(gòu)造施工前，應(yīng)提前計(jì)算混凝土與鋼筋配比，這樣才能確保剪力墻的剛度。常規(guī)計(jì)算方式中，需要將已知因素逐一代入公式中，計(jì)算流程煩瑣、難度高、耗時(shí)長。BIM 技術(shù)則截然不同，程序已設(shè)定好計(jì)算公式，僅需直接輸入?yún)?shù)即可輕松獲得剪力墻的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.5 規(guī)劃建筑空間

精心規(guī)劃建筑空間的目的是確保建筑工程施工成果與實(shí)際情況相適應(yīng)，最大程度利用有限空間。建筑空間受地形地貌、土壤構(gòu)成等多種因素影響，因此在實(shí)施規(guī)劃前需要現(xiàn)場勘查與科學(xué)分析地形特征，綜合考量地形的坡度、坡高、斜率等參數(shù)。通過利用信息化技術(shù)功能，以BIM 模型為載體直接輸入?yún)?shù)，然后結(jié)合模型計(jì)算結(jié)果針對性規(guī)劃建筑空間，并以三維立體形式呈現(xiàn)建筑內(nèi)外結(jié)構(gòu)與周圍空間，最后測試調(diào)整空間規(guī)劃方案。此種方式能夠有效避免后續(xù)施工階段因空間不足問題造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

3.6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)施工程序

建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求工作人員梳理清楚結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工順序，將安全、質(zhì)量、成本、進(jìn)展等問題納入考慮范疇，演示施工工序后便可生成切實(shí)可行的施工方案，為后續(xù)的施工管理提供重要依據(jù)。以江蘇省蘇州市的中南中心為例，該建筑高達(dá)729 m，施工難度系數(shù)很大，建筑結(jié)構(gòu)主體較多，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度增加。因此，在確定施工事宜之前便引進(jìn)了BIM 系統(tǒng)，通過技術(shù)加持來模擬構(gòu)件施工程序，有效保證了工程質(zhì)量。

4 結(jié)語

在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為進(jìn)一步保障設(shè)計(jì)過程的科學(xué)合理性，需要積極引入BIM 技術(shù)，大幅提升建筑工程的設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量以及精準(zhǔn)度，有效控制資金成本投入，將設(shè)計(jì)周期縮減到最短。因此，需要掌握BIM技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，有意識、有規(guī)劃地將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到建筑模型構(gòu)建、結(jié)構(gòu)部件碰撞試驗(yàn)、構(gòu)件荷載計(jì)算、剪力墻計(jì)算、規(guī)劃建筑空間以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)施工程序等環(huán)節(jié)，提高建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，使建筑的功能更加完善。