BIM技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

【摘要】BIM技術(shù)具有數(shù)字化、協(xié)同性等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，能夠綜合設(shè)計(jì)、施工等各項(xiàng)參數(shù)，搭建可視化共享平臺(tái)，實(shí)時(shí)分享精準(zhǔn)的工程參數(shù)。文章研究了BIM技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，在掌握BIM技術(shù)概況的基礎(chǔ)上，從整體層次構(gòu)件兩個(gè)要素，分析了土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中BIM所包含的內(nèi)容，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了控制設(shè)計(jì)過(guò)程、制作三維模型、運(yùn)用BIM技術(shù)深化設(shè)計(jì)等的技術(shù)應(yīng)用路徑，有助于轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，拉近設(shè)計(jì)、施工等各個(gè)主體間的聯(lián)系，推動(dòng)土木工程建設(shè)活動(dòng)更加高效。

【關(guān)鍵詞】土木工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；BIM技術(shù)；協(xié)同性；數(shù)字化

【中圖分類號(hào)】TU318 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）09-0004-03

0 引言

傳統(tǒng)土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依賴二維圖紙，雖然可以適應(yīng)各種建筑結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)要求，但面對(duì)當(dāng)今復(fù)雜的土木工程結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式難以直觀地展示建筑結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)和細(xì)節(jié)。而B(niǎo)IM技術(shù)通過(guò)創(chuàng)建三維數(shù)字化模型，使設(shè)計(jì)師能夠清晰掌握結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，各專業(yè)相互配合可及時(shí)找出潛在的設(shè)計(jì)隱患，并通過(guò)結(jié)構(gòu)、日照分析等，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加科學(xué)。本文從BIM技術(shù)內(nèi)容入手，分析了在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何運(yùn)用BIM技術(shù)，助力工程建設(shè)穩(wěn)定發(fā)展。

1 BIM技術(shù)概況

在土木工程前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)到后期施工等多個(gè)環(huán)節(jié)中，BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)全過(guò)程的精細(xì)化監(jiān)督與管理。數(shù)字化信息手段統(tǒng)籌海量參數(shù)，各部門能快速提取所需信息并協(xié)同作業(yè)，從而保障土木工程的可靠運(yùn)行。利用BIM技術(shù)，可以創(chuàng)建數(shù)字化建筑模型，實(shí)時(shí)反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部現(xiàn)況，根據(jù)工程特點(diǎn)引導(dǎo)各專業(yè)同步建設(shè)，并實(shí)時(shí)跟蹤施工進(jìn)展，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。BIM技術(shù)應(yīng)用于可行性研究、立項(xiàng)和決策等各個(gè)階段，整合項(xiàng)目數(shù)據(jù)創(chuàng)建信息庫(kù)數(shù)字模型，將施工現(xiàn)場(chǎng)、設(shè)計(jì)和建設(shè)等參數(shù)轉(zhuǎn)變成真實(shí)數(shù)據(jù)，建立網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程全生命周期的數(shù)字化管理。

在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾點(diǎn)。

1）可視化。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方式需手動(dòng)操作，容易產(chǎn)生誤差且計(jì)算過(guò)程繁瑣?；贐IM技術(shù)開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠杜絕以上問(wèn)題。設(shè)計(jì)師通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，利用模型將所需信息呈現(xiàn)出來(lái)，便于實(shí)時(shí)信息分享與交流。利用BIM技術(shù)的可視化功能制作的可視化施工模型，能夠優(yōu)化溝通條件，確保結(jié)構(gòu)更具真實(shí)性，便于施工方快速技術(shù)交底，準(zhǔn)確把握設(shè)計(jì)需求，從而顯著提升施工效率與質(zhì)量。

2）協(xié)調(diào)性。若設(shè)計(jì)師與施工方溝通不充分，可能增加施工變更的概率延誤工期，不利于土木工程施工質(zhì)量提升。BIM技術(shù)能夠協(xié)調(diào)好設(shè)計(jì)方、施工方等各個(gè)參與主體之間的關(guān)系，在三維數(shù)字化模型中能夠共享建筑信息，施工方可以通過(guò)模型掌控施工重難點(diǎn)，進(jìn)行深度分析，避免不良溝通帶來(lái)的矛盾。BIM技術(shù)還能夠確保施工方開(kāi)展流水線操作，踐行統(tǒng)一的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，降低設(shè)計(jì)師工作負(fù)擔(dān)，保障施工有效性。

3）智能化。設(shè)計(jì)師運(yùn)用3D模型將原本復(fù)雜的設(shè)計(jì)，直觀呈現(xiàn)在施工方面，模型中涉及建筑構(gòu)件比例關(guān)系，能夠準(zhǔn)確判斷完工后的結(jié)構(gòu)形狀。BIM技術(shù)的智能化作用使施工方能夠從多個(gè)角度觀察建筑結(jié)構(gòu)。通過(guò)3D打印、人工智能和三維掃描等設(shè)備采集所需數(shù)據(jù)，并以此來(lái)構(gòu)建建筑信息模型，從而使各參與方的監(jiān)控與管理更加便捷。在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝高清攝像頭進(jìn)行全天候監(jiān)管，有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，從而提高施工效率。

2 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中BIM所包含的內(nèi)容

2.1 整體層次關(guān)系

在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以構(gòu)建三維數(shù)字化模型，并實(shí)時(shí)采集所需大量參數(shù)，在虛擬模型的基礎(chǔ)上逐步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。這確保了土木工程施工工作可以順利進(jìn)行，并通過(guò)完善設(shè)計(jì)施工方案作為基礎(chǔ)，科學(xué)應(yīng)對(duì)潛在施工突發(fā)事件。同時(shí)，BIM能充分協(xié)調(diào)好各個(gè)施工主體之間的關(guān)系。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷應(yīng)用，采集的參數(shù)可以實(shí)時(shí)共享給施工方和監(jiān)理方，從而提高整體土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平[1]。

2.2 構(gòu)件方面

在工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)也發(fā)揮著重要作用，設(shè)計(jì)師可以運(yùn)用BIM分享構(gòu)件材料、尺寸參數(shù)、荷載等有效數(shù)據(jù)，并以形象化的方式加以呈現(xiàn)，幫助相關(guān)人員在工作過(guò)程中提供便利。在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，BIM技術(shù)還能幫助設(shè)計(jì)師準(zhǔn)確判斷構(gòu)件作用，通過(guò)重新定義部分參數(shù)提高連接效率，確保構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)之間的匹配并利用模型信息進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。

3 BIM技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 控制設(shè)計(jì)過(guò)程

在長(zhǎng)期建設(shè)的土木工程項(xiàng)目中，前期規(guī)劃設(shè)計(jì)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)方案的失誤不僅會(huì)影響施工效率和質(zhì)量，導(dǎo)致項(xiàng)目無(wú)法按時(shí)完成，還會(huì)降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。BIM技術(shù)能實(shí)時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，通過(guò)創(chuàng)建真實(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)，將所有參數(shù)輸入模型，從而確保土木工程結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，高質(zhì)量地完成建設(shè)任務(wù)。

3.2 制作三維模型

設(shè)計(jì)師創(chuàng)建三維模型之前需要進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)備，包括深入調(diào)查土木工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確設(shè)計(jì)區(qū)間，并嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)備完善硬件、軟件等設(shè)施。創(chuàng)建項(xiàng)目基準(zhǔn)，設(shè)定坐標(biāo)系統(tǒng)、單位等精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，提高土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效性，增強(qiáng)模型真實(shí)性。三維模型的建立，需要落實(shí)以下要求：一是創(chuàng)建主體結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)師根據(jù)準(zhǔn)備事項(xiàng)，綜合墻體、樓板以及梁柱等主體結(jié)構(gòu)，運(yùn)用BIM工具創(chuàng)建相應(yīng)的三維模型。二是添加細(xì)節(jié)參數(shù)。創(chuàng)建主體結(jié)構(gòu)三維模型后，以門窗、樓梯等細(xì)部數(shù)據(jù)為主，確保三維模型與真實(shí)結(jié)構(gòu)相一致，也能夠量化分析細(xì)節(jié)參數(shù)。三是參數(shù)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師應(yīng)用BIM技術(shù)能夠快速調(diào)整三維模型各項(xiàng)參數(shù)，優(yōu)化模型，準(zhǔn)確評(píng)估多種設(shè)計(jì)方案的可行性，確定最適合的設(shè)計(jì)計(jì)劃。完成上述任務(wù)后，直接導(dǎo)出模型，找出與其他軟件相兼容的形式，用于模擬與分析。此外，還需要將模型參數(shù)共享給其他部門，確保各專業(yè)人員之間協(xié)同作業(yè)[2]。

3.3 運(yùn)用BIM技術(shù)深化設(shè)計(jì)

3.3.1 協(xié)同設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)模式相比，應(yīng)用協(xié)同特性的BIM技術(shù)能夠擺脫過(guò)去信息斷層的設(shè)計(jì)弊端，實(shí)時(shí)共享設(shè)計(jì)參數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率，充分發(fā)揮人力資源的潛力，避免重復(fù)作業(yè)。以常見(jiàn)Revit軟件為主，不同協(xié)同辦公方式展現(xiàn)出各自的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。一是工作集中協(xié)同。多名設(shè)計(jì)師同步編輯一個(gè)模型時(shí)，需要通過(guò)工作集協(xié)同進(jìn)行操作。設(shè)計(jì)師在前期創(chuàng)建核心文件進(jìn)行編輯后上傳，確保設(shè)計(jì)方案與中心文件相一致，然后下載相關(guān)內(nèi)容。通過(guò)同步個(gè)人與中心模型的信息，工作集協(xié)同能夠確保本地客戶端信息實(shí)時(shí)傳遞，并保護(hù)云端參數(shù)的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性。然而，工作集協(xié)同對(duì)硬件設(shè)備要求極高，且需要設(shè)計(jì)師做好數(shù)據(jù)安全維護(hù)。設(shè)計(jì)師必須不斷更新文件內(nèi)容，定期檢查其安全，以防數(shù)據(jù)泄露、丟失。二是鏈接協(xié)同。設(shè)計(jì)師在鏈接協(xié)同模式下，設(shè)計(jì)師需要獨(dú)立編輯相關(guān)內(nèi)容，并根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)展與其他模型進(jìn)行對(duì)比。相對(duì)于工作集協(xié)同模式，鏈接協(xié)同只能編輯管轄范圍內(nèi)的模型，實(shí)時(shí)性較差。

3.3.2 碰撞檢測(cè)

通過(guò)三維空間特點(diǎn)的BIM進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)碰撞檢測(cè)，還原各個(gè)構(gòu)件之間的部位關(guān)聯(lián)，及時(shí)找出并處理設(shè)計(jì)方案中隱藏的空間矛盾。主要包括硬碰撞與軟碰撞兩種類型，硬碰撞旨在梁與柱等真實(shí)物體間的接觸，而軟碰撞以占據(jù)空間等隱藏矛盾為主。設(shè)計(jì)師提前創(chuàng)建三維數(shù)字化模型，充分整合建筑、結(jié)構(gòu)等各個(gè)專業(yè)細(xì)節(jié)，要求坐標(biāo)體系真實(shí)、有效。然后運(yùn)用現(xiàn)代化軟件，自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行模型的碰撞檢測(cè)分析。BIM軟件自動(dòng)化碰撞檢測(cè)能夠以高亮、特定等符號(hào)標(biāo)志隱藏碰撞部位，從而引導(dǎo)設(shè)計(jì)師有針對(duì)性地解決問(wèn)題。然而，由于自動(dòng)化檢測(cè)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤標(biāo)記，故應(yīng)當(dāng)結(jié)合手動(dòng)檢測(cè)同步進(jìn)行。手動(dòng)檢測(cè)具有靈活性，設(shè)計(jì)師可以快速調(diào)整模型維度、平面等細(xì)節(jié)，深度剖析不同構(gòu)件間的空間聯(lián)系。同時(shí)，BIM軟件還提供大量參數(shù)化工具，幫助設(shè)計(jì)師完善結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。如規(guī)避梁與管道之間的矛盾，可以調(diào)整梁部位；調(diào)整柱截面大小可以確保整體結(jié)構(gòu)更具良好使用性能。在BIM技術(shù)的支持下，碰撞檢測(cè)能夠確保設(shè)計(jì)師及時(shí)發(fā)現(xiàn)并找出潛在設(shè)計(jì)沖突，從而在調(diào)整模型中的細(xì)節(jié)后，確保設(shè)計(jì)方案的可行性并降低設(shè)計(jì)變更概率[3]。

3.3.3 平法施工圖繪制

土木工程結(jié)構(gòu)施工圖平面設(shè)計(jì)是清楚表現(xiàn)施工圖的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)師需要全面了解截面、跨度、鋼筋等構(gòu)件信息，并將這些信息整合到平面施工圖當(dāng)中，在布置圖中做好標(biāo)記。為創(chuàng)建更加科學(xué)的設(shè)計(jì)圖，設(shè)計(jì)圖紙需要與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造詳圖相一致，以便更好地運(yùn)用到實(shí)際作業(yè)當(dāng)中。在平法施工圖繪制過(guò)程中，鋼筋信息必不可少。設(shè)計(jì)師可以運(yùn)用BIM技術(shù)，將原本抽象的數(shù)據(jù)符號(hào)轉(zhuǎn)換為可保存的參數(shù)，并結(jié)合BIM三維模型創(chuàng)建統(tǒng)一形式的算法信息，保證設(shè)計(jì)工作更具高效性，避免參數(shù)對(duì)比問(wèn)題。此外，目前行業(yè)內(nèi)普遍運(yùn)用的Revit平臺(tái)，有助于充分整合平法參數(shù)與BIM數(shù)據(jù)，形成結(jié)構(gòu)施工圖，用于提高土木工程施工效率與質(zhì)量[4]。

3.4 構(gòu)件荷載計(jì)算

為確保土木工程結(jié)構(gòu)更具安全性、經(jīng)濟(jì)性，前期設(shè)計(jì)時(shí)必須準(zhǔn)確計(jì)算構(gòu)件荷載。傳統(tǒng)二維圖紙的局限性使得信息在傳遞過(guò)程中容易出現(xiàn)誤解和遺漏，導(dǎo)致設(shè)計(jì)信息無(wú)法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地溝通。隨著土木工程行業(yè)的不斷發(fā)展，單純依靠傳統(tǒng)方式難以滿足復(fù)雜工程設(shè)計(jì)的需求。BIM技術(shù)能夠推動(dòng)構(gòu)件荷載計(jì)算向智能化方向發(fā)展。一是智能算法驅(qū)動(dòng)的計(jì)算優(yōu)化。整合有限元分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)計(jì)算算法智能化處理構(gòu)件荷載計(jì)算過(guò)程，設(shè)計(jì)師創(chuàng)建三維數(shù)字化模型，自動(dòng)提取構(gòu)件幾何參數(shù)、材料屬性以及邊界等要素，輸入所有參數(shù)后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以精確得出結(jié)果。BIM技術(shù)幫助下能夠確保計(jì)算更加高效、準(zhǔn)確，而且還能根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，確保設(shè)計(jì)方案更加可行。二是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的荷載監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)集成數(shù)據(jù)與分析特點(diǎn)的BIM技術(shù)，結(jié)合傳感器、物聯(lián)網(wǎng)手段全天候接收施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)荷載、地震荷載以及溫度變化等參數(shù)，在計(jì)算構(gòu)件荷載時(shí)，設(shè)計(jì)師可以獲取全面的信息，便于快速調(diào)整設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，更好應(yīng)對(duì)突發(fā)情況下對(duì)結(jié)構(gòu)造成的破壞[5]。

3.5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)施工程序

BIM技術(shù)應(yīng)用在土木結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中通過(guò)優(yōu)化施工程序能夠提高施工成效，控制施工成本與風(fēng)險(xiǎn)。首先，借助三維建模與仿真技術(shù)，BIM能夠動(dòng)態(tài)化模擬施工全過(guò)程，并將其可視化展示給施工人員。設(shè)計(jì)師與施工人員可以在虛擬環(huán)境中預(yù)判設(shè)計(jì)方案的可行性，及時(shí)找出并處理潛在施工隱患。如土木工程構(gòu)件吊裝、安裝以及焊接等環(huán)節(jié)。施工模擬與可視化施工指導(dǎo)便于人員詳細(xì)掌握整個(gè)施工要點(diǎn)，高效推動(dòng)土木工程結(jié)構(gòu)施工活動(dòng)進(jìn)行。同時(shí)，BIM技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代化手段，創(chuàng)建三維數(shù)字化模型后，能夠全天候采集土木工程施工現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度、施工資源利用等多個(gè)信息，并以可視化形式傳遞給管理人員，確保工作人員能夠精細(xì)化掌握施工進(jìn)展。此外，BIM還能自動(dòng)生成施工進(jìn)度報(bào)告與質(zhì)量評(píng)估報(bào)告，為項(xiàng)目管理和質(zhì)量追溯提供有力支持?？傊?，土木工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，能夠智能化、準(zhǔn)確性計(jì)算構(gòu)件荷載，確保工程結(jié)構(gòu)施工程序更加智能，推動(dòng)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展[6]。

3.6 模型版本管理

提高土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須集成建筑師、工程師、施工方等多個(gè)主體，協(xié)同作業(yè)，實(shí)時(shí)共享參數(shù)。設(shè)計(jì)師根據(jù)土木工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，持續(xù)修改并調(diào)整建筑模型。模型版本管理不僅能夠確保參數(shù)的一致性，也能防止多個(gè)版本間的沖突、矛盾。有效落實(shí)BIM版本管理功能，可以使多個(gè)部門同步編輯建筑模型，并按照各個(gè)版本變化促使設(shè)計(jì)師高效作業(yè)，快速分享數(shù)據(jù)，高效溝通。隨著土木工程施工活動(dòng)持續(xù)開(kāi)展，潛在變更需求要求設(shè)計(jì)師必須利用模型版本管理單元，幫助團(tuán)隊(duì)記錄和跟蹤每個(gè)版本的變更，有助于團(tuán)隊(duì)成員了解和控制變更的范圍和影響，減少潛在的錯(cuò)誤和沖突，并降低后期修復(fù)和重做的成本。在建筑模型中，可以隨時(shí)檢查各個(gè)施工環(huán)節(jié)的參數(shù)，了解設(shè)計(jì)決策的演變和背景，有助于后續(xù)的運(yùn)維工作[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)擁有強(qiáng)大的三維建模、信息集成等功能，可以提高設(shè)計(jì)水平。隨著科技的不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)師還應(yīng)持續(xù)研究，深入挖掘BIM技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用要點(diǎn)，并綜合其他現(xiàn)代化技術(shù)及全生命周期管理等趨勢(shì)，推動(dòng)工程行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡(jiǎn)介]熊威（1982—），男，蘭州人，本科，工程師，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)及組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。