BIM平臺(tái)下框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

丁 勇 楊志楠 蔣 玉 起光磊

（保山學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，云南保山 678000）

BIM 畢業(yè)設(shè)計(jì)大賽旨在通過(guò)BIM 技術(shù)驅(qū)動(dòng)畢業(yè)設(shè)計(jì)改革，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)精神，為建筑業(yè)夯實(shí)人才基礎(chǔ)。當(dāng)前BIM技術(shù)在我國(guó)主要用于逆向設(shè)計(jì)，即用于檢查圖紙錯(cuò)誤，縮短工期、提高收益，這使得BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到充分的體現(xiàn)[1]，相比之下BIM正向設(shè)計(jì)的直接三維建模、計(jì)算出圖更能體現(xiàn)BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于實(shí)際工程的價(jià)值和意義更大[2]。

本文以2020 年第二屆“品茗杯”BIM 畢業(yè)設(shè)計(jì)大賽的本科組賽題二的賽題“BIM 設(shè)計(jì)優(yōu)化和深化”為例，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，形成Revit 結(jié)構(gòu)模型，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型在BIM 模型之中的信息的流通，達(dá)到結(jié)構(gòu)專業(yè)與其它專業(yè)的信息交互，做到簡(jiǎn)單的BIM正向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 BIM與YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件協(xié)同應(yīng)用

1.1 工程概況

本工程為xx 二期工程-文化中心，建筑面積為地上建筑面積（2 層）：3 295.03 m2，半地下室建筑面積（1層）：2 122.94 m2，建筑高度為14 m，結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑三維效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

在YJK 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件中依次建立軸網(wǎng)，輸入材料信息（梁、板采用C40 混凝土，柱采用C50 混凝土，鋼筋采用HRB400，樁基采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁），布置梁、板、柱等構(gòu)件，組裝樓層，輸入荷載，形成結(jié)構(gòu)模型，最終輸出計(jì)算結(jié)果，對(duì)于不滿足計(jì)算要求的結(jié)果，重新進(jìn)行模型調(diào)整，直至計(jì)算結(jié)果滿足計(jì)算要求，完成上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算之后，進(jìn)入基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊，基礎(chǔ)采取樁基礎(chǔ)，輸入基礎(chǔ)計(jì)算信息，完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算，最終在YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件中形成梁、板、柱、基礎(chǔ)的施工圖數(shù)據(jù)。

1.3 基于BIM的模型數(shù)據(jù)交互應(yīng)用優(yōu)化

通過(guò)REVIT-YJKS 將計(jì)算好的結(jié)構(gòu)模型（圖3）導(dǎo)入Revit，形成Revit結(jié)構(gòu)模型（圖4）、和鋼筋模型（圖5），在REVIT-YJKS 軟件之中可以直接進(jìn)入盈建科的上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)盈建科嵌入Revit的操作，對(duì)于需要后期優(yōu)化的結(jié)構(gòu)能夠直接在Revit之中直接進(jìn)行，避免回到Y(jié)JK 軟件之中重新計(jì)算，保證結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)和Revit 的無(wú)縫鏈接，主要包括構(gòu)件截面信息、鋼筋信息、材料信息等信息，如圖2結(jié)構(gòu)柱信息。

圖2 結(jié)構(gòu)柱信息

圖3 YJK結(jié)構(gòu)模型

圖4 Revit結(jié)構(gòu)模型

圖5 Revit鋼筋模型

相對(duì)于傳統(tǒng)的逆向設(shè)計(jì)（一般不建立鋼筋模型），在本項(xiàng)目之中，鋼筋與結(jié)構(gòu)模型為一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)信息得到了完整的轉(zhuǎn)化，消除逆向設(shè)計(jì)之中的分別建立模型、合模產(chǎn)生的錯(cuò)誤，最大程度上保證模型的準(zhǔn)確性，充分體現(xiàn)正向設(shè)計(jì)流程一體化的優(yōu)點(diǎn)。

2 BIM的應(yīng)用點(diǎn)

在Revit 結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)之上，利用HIBIM 完成機(jī)電模型（圖6）、土建模型（圖7）的建立，形成全專業(yè)BIM 模型（圖8），從而達(dá)到以結(jié)構(gòu)信息為主線，集成其它專業(yè)信息的機(jī)制[3]，便于后期模型優(yōu)化處理。

圖6 Revit機(jī)電模型

圖7 Revit土建模型

圖8 Revit全專業(yè)模型

2.1 凈高分析

《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50352-2019[4]第2.4.30 條規(guī)定，室內(nèi)凈高是指從樓、地面面層（完成面）至吊頂或樓蓋、屋蓋底面之間的有效使用空間的垂直距離。《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50352-2019[4]第6.3.3 條規(guī)定建筑用房的室內(nèi)凈高應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)建筑標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，地下室、局部夾層、走道等有人員正常活動(dòng)的最低處不應(yīng)小于2.0 m。第6.8.6條規(guī)定樓梯平臺(tái)上部及下部過(guò)道處的凈高不應(yīng)小于2.0 m，梯段不應(yīng)小于2.2 m。綜合考慮之后，本項(xiàng)目?jī)舾咦钚≈翟O(shè)置為2.2 m，地下室取2 m。進(jìn)入HIBIM的凈高分析模塊，輸入檢查信息，運(yùn)行檢查功能，模型最終的凈高分析檢查結(jié)果都滿足要求。

2.2 碰撞檢查

2.2.1 土建專業(yè)碰撞

通過(guò)HIBIM的碰撞檢查功能對(duì)模型進(jìn)行碰撞檢查，首先是土建專業(yè)碰撞，發(fā)現(xiàn)柱子與梁發(fā)生了碰撞，定位圖元查看之后（圖9），首先判斷其是否是由于YJK 建模以及計(jì)算錯(cuò)誤所導(dǎo)致的。進(jìn)入YJK查看之后發(fā)現(xiàn)計(jì)算無(wú)誤且梁鋼筋布置與Revit的三維鋼筋一樣，在其梁施工圖之中發(fā)現(xiàn)該梁顯示為懸挑梁，說(shuō)明其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化未發(fā)生錯(cuò)誤。綜合分析下是由于在盈建科軟件計(jì)算當(dāng)中，該梁一端與柱子相連，一端與橫梁相連，軟件默認(rèn)橫梁為該梁的支座。該梁為懸挑梁，施工圖按照懸挑梁配筋，人工修改支座之后其施工圖發(fā)生改變（圖10）。

圖9 修改支座前

圖10 修改制作后

2.2.2 機(jī)電專業(yè)碰撞

進(jìn)行機(jī)電專業(yè)碰撞，查看碰撞結(jié)果，定位圖元查看之后，發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目給水管與風(fēng)管發(fā)生了碰撞（圖11），結(jié)合《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》GB50289-2016[5]以及設(shè)計(jì)要求，以“整體在先、局部在后”和“不能違背各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，保證各系統(tǒng)的使用功能”為主要修改原則。通過(guò)給水管道的避讓解決二者發(fā)生碰撞沖突，從而優(yōu)化模型（圖12）。

圖11 碰撞修改前

圖12 碰撞修改后

2.2.3 全專業(yè)碰撞

將土建模型和機(jī)電模型合并，形成全專業(yè)的BIM模型，選擇碰撞的項(xiàng)目類別，形成全專業(yè)碰撞結(jié)果，在本項(xiàng)目之中，半地下室的斜梁與噴淋管道發(fā)生了碰撞（圖13）。我們針對(duì)本項(xiàng)目半地下室的噴淋管道進(jìn)行了優(yōu)化，根據(jù)《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50084-2017[6]，把半地下室錯(cuò)層樓板處下的噴淋管做成斜噴淋。

圖13 斜梁與噴淋管碰撞

2.3 用量明細(xì)表

點(diǎn)擊新建明細(xì)表功能，選擇新建明細(xì)表的字段，形成明細(xì)表之中可以統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目各類構(gòu)件鋼筋的用量、混凝土用量等材料用量。在柱明細(xì)表、梁明細(xì)表、板明細(xì)表、基礎(chǔ)明細(xì)表、混凝土明細(xì)表之中，可以查看具體部位所用鋼筋的類型、數(shù)量、直徑等信息，以便為施工人員提供一定的參考[7]。

2.4 結(jié)構(gòu)施工圖

在梁施工圖模塊里面形成梁施工圖，利用其鋼筋校審功能對(duì)配筋結(jié)果進(jìn)行審核，可以顯示梁的鋼筋的縱筋、箍筋等配筋面積相關(guān)信息，以便設(shè)計(jì)人員獲取，對(duì)于構(gòu)件不滿足或者不合理的地方進(jìn)行修改，重新在REVIT-YJKS里面修改計(jì)算之后，更新Revit里面的數(shù)據(jù)，形成了數(shù)據(jù)的雙向流動(dòng)。在梁施工圖模塊的自定義選筋表格當(dāng)中，可以修改鋼筋的型號(hào)規(guī)格，便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改選筋。

在板施工圖模塊里面形成板施工圖，點(diǎn)擊配筋面積可以查看板的配筋面積，可以形成樓板鋼筋表，便于施工人員查看。對(duì)于復(fù)雜區(qū)域可以采取詳細(xì)標(biāo)注的方式，簡(jiǎn)單區(qū)域采取簡(jiǎn)化標(biāo)注。并且軟件可以提供平法、準(zhǔn)平法、傳統(tǒng)畫法三種方式進(jìn)行繪制，設(shè)計(jì)人員根據(jù)要求進(jìn)行選用，同時(shí)可以修改鋼筋標(biāo)注。

在柱子施工圖模塊里面形成柱子施工圖，軟件提供截面表達(dá)和柱表達(dá)兩種方式，供設(shè)計(jì)人員選用，可以進(jìn)行柱子的雙偏壓驗(yàn)算，對(duì)于不滿足的柱子進(jìn)行調(diào)整，同步數(shù)據(jù)到模型之中。輸出的施工圖在鋼筋標(biāo)注、軸網(wǎng)、構(gòu)建符號(hào)等表達(dá)方面與傳統(tǒng)的表達(dá)沒(méi)有太大的區(qū)別，符合傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)施工圖的要求，如圖14柱子結(jié)構(gòu)施工圖。

圖14 柱子施工圖

2.5 模型渲染

在渲染過(guò)程中，利用了Sketchup 與Lumion 聯(lián)動(dòng)進(jìn)行，Lumion 是按照不同的材質(zhì)貼圖或不同色塊進(jìn)行物體區(qū)分，Sketchup可以賦予不同的材質(zhì)貼圖或不同色塊，從而區(qū)分相同構(gòu)件不同面的渲染問(wèn)題。將Revit 全專業(yè)模型（圖15）導(dǎo)入到Sketchup（圖16），賦予構(gòu)件不同的色塊，再轉(zhuǎn)化為Dae 格式的文件到Lumion 之中進(jìn)行渲染（圖17 和圖18），極大程度上解決了直接導(dǎo)入Lumion 渲染出現(xiàn)的細(xì)節(jié)渲染不足的問(wèn)題，最終得到BIM 全專業(yè)渲染模型與視頻。從單調(diào)的二維圖紙到三維空間模型，再到真實(shí)豐富的二維圖像，最終符合人的認(rèn)知感覺(jué)，實(shí)現(xiàn)真正的三維可視化。

圖15 Revit全專業(yè)模型

圖16 草圖大師模型

圖17 Lumion渲染外觀圖

圖18 Lumion渲染內(nèi)部圖

3 結(jié)論

本次BIM正向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與全專業(yè)的模型的優(yōu)化具有以下優(yōu)勢(shì)：

Revit與YJK 相結(jié)合，做到結(jié)構(gòu)全三維設(shè)計(jì)，適應(yīng)設(shè)計(jì)不斷修改優(yōu)化的過(guò)程，達(dá)到Y(jié)JK?Revit的雙向機(jī)制。

YJK 結(jié)構(gòu)模型相對(duì)獨(dú)立，既可以獨(dú)立設(shè)計(jì)計(jì)算，也可以嵌入Revit，進(jìn)而以Revit 模型為主導(dǎo)，機(jī)電、建筑方案為輔助，集所有信息于一體，利用HIBIM 進(jìn)行檢查優(yōu)化，提供多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，達(dá)到模型的輕量化，做到項(xiàng)目整體方案優(yōu)化。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息在Revit里面集成，結(jié)構(gòu)施工圖采用Revit輸出，但是沒(méi)有改變結(jié)構(gòu)施工圖的原有表達(dá)，結(jié)構(gòu)信息等都是伴隨YJK，經(jīng)過(guò)Revit 優(yōu)化分析之后，設(shè)計(jì)成果更加豐富，結(jié)構(gòu)施工圖更加準(zhǔn)確，完成簡(jiǎn)單的BIM正向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

相對(duì)于“翻模”的逆向設(shè)計(jì)，正向設(shè)計(jì)可以從項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段就可以采用三維建模，BIM 信息不斷傳遞，模型可以表達(dá)圖形，也可以傳遞屬性，不僅提高BIM技術(shù)應(yīng)用效率和質(zhì)量，還能為施工階段提供更全面的依據(jù)。隨著BIM 技術(shù)廣泛推進(jìn)，基于結(jié)構(gòu)的多專業(yè)正向協(xié)同設(shè)計(jì)模式是面向未來(lái)的趨勢(shì)。不同專業(yè)的人員共享所有設(shè)計(jì)信息，能夠更好達(dá)到快速、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)效果，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。