關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中BIM 技術(shù)的應(yīng)用

倪靜

（安徽寰宇建筑設(shè)計院，安徽 合肥 230000）

0 引言

改革開放以來，我國建筑行業(yè)隨著經(jīng)濟的飛速增長在持續(xù)快速發(fā)展，但建筑行業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中仍然存在很多的問題和缺陷，這些問題和缺陷主要體現(xiàn)在設(shè)計軟件不夠完善、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的程序不夠規(guī)范。第一個問題主要體現(xiàn)在建筑行業(yè)在使用BIM 技術(shù)的同時會用較多輔助軟件，但因為BIM 技術(shù)進入我國時間尚短，很多的軟件使用的是盜版或者簡化版本，不能很好地輔助BIM 技術(shù)發(fā)揮作用，應(yīng)用效率不高。另外，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計程序不夠規(guī)范的問題，主要是因為我國建筑設(shè)計行業(yè)起步較晚，設(shè)計流程不夠科學(xué)。在我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計各個子項目中，大多都是不同專業(yè)的人單獨完成自己的領(lǐng)域，子項目之間缺乏合理溝通，在遇到一些疑難問題時不能統(tǒng)籌解決，造成項目滯后、浪費項目資金的后果。且即使保證了各個子項目之間的進度統(tǒng)一性，也無法保證各個子項目之間的工作人員能夠進行有效技術(shù)信息交流，進行聯(lián)動設(shè)計，極易導(dǎo)致施工項目返工，使得項目整體的難度系數(shù)加大[1]。

1 BIM 技術(shù)概述

20 世紀(jì)90 年代末，CAD 技術(shù)在我國快速推廣，改變了傳統(tǒng)圖板手工繪圖的設(shè)計方法與生產(chǎn)模式，將設(shè)計人員從傳統(tǒng)設(shè)計計算、反復(fù)手工改圖中解放出來，將更多精力放在專業(yè)問題處理與設(shè)計方案優(yōu)化上。但是，21 世紀(jì)以來隨著建筑結(jié)構(gòu)種類與構(gòu)件構(gòu)造形式的變化，二維表達方式的局限性凸顯，目前BIM 技術(shù)的推廣應(yīng)用為建筑工程設(shè)計、施工與管理提供了新的技術(shù)思想。BIM，中文翻譯為建筑信息模型，是信息技術(shù)在建筑行業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果，結(jié)構(gòu)設(shè)計作為建筑設(shè)計階段的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)設(shè)計方式已經(jīng)無法滿足設(shè)計需求，BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用既是機遇也是挑戰(zhàn)。

從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計流程來看，主要分為4 大階段，分別為方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算、施工圖繪制以及碰撞檢查，基于CAD 的二維設(shè)計方法下，上述4 大階段是相互獨立的，各階段之間缺少必要的配合，以至于結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)內(nèi)容無法實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計，缺少必要的溝通交流。同時，由于CAD 是基于二維點、線、面的幾何組成，無法承載構(gòu)件材料屬性、空間位置、鋼筋直徑、混凝土保護層等建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本數(shù)據(jù)信息，對此設(shè)計各參與方必須根據(jù)二維圖紙構(gòu)想三維空間模型，且需手繪各種視圖（平立剖），此過程需耗費大量的精力，且容易出現(xiàn)錯誤，后期修改過程長、難度大，存在設(shè)計周期長、效率低下等問題，甚至影響后期正常施工?，F(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過BIM 技術(shù)的應(yīng)用可發(fā)揮共享性、可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性等作用，具體優(yōu)勢可歸納為如下4 點。

（1）共享性?；贐IM 技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，可充分利用信息化的手段消除傳統(tǒng)意義上的信息壁壘，協(xié)同各方同時參與設(shè)計。同時，通過信息數(shù)據(jù)的實時共享與修改，有利于減少變更，提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期。

（2）可視化。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，借助BIM 技術(shù)可通過建模將結(jié)構(gòu)設(shè)計方案立體展示出來，設(shè)計人員可直觀查看結(jié)構(gòu)設(shè)計單元，尤其是管道、走線等可實現(xiàn)跟蹤觀察，切實減少安全、質(zhì)量隱患。

（3）模擬性。建筑結(jié)構(gòu)三維建模的同時可推演建筑結(jié)構(gòu)的預(yù)處理，對所有的建筑結(jié)構(gòu)單位相關(guān)數(shù)據(jù)加以演算，提前預(yù)檢測施工過程中出現(xiàn)的碰撞問題，并模擬關(guān)鍵工序，全面把握施工進度與質(zhì)量管理工作，同時還可渲染建筑施工效果，統(tǒng)一組織框架構(gòu)圖。

（4）協(xié)調(diào)性。與CAD 技術(shù)相比，BIM 技術(shù)不僅實現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)的可視化，還可動態(tài)展示建筑模型成型過程，設(shè)計人員可據(jù)此調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，同時各個部門可將工程相關(guān)信息輸入BIM 軟件，實現(xiàn)設(shè)計方案優(yōu)化與協(xié)調(diào)管理。

2 BIM 技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 建筑結(jié)構(gòu)和場地環(huán)境分析

企業(yè)在對建筑的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的過程中應(yīng)遵循一定的原則，其中的原則主要體現(xiàn)在安全性和穩(wěn)定性兩個方面，目的是滿足人們對于房屋建筑安全性的需求。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時利用BIM 技術(shù)衡量建筑結(jié)構(gòu)的合理性，能有效提高建筑的穩(wěn)定性和安全性。同時，利用BIM 技術(shù)對建筑工程施工地周圍的地形進行分析，對比先前設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)方案，能找到雙方在某個設(shè)計點出現(xiàn)的屬性沖突，并以此優(yōu)化設(shè)計方案。企業(yè)有條件的情況下也可以將施工工地周圍的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)情況等信息輸入BIM 系統(tǒng)，利用BIM 系統(tǒng)綜合分析施工條件、地質(zhì)影響、氣候影響等客觀因素，用長遠的眼光看待建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工場地環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)系，確保在施工過程中不出現(xiàn)意外，保障施工的安全和效率。除此之外，BIM 技術(shù)也可以分析項目對于環(huán)境的總體影響，將項目對施工工地周邊的生態(tài)環(huán)境污染降到最低[2-4]。

2.2 結(jié)構(gòu)可視化設(shè)計

BIM 技術(shù)的三維技術(shù)能將各種抽象的設(shè)計信息匯總并生成較為具體的三維圖像數(shù)據(jù)。這種三維圖像能為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員全方位展示設(shè)計成果，將各種細節(jié)問題放大。如設(shè)計人員可以對建筑構(gòu)件的大小、方位以及采用的材料進行追溯，并對發(fā)現(xiàn)的問題進行綜合性分析。同時，BIM 可視化的技術(shù)特點也能讓設(shè)計師用肉眼觀察建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中可能存在的漏洞，利用BIM技術(shù)觀察建筑結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)布局，使設(shè)計師在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時更加富有張力，幫助設(shè)計師更好地發(fā)揮自己的實力。

同時，可視化特點能夠更好地確保制定出的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案更加符合實際情況，能在發(fā)現(xiàn)不合理的因素后快速對問題原因進行調(diào)查，并對設(shè)計中不合理的部分進行及時補救。由此可見，BIM 技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)可視化中發(fā)揮著巨大作用，利用BIM 技術(shù)進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅能提升設(shè)計效率，也能規(guī)避大量設(shè)計風(fēng)險，提高設(shè)計總體質(zhì)量[5]。

2.3 準(zhǔn)確計算結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

設(shè)計人員在對建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的過程中往往涉及大量的數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)分析，BIM 技術(shù)能將各種相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進行串聯(lián)，并主動提醒設(shè)計者哪些設(shè)計的數(shù)據(jù)存在異常，幫助建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計者找到設(shè)計中存在的問題。為了提升設(shè)計的質(zhì)量，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以利用BIM 技術(shù)對數(shù)據(jù)進行宏觀聯(lián)動更新，避免在人為修改設(shè)計內(nèi)容過程中造成修改誤差，更大程度上保證工程設(shè)計的內(nèi)容和設(shè)計要求一致。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以通過建立BIM5D 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，準(zhǔn)確快速計算工程量，提升施工預(yù)算的精度與效率，將BIM 應(yīng)用在算量中。對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，為保障設(shè)計成果的最終質(zhì)量，設(shè)計人員可以采用BIM 技術(shù)對要計算的數(shù)據(jù)進行變量控制，對各種不同的數(shù)據(jù)按照設(shè)計要求進行梳理，以增強結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。以預(yù)制結(jié)構(gòu)為例，為了避免設(shè)計結(jié)果和后期施工過程中發(fā)生建筑結(jié)構(gòu)變形和結(jié)構(gòu)裂痕，應(yīng)對預(yù)制材料各方面的物理數(shù)據(jù)進行科學(xué)計算，預(yù)測形變量的范圍，從而滿足各種設(shè)計要求[6]。

2.4 優(yōu)化房屋建筑形體結(jié)構(gòu)

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化不僅僅是對房屋的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，同時也要對建筑的外形形體進行合理化設(shè)計，從而達到更高層次的設(shè)計要求。就此而言，BIM 技術(shù)能在對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的同時提高建筑的穩(wěn)定性和安全性，并根據(jù)要求對建筑的布局、外觀進行合理化設(shè)計指導(dǎo)，確保建筑外形既符合當(dāng)下人們對建筑審美的要求，又能通過建筑的外形對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計進行補充。設(shè)計人員可以利用BIM 技術(shù)科學(xué)地調(diào)整建筑內(nèi)部的創(chuàng)新設(shè)計，在原有結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上對建筑內(nèi)部的布局和形狀進行調(diào)整，提高設(shè)計完整性。設(shè)計人員還可利用BIM技術(shù)收集建筑選址、建筑布局、周邊環(huán)境、氣象條件等綜合信息，讓設(shè)計人員通過這些信息重視建筑外形對整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，利用建筑的外形解決一些結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題和困難。同時，BIM 技術(shù)也能對一些特殊結(jié)構(gòu)進行設(shè)計調(diào)整，如對連續(xù)性結(jié)構(gòu)以及桿系結(jié)構(gòu)BIM 優(yōu)化設(shè)計，保障其發(fā)揮設(shè)計預(yù)想功能的同時不破壞房屋外形的美觀性，增強房屋外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計之間的緊密性。

2.5 實現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計

建筑節(jié)能設(shè)計是結(jié)合建筑本身的結(jié)構(gòu)特點，對建筑周圍自然資源進行合理的運用。建筑節(jié)能設(shè)計主要有室內(nèi)采光設(shè)計、室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計等方面，在建筑節(jié)能設(shè)計的過程中，通過BIM 技術(shù)的有效應(yīng)用，可以更加清晰地掌握信息數(shù)據(jù)庫，同時也能呈現(xiàn)出可視化的動態(tài)設(shè)計圖，利用BIM 技術(shù)實現(xiàn)建筑與自然環(huán)境的有機結(jié)合，充分利用自然采光環(huán)境優(yōu)化建筑物的采光，實現(xiàn)建筑物在采光方面的節(jié)能效果。另外，建筑物會受到本身的建筑結(jié)構(gòu)、所處環(huán)境以及建筑物朝向等因素影響室內(nèi)的通風(fēng)設(shè)計，而若在設(shè)計過程中應(yīng)用BIM 技術(shù)進行模擬，可以對影響建筑物室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計的因素進行充分的掌握和分析，建筑設(shè)計人員將周邊環(huán)境數(shù)據(jù)通過BIM 技術(shù)輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息庫，然后再根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境狀況，如日照、氣候等環(huán)境的分析，從而設(shè)置出建筑參數(shù)值，結(jié)合數(shù)據(jù)對建筑設(shè)計進行分析調(diào)整，使得建筑物周邊環(huán)境得到有效的利用，以最優(yōu)質(zhì)的設(shè)計結(jié)構(gòu)與設(shè)計比例實現(xiàn)建筑無采光節(jié)能設(shè)計，并有效提升建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量與水平。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中BIM 技術(shù)的功能要點

多專業(yè)一體融合的BIM 設(shè)計功能能為設(shè)計人員帶來建筑外形、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)備等具體參數(shù)的直觀化體驗。其所建立的建筑結(jié)構(gòu)三維立體模型能最大程度地避免因結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致的建筑安全隱患。各專業(yè)的設(shè)計人員可以通過服務(wù)器或者其他可移動終端對設(shè)計文件進行權(quán)限內(nèi)編輯，滿足建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等不同專業(yè)的跨專業(yè)的相互獨立又互為整體的施工需求。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，BIM 技術(shù)通過匯總設(shè)計子方案提供的設(shè)計信息，組合成專業(yè)的綜合數(shù)據(jù)模型，方便各專業(yè)設(shè)計人員對不同領(lǐng)域信息進行了解，為各專業(yè)設(shè)計人員能更高效地進行溝通和協(xié)調(diào)提供必要條件。在整個過程中，設(shè)計人員也能根據(jù)BIM 技術(shù)生成的各種回饋信息發(fā)現(xiàn)專業(yè)設(shè)計中的錯、漏處和不足，優(yōu)化設(shè)計圖紙，減少設(shè)計中的不可預(yù)測性。

同時，BIM 技術(shù)作為現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)科技的衍生產(chǎn)品，其在從業(yè)者的不斷開發(fā)下逐漸具備了同時接收多終端信息，并對不同種類的信息進行實時匯總并處理的能力。這一能力能在如計算工程量之類的BIM 數(shù)據(jù)模型時最大限度優(yōu)化資源配置，有效縮減各專業(yè)人員數(shù)據(jù)統(tǒng)計的時間，從而提高房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率。設(shè)計人員通過BIM 技術(shù)將相關(guān)的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，為自己工作提供便利的同時，別人也可以通過訪問數(shù)據(jù)庫查詢的方式獲得自己想要的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息資源的共享，設(shè)計人員可以通過參考數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)信息及設(shè)計成果等得到建筑設(shè)計方面的啟發(fā)，從而不斷優(yōu)化自己的設(shè)計方案，使得建筑設(shè)計方案更加的科學(xué)、合理、全面，這也在一定程度上促進了我國建筑設(shè)計水平的提升。在互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的大背景下，大數(shù)據(jù)及云計算等技術(shù)的出現(xiàn)，也為BIM 技術(shù)的信息管理及功能的提升提供了更大的空間，BIM 技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用，以及設(shè)計數(shù)據(jù)信息共享功能的實現(xiàn)，有效地促進了我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平及設(shè)計效率的提升。此外，通過軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)多個設(shè)計項目之間的聯(lián)動，有力保障了諸多大型建筑及其配套設(shè)施的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

4 結(jié)語

BIM 技術(shù)作為當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的新興技術(shù)，還有很多細節(jié)需要不斷地進行優(yōu)化。但就目前BIM 技術(shù)在我國建筑設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用而言，能較大程度地提高建筑工程的整體設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，并能借助BIM 技術(shù)可視性、綜合性的特點，優(yōu)化建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局以及外部形體，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，提升建筑安全性和穩(wěn)定性。對整體提升我國建筑行業(yè)生態(tài)環(huán)境，發(fā)揮著不可替代的積極作用。因此，建筑設(shè)計人員要提高對BIM 技術(shù)重視程度，不斷提升BIM 技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用水平，促進我國建筑行業(yè)的健康發(fā)展。