BIM技術在結構設計中的應用探索

袁美玲 張戈丹

盡管BIM技術在結構設計中推廣應用尚存在一些障礙，但是可以預見在結構設計中真正實施BIM設計，改變原來的以BIM翻模為主，而轉向采用BIM技術真正完成生產任務指日可待。

近幾年BIM技術在國內的發展迅猛，各種BIM（建筑信息模型）軟件相繼出現。我們希望以市場上主流的三維設計軟件為基礎，對BIM技術在結構專業設計中的應用進行探索，特別是探討如何利用BIM技術輔助結構設計實現從建模到施工圖到數字化交付的全過程應用。

越來越被重視的BIM設計

BIM設計的實質是基于數字化技術的一種新型工作模式。BIM包含了建筑物在設計、建造和運維階段所有相關的真實信息，不僅包括幾何信息，還包括非幾何屬性信息。其中，幾何信息反映了建筑模型內部和外部空間結構的三維幾何信息，通常通過參數化的三維建筑構件組合來表示；非幾何信息是指除幾何信息之外的所有信息的集合，通常被保存在模型的參數屬性中，如建筑構件的材料、重量、價格、進度等，這也為建筑師、結構工程師、設備工程師、開發商，乃至最終用戶等各環節相關人員提供模擬和分析的數據基礎。

從項目的規劃階段，BIM的數據庫就開始建立。隨著工程項目的逐步展開，信息將不斷豐富和完善。借助BIM系統，不同專業的設計人員、施工人員和運維管理人員可以協同工作，隨時從中提取有用的資料，并實現一次建模不限次重復利用，從而避免重復勞動。BIM設計是實現建設項目全生命周期管理的關鍵，因為BIM系統可以儲存項目全生命周期的所有物理屬性和功能信息，以便于業主和經營者利用這些信息進行建筑物管理與維護，乃至整個城市的管理維護。

近幾年，BIM技術在設計領域引起了高度的關注，在領域內的推廣應用也非常迅速，尤其在建筑行業。在國內外的各大相關論壇或會議上，BIM技術被一次又一次提及。然而，在結構專業設計中，各大設計院在采用BIM技術時或多或少都會遇到一些困難或問題。因此，很多設計院的BIM應用還停留在翻模和輔助設計階段，真正實現全專業使用BIM技術來完成生產任務的設計院很少。采用BIM技術實現從建模到施工圖出圖是結構設計專業全面實施BIM應用亟待解決的關鍵問題。

阻礙BIM推廣應用的三大因素

筆者在多年的實踐中發現，阻礙我國BIM技術在結構設計領域推廣應用的因素主要有以下三個：

第一，效率問題還有待解決。BIM技術要在設計行業內得到大力的發展，首要解決的問題是效率問題：只有效率得到顯著提高，才能吸引更多設計院加大對BIM設計的投入，而且只有行業內的各大設計院都在積極推動，才能推進BIM應用的發展和成熟。效率能否得到提升，在一定程度上取決于BIM軟件能否助力設計人員快速地完成建模、出圖等操作，如支持快速、批量創建和編輯模型，同時賦予模型各種非幾何信息。然而，目前大部分BIM軟件還不能很好地達到這些目標。能否通過改進軟件自身或借助第三方軟件開發商的力量來解決這些最基本，也是亟待解決的問題，直接決定了以國外產品為主的BIM軟件本地化發展的成敗。

第二，BIM設計軟件與國內結構計算軟件之間的轉換不夠理想。BIM設計軟件和結構計算軟件對于結構專業設計來說都非常重要，兩者之間的配合與轉換在結構專業中變得越來越重要。然而，目前BIM設計軟件與國內結構計算軟件尚不能實現完美轉換，這是結構設計BIM發展需要解決的又一大問題。我們希望能夠實現BIM設計軟件中的構件的幾何信息和非幾何信息在與結構分析軟件的構件能得到很好的轉換，而不希望在轉換的過程中丟失任何信息——只有實現了兩者之間的無縫轉換，BIM對結構設計才有意義。

第三，本地化工作做得不夠完善。由BIM支持的三維設計不同于傳統設計之處，主要在于對模型信息的準確、高效利用，其中包括幾何形體和非幾何屬性。幾何形體的一致性可以使施工圖繪制的構件與所設計的構件表達一致，非幾何屬性的一致性可使圖紙標記的信息與構件的屬性一致，避免出現因為設計過程中進行頻繁修改而導致模型和圖紙信息不一致的情況。然而在實際制圖過程中，需要考慮本地化的繪圖習慣和制圖標準，因此需要定制大量滿足國內制圖要求的符號化構件。在符號化構件庫齊備的情況下，可大幅提高施工圖繪制效率，且準確性得以保障。

成功案例的經驗總結

BIM應用前景廣闊，但是結構專業在BIM應用過程中遇到了諸多的限制或阻礙。如果能夠克服這些困難，BIM技術在結構設計方面將大有作為。

北京市建筑設計研究院有限公司就在采用BIM技術進行結構設計方面取得了不錯的成效。目前北京市建筑設計研究院有限公司使用的BIM管理平臺是Bentley ProjectWise（簡稱PW）。

PW是專業的協同管理平臺，涵蓋相對嚴謹和完善的管理體系，而協同設計是BIM設計中的重要組成部分，協同的效率直接影響了設計工作的效率。為了更好地應用PW，北京市建筑設計研究院有限公司設置了專門的PW管理員。北京市建筑設計研究院有限公司將所有設計工作信息都存儲在服務器中，工程師通過PW平臺來訪問服務器，同時通過PW管理員賦予不同設計人員的不同權限。文件的權限設置是PW管理的一項重要工作，權限設置得是否分明、合理，直接決定了PW管理是否有序、有效。

相關人員對服務器上的文件進行每一次修改，PW平臺都有相應的記錄，這樣在方便文件管理的同時，也記錄了各專業間的提資，這使得設計過程的提資記錄變得非常完整，并且有跡可循。這個管理平臺不僅可以授權設計師訪問，管理員還可以給予項目的施工工程師和業主不同權限，這樣業主也可以在外地進行文件的訪問，方便設計院和業主之間的溝通，能真正實現從設計到施工的全方位的協同。PW服務器的穩定運行是設計工作的保障，只有管理平臺正常有序的運行，才能保證設計工作的流暢性。

采用BIM設計不只是單純地創建一個三維模型，更重要的是有效管理模型中的信息。結構模型信息可分為幾何信息和非幾何信息。幾何信息是存在于模型中的實體信息，可以直接被看到和編輯，如結構柱、梁、板、基礎等構件的信息；非幾何信息是賦予這些構件的參數信息，如構件的截面尺寸、注釋和配筋等信息。幾何信息（結構構件）創建是BIM設計的基礎，在這基礎上才能完成非幾何信息的創建。而非幾何信息對于BIM信息模型在后期運維至關重要，因此在模型的創建過程中工程師們就需要將非幾何信息全部賦予各個構件。

在接收建筑條件后，首先應據此建立結構模型，或將其轉成結構模型；然后進入結構計算階段，通過計算完善結構模型。計算是結構專業非常重要的一環，如果計算模型與BIM模型脫節，那么BIM在結構設計中的價值就會大打折扣。

向BIM設計發展

BIM技術的應用是設計行業的又一次變革，BIM技術對于設計的全生命周期管理將起到舉足輕重的作用。BIM技術貫穿于從設計到施工，再到后期運維的項目整個全生命周期，給結構設計帶來挑戰，同時也帶來了新的工作模式。盡管現在BIM設計軟件還不盡如人意，但隨著軟件的逐步完善和本地化程度的提升，相信由BIM支撐的三維設計會像二維設計一樣逐步完善和成熟，其優勢會在未來幾年內得到明顯體現。

通過BIM技術在結構設計中的應用探索，我們可以發現目前BIM技術能基本實現結構設計需求。雖然在應用過程中還面臨諸多困難，尤其在施工圖表達上，但通過我們的努力，基本能實現從建模到施工圖出圖的整個過程的BIM設計。

第三方軟件的開發商積極參與BIM軟件的本地化開發，在一定程度上加快了我國BIM的發展步伐。作為國內主流的結構計算軟件，PKPM的供應商建研科技在努力打通PKPM與市面上主流的三維設計軟件的數據壁壘。目前PKPM也正在嘗試通過ISM和Bentley的三維設計軟件進行數據交互。Bentley的ISM是專為結構專業設計的交互模式，可實現PW與結構軟件間的雙向協同。

由此可以預見，在結構設計中真正實施BIM設計指日可待，改變原來的以BIM翻模為主，而轉向采用BIM技術真正完成生產任務。只有從初步設計到施工圖設計的全過程采用BIM設計，BIM才能起到控制成本，簡化、優化后期運維的價值。