BIM技術在結構設計中的應用探索

文｜袁美玲 張弋丹

BIM技術實質上是基于數字化技術的一種新型“工作模式”。BIM包含了建筑物在項目建設周期中的所有相關真實信息，不僅包括幾何信息（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表示，通常通過參數化的三維建筑構件組合來實現），還包括非幾何屬性信息（非幾何信息是指除幾何信息之外的所有信息集合，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，同時還為建筑師、結構工程師、設備工程師、開發商乃至最終用戶等各環節人員提供“模擬和分析”的數據基礎。從項目的規劃階段“數據庫”就開始建立，隨著工程項目的展開，信息和數據將不斷豐富和完善。不同專業的設計人員、施工人員以及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無限次充實并利用，從而避免重復工作。BIM技術是實現建設項目全生命周期管理的關鍵，能夠儲存項目全生命周期的所有物理屬性和功能指征，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。

圖1

近幾年，BIM技術在設計行業引起了高度的關注，同時在行業內的發展也非常迅速，尤其在建筑專業最為明顯。在國內外的各大BIM論壇會議上，BIM技術一次又一次的被提及，然而，在結構專業設計的過程中，各大設計院都或多或少的存在困難或問題。因此，很多設計院的BIM設計還停留在翻模以及輔助設計，真正實現全專業使用BIM設計來完成生產任務的設計院很少。因此，實現從建模到施工圖出圖是BIM技術在結構設計中應用亟需解決的關鍵問題。

協同環境及工作流程

圖2

工作平臺介紹。目前北京市建筑設計研究院使用的工作管理平臺是Bentley ProjectWise(簡稱PW)，PW是專業的協同管理平臺，具有相對嚴謹和完善的管理體系，因此需設置專門的PW管理員。所有的設計工作都存儲在服務器中，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，權限設置的是否分明直接決定了管理是否有序和有效。文件的每一次修改，PW平臺都有相應的記錄，這樣方便文件的管理，同時各專業間的提資也有記錄，這使得設計過程的提資記錄變得完整，并且有跡可循。這個管理平臺不僅可以使設計師訪問，管理員也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服務器的維護是設計工作的保障，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。

協同工作流程。為方便各專業協同、高效、安全的進行，北京市建筑設計研究院采用的協同工作流程如圖1所示。結構三維設計工作流程如圖2所示。

結構模型創建

模型信息分類。BIM設計不單純是創建一個三維模型，其重點是模型中的“信息”，結構模型信息分為：幾何信息和非幾何信息。幾何信息是存在模型中的實體，可以直接看到和編輯，如結構柱、梁、板、基礎等構件；非幾何信息是賦予這些構件的參數，如構件的截面尺寸、注釋、及配筋信息等。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需要將非幾何信息全部賦予構件。

幾何信息創建。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，其中軸網也屬于幾何信息。

圖3 結構模型交互圖示

圖4 基礎施工圖

圖5 墻、柱施工圖

圖6 梁、板施工圖

非幾何信息創建。在創建幾何信息的同時，非幾何信息也應賦予相關構件。非幾何信息的詳細程度取決于建模深度，同時這也決定了工作量的大小，有些參數是需要在構件創建的過程中賦予。

結構模型數據交互

模型與分析軟件間配合。在接收建筑條件后，首先建立或轉成結構模型，然后進入結構計算階段，通過計算后，再完善結構模型。計算作為結構專業非常重要的一環，如果計算模型與BIM模型脫節，那實在是BIM在結構設計過程中的一大遺憾。

作為國內主流結構計算軟件，PKPM在努力打通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系統的三維設計軟件進行數據的交互。Bentley系統的ISM是專為結構專業設計的交互模式，可實現結構軟件間的雙向協同，如圖3所示。

結構施工圖繪制

三維設計不同于傳統設計之處就在于模型信息準確和高效的利用，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，非幾何屬性的一致會使圖面中標記的信息與構件的屬性一致，避免設計過程中頻繁的修改而導致模型和繪圖不一致的情況。

然而在實際制圖過程中，需要考慮本地化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。如圖4~6所示。

節點詳圖。對于節點鋼筋的繪制可以通過兩種方式來實現，一是在剖面內通過繪制三維實體鋼筋來實現；二是通過二維線型表示鋼筋來實現。其中方法二是為了滿足施工圖出圖而進行的二維處理方法。三維設計中節點的表達方式更為準確和直觀，在二維的詳圖中附加詳圖的局部三維視圖，這樣可以清楚的表達詳圖，減少施工過程中的出錯幾率。如圖7、8所示。

圖7 三維實體鋼筋繪制

圖8 通過參數化符號表達二維鋼筋

結構專業對BIM的期待

BIM的前景一定很廣闊，結構專業在BIM技術的應用上遇到了諸多的限制條件和阻礙，因此，對BIM技術我們還有諸多期待。

快速建模。BIM技術要能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，只有效率的提高才能吸引更多的設計院對BIM設計的大力投入，也只有行業內的各大設計院都能來推動BIM的發展，才能使得BIM的發展更加的快速和有效。效率在一定程度上取決于BIM軟件能否快速的實現快速建模、出圖等操作。如能實現快速批量創建和編輯模型，同時能快速賦予模型非幾何信息，這些都是目前軟件本身不能很好的實現。通過軟件自身的改進和第三方軟件開發商來解決這些最基本、也是最需要解決的問題直接決定了軟件的本地化程度。

結構計算。結構計算是結構設計中最重要的部 分，目前BIM設計軟件與國內結構計算軟件的配合都不能完美的轉換。我們希望能實現的是BIM設計軟件中構件的幾何信息和非幾何信息在與結構分析軟件的轉換中都能得到很好的轉換，不希望在轉換的過程中丟失任何信息，只有無縫轉換對結構設計才有意義，這也是未來BIM設計中需要解決的又一大問題。

BIM技術是設計行業的又一次變革，同時在設計行業全生命周期中作用是不言而喻的。它是貫穿于設計、施工和后期運維整個全生命周期，對結構設計帶來挑戰，同時也給予了另一種工作模式。縱然各種BIM設計軟件存在著一定缺陷，但隨著軟件的逐步完善和本地化程度的提升，相信三維設計會像二維設計一樣完善和成熟，其優勢在未來幾年一定會有明顯的體現。

通過以BIM技術在結構設計中的應用探索，我們可以發現BIM技術目前能基本實現在結構設計中的要求。雖然存在著諸多困難，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，而且在施工圖的繪制過程中某些編輯要比二維設計中更加方便，比如：板平法鋼筋的繪制。第三方軟件的開發也能一定程度上加大BIM的發展力度。結構專業如能解決上述困難，則全行業內結構設計真正實施BIM設計指日可待，這也是從BIM翻模到BIM技術真正完成生產任務的轉變。只有從初步設計到施工圖設計的全過程實施BIM設計，才能控制過程成本，才能對后期的運維有更大的意義。