BIM技術及其在結(jié)構(gòu)設計中的應用探析

蘇琳琳

摘要：隨著BIM技術與思想的不斷發(fā)展和成熟，BIM軟件產(chǎn)品的不斷升級更新，BIM技術在中國范圍內(nèi)開始應用于土木工程的設計、施工、運營等各個領域，但就建筑設計階段而言，調(diào)查顯示，BIM技術在建筑和設備方面的使用率要遠遠高于BIM技術在結(jié)構(gòu)方面的使用率，而結(jié)構(gòu)又是BIM模型中不可或缺的一部分，所以在結(jié)構(gòu)設計應用BIM技術是十分必要的本文從BIM技術的概念和特點入手，特別針對建筑結(jié)構(gòu)設計的BIM體系及其軟件，綜述了建筑結(jié)構(gòu)設計中的應用新技術，重點探析了BIM技術在結(jié)構(gòu)設計中應用。

關鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；設計；BIM技術；應用

中圖分類號：TU318；TU311.41文獻標識碼：A文章編號：1674-3024（2017）08-0245-02

隨著社會經(jīng)濟的前進，建筑行業(yè)也在創(chuàng)新發(fā)展，BIM技術的應用和推廣，引導裝配式建筑的規(guī)范化、標準化發(fā)展。在《2011-2015建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中，提出把BIM技術作為支撐行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的核心技術重點發(fā)展。建筑設計是建設全過程的基礎，應用先進的技術是建筑的基礎與質(zhì)量保證，因此，在建筑設計中應用BIM技術，是當前設計行業(yè)的發(fā)展方向和推進目標。

1.BIM技術的概念

BIM就是建筑信息模型，它的每個簡寫字母代表：B（建筑Building）+I（信息information）+M（模型應用Modeling、管理Management）。BIM是一種統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫模型技術，集成諸多前沿計算機技術。它通過虛擬建造全過程達到信息化、可視化、精細管理。應用BIM技術能夠提高效率、減少錯誤，優(yōu)化過程，快速溝通，提高管理水平，從而達到減低造價，提升品質(zhì)的目的。

BIM是一種建筑全生命期的宏觀思維。

2.BlM技術的特點

2.1可視化特點

BIM技術提供給了可視化的思想，為建筑人員建筑人員、管理人員展示三維立體的實體建筑結(jié)構(gòu)。這樣的立體圖是通過建筑的信息自動形成，還原度較高，相比之前建筑的效果圖來說，增加了結(jié)構(gòu)之間的互動性和反饋性?？梢暬攸c不僅能夠反映立體式的建筑效果，對于在建筑過程的設計、建造，以及在運營過程中的溝通、討論、決定，都保證在可視化的狀態(tài)進行。

2.2協(xié)調(diào)性較好

協(xié)調(diào)性是建筑過程中的重點。在建筑過程中，對于建筑的相關問題，與施工單位、建筑團隊以及業(yè)主都要進行很多次的溝通、協(xié)調(diào)，才能正確把握建筑的方向。目前建筑信息是通過不同專業(yè)圖紙的方式告知給施工人員、建設方管理人員。這需要有相當專業(yè)知識能讀懂圖紙，還不易發(fā)現(xiàn)問題。對于各專業(yè)在設計過程的錯漏碰撞，不能第一時間直截了當?shù)匕l(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

BIM技術的協(xié)調(diào)性服務正好可以解決這類問題，BIM能實現(xiàn)設計同步，各專業(yè)早起介入，設計制圖同步，從三維模型提取所需信息，實現(xiàn)零距離溝通。三維模型與二維圖紙保持實時更新匹配，圖紙協(xié)調(diào)一致。

2.3模擬化特點

模擬化不僅能夠模擬設計的建筑物模型，還能夠模擬在實際進行中操作的事物。在設計階段時，BIM技術可以針對相應的需要進行模擬實驗，比如：節(jié)能性能的模擬，緊急疏散裝置的功能模擬，日照功能的模擬。作為適應現(xiàn)代化的一種技術，BIM技術在施工階段還可以進行4D的模擬，通俗來說就是根據(jù)施工的組織設計，然后模擬施工，最終根據(jù)實驗結(jié)果確定合理的施工方案進行施工，確定指導依據(jù)。

2.4性能優(yōu)化

在建筑的整個過程中，包括方案的設計、施工以及后期運營的整個階段，一直存在著優(yōu)化的問題。BIM模型提供了更好的手段和方式進行優(yōu)化，首先是對項目方案的優(yōu)化，BIM能夠提高設計人員準確的信息，如物理信息、圖形信息、規(guī)則信息，還能夠提供建筑物變化之后的信息。復雜建筑物設計如屋頂網(wǎng)架方案、建筑造型立面、排水等不匹配時，能直觀發(fā)現(xiàn)，帶來建筑物平面、立面等優(yōu)化。

基于BIM的優(yōu)化還可以將項目設計與投資的回報分析相互結(jié)合起來，實時計算設計所產(chǎn)生的變化對投資回報的影響。影響的直觀表現(xiàn)可以展示給業(yè)主，業(yè)主不僅可以能從外觀上評價設計方案，而且能夠了解哪種設計方案更加符合自身的需求。

3.國內(nèi)BlM的政策

現(xiàn)代化、工業(yè)化、信息化是我國建筑行業(yè)發(fā)展的三個方向，BIM技術將會是我國建筑行業(yè)信息化未來的主旋律。隨著BIM技術的逐漸成熟，國家也出臺了許多的政策支持，比如：在《2011～2015建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中，提出“2020年末，……集成應用BIM的項目比率達到90%：以國有資金投資為主的大中型建筑，申報綠色建筑的公共建筑和綠色生態(tài)示范小區(qū)”。廣西壯族自治區(qū)在2016年1月出臺的《廣西推進建筑信息模型應用的工作實施方案》指出：2016年起到2017年底，有計劃選擇一批投資額在1億元以上或單體建筑面積2萬平米以上技術復雜、管理協(xié)同要求高的工程進行試點，并提供項目支持。

4.建筑結(jié)構(gòu)設計的BlM體系及相關軟件

4.1BIM體系介紹

BIM體系可分為工具層、平臺層以及環(huán)境層，不同的體系層級中包括不同的建筑過程。工具層包括有：結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)分析、深化設計、4D模擬等，平臺層包括：建筑建模、方案造型、可視化，環(huán)境層包括：設備建模、綠色設計、規(guī)范檢查等。相互之間都存在某種關聯(lián)，或直接或間接的關系詳圖1。

4.2BIM相關軟件

設計是建筑的核心，而作為設計軟件是模型信息的創(chuàng)建者，是BIM相關應用價值的基礎。在建模階段，相關的設計軟件有：AutodeskRevit：Revit軟件、ArchiCAD軟件、MagiCAD軟件等等。整合應用的有：NavisWorks、BIM360Glue、A360等。平臺管理的應用有：BIM5D、RIBhwo等。其他BIM應用：性能分析、GIS、方案推敲等。

（1）首先介紹一下AutodeskRevit：Revit軟件，這款軟件是歐特克BIM套件，主要是建筑設計者的設計工具，包括有：RevitArchitectur、RevitMEP、RevitStructure軟件。Revit是以建筑構(gòu)件為建筑基本元素，Revit具有以下特點：

①全專業(yè)，Revit能夠解決機電與結(jié)構(gòu)的相關問題，還支持與可視化、方針、分析軟件無縫銜接，實現(xiàn)建筑管線之間的碰撞檢測，而且支持現(xiàn)場實時漫游、多專業(yè)協(xié)調(diào)等應用。

②智能化，Revit有強大的聯(lián)動功能，能夠?qū)崿F(xiàn)平、立、剖相關聯(lián)，做到移除更新，處處更新，這樣能夠減少錯誤的發(fā)生。

③出圖性，不僅能夠精確建模，而且建模生成的平立圖完全實現(xiàn)對接，減少了人為因素的影響。

④擴展性，Revit不僅自身功能強大，而且支持擴展，全面開放接口，能夠支持二次開發(fā)，解決了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計提取、專業(yè)擴展的問題，實現(xiàn)無縫銜接。

（2）ArchiCAD軟件是歐洲針對建筑設計推出的設計軟件，支持BIM的工作流程，在建筑的全過程都可以應用。其特點如下：

①符合建筑人員的使用習慣，這是ArchiCAD軟件在運用中最顯著的特點，設計人員可以根據(jù)需要生成任何表現(xiàn)形式，不管是平面圖、立體圖還是剖面圖或者其他，智能化不但能夠節(jié)約時間，而且保證了圖紙的準確性。

②輕量級，軟件本身很優(yōu)秀，降低了對硬件的要求，即使電腦很普通，軟件也可以順利運行。

③支持通用數(shù)據(jù)格式，軟件本身對建筑IFC數(shù)據(jù)標準的支持良好，不管是基于IFC的數(shù)據(jù)格式還是進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，都不需要再次建模，降低了難度。

經(jīng)過以上分析，不難看出這兩款軟件都有著各自優(yōu)秀之處，但是也是存在缺陷的。針對不同的設計要求，要選擇合適的設計軟件，這樣才能保證效率和準確性。

5.BlM技術在結(jié)構(gòu)設計中應用

5.1場地分析應用

BIM技術能夠幫助分析地形，提高準確的場地信息，提供場地的各項相關數(shù)據(jù)。第一輪設計建立設計地形模型，第二輪設計建立設計地形與原始地形疊合的模型，找出土方盈虧的區(qū)域，計算出填土和挖土的土方量。找到優(yōu)化后的設計地形，建立建筑總平面布置模型。這樣的優(yōu)化設計，在實際施工過程，能夠減少土方工程量，減少擋土墻及土方趨于平衡的土方外運費用。也能得到理想的場地規(guī)劃、交通流線組織關系、建筑布局等建設方關注的要點。

5.2建筑模型與結(jié)構(gòu)分析模型的連接應用

Revit是BIM應用技術的代表軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同設計，也具備有自己的結(jié)構(gòu)分析軟件。但因其是國外軟件，尚不能很好地適應我國結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求。在我國工程界中，PKPM是應用廣泛的國內(nèi)結(jié)構(gòu)計算主流軟件，軟件緊跟國家規(guī)范。近年來，在Revit平臺上開發(fā)了PKPM與Revit的雙向數(shù)據(jù)接口，真正實現(xiàn)了建筑模型與結(jié)構(gòu)分析模型的雙向連接轉(zhuǎn)換。

在Revit中建立網(wǎng)格和樓層線，將CAD文件按正確的單位導入軟件，在對應上網(wǎng)格選用建立估算的柱、墻族構(gòu)件，在樓層線上建立估算的梁、板等族構(gòu)件，墻上嵌入門、窗等，形成模型Revit。族是Revit的基本也最繁復的概念，分為系統(tǒng)族、標準構(gòu)件族、內(nèi)建族。對于結(jié)構(gòu)來說，應用最多的是系統(tǒng)族和標準構(gòu)件族，它包含基本建筑構(gòu)件，如“墻”、“梁”、“板”、“柱”等。

Revit的模型構(gòu)件還是尚未經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析計算的構(gòu)件，需要轉(zhuǎn)入PKPM進行結(jié)構(gòu)計算?，F(xiàn)行版的PKPM實現(xiàn)了Revit模型數(shù)據(jù)和PM模型數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換：實現(xiàn)了Revit直軸線、弧軸線、標高、豎直柱、斜柱、直梁、弧梁、直墻、弧墻、普通樓板、斜板、墻洞、板洞、豎井、材料、族截面等向PKPM的轉(zhuǎn)換；實現(xiàn)了PKPM直軸線、弧軸線、樓層、豎直柱、支撐、直梁、弧梁、直墻、弧墻、普通樓板、斜板、墻洞、板洞、材料、截面等向Revit的轉(zhuǎn)換，詳參考文獻。即未經(jīng)計算的Revit模型轉(zhuǎn)入PKPM后，經(jīng)過PKPM的數(shù)檢、計算分析軟件（如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常用的sATwE）的計算調(diào)試，獲得滿足國家結(jié)構(gòu)規(guī)范的結(jié)構(gòu)體系、得到具體的柱墻梁布置、構(gòu)件尺寸，可以使用與施工建設。再通過PKPM的雙向接口，導入回Revit，獲得真正意義上的模型。

建筑、水電、暖通專業(yè)共享此回代模型。因BIM的三維可視性，建筑師們可以直接對結(jié)構(gòu)柱、墻、梁的位置、尺寸是否滿足建筑師們的設想做出判斷，水電工程師們也可以校核結(jié)構(gòu)梁墻是否妨礙其管線布置，在此成果模型上布置管線，獲得真實的樓層凈空，方便直接進行設計優(yōu)化。

6.小結(jié)

隨著計算機科技的不斷進步，BIM技術在建筑業(yè)的應用越來越廣泛。深入研究分析BIM技術，積累寶貴經(jīng)驗，相信在不久的將來，BIM將會在我國建筑業(yè)形成一種全新的概念與技術風格，給行業(yè)帶來全新的契機。