BIM技術在某項目結構優化設計中的應用研究

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(1.湘潭大學土木工程與力學學院，湘潭 411105； 2.四川柏慕聯創工程技術服務有限公司，成都 610015； 3.北京構力科技有限公司，北京 100013； 4.中南大學土木工程學院，長沙 410075)

引言

在工程項目的建設過程中，造價是決定其是否可行的關鍵性指標，對工程造價的控制貫穿每一個工程項目的建設全過程。其中，在設計階段對項目的造價進行控制，具有至關重要的決定性作用。統計研究表明，雖然項目設計階段的費用僅占建設成本的2%～5%，但其對項目工程造價的影響可達75%以上[1]。正因如此，工程優化設計與造價控制成為當前工程界研究的熱點。傳統的結構優化環節，結構設計師的優化目標普遍單一，往往只依據可靠度作為目標進行優化，很少考慮到其優化結果對于全專業的影響； 同時，由于我國建筑行業習慣是對項目造價進行事后控制，并沒有掌握造價對建筑結構設計的主動控制權，最終導致我國建設項目成本控制實踐中，造價控制主要集中于項目實施的環節。為了有效地控制項目投資，盡可能減少目標值與實際值的偏離，必須抓住工程設計階段這個關鍵點[2]。基于BIM技術構建的三維信息模型管理平臺可以實現對建筑物全生命周期的精細化管理，有效實現數據協同共享的功能，為成本管理的有效實施提供穩定的依據[3]。BIM全專業協同技術在工程項目全過程中都可以應用，通過可視化建模方式，有助于減少視圖的誤差，通過碰撞檢查，有益于優化施工方案，控制成本，而通過動態數據庫，有利于各管理線的協同工作信息共享[4]。BIM技術能夠實現對工程造價的有效監控，同時為工程造價的控制問題提供強有力的技術支持。提高工程造價的控制水平的同時，保障工程施工的整體效益[5]。

本文嘗試將BIM技術引入結構優化設計階段，促進造價信息與優化設計方案的有效結合，對選擇優化設計方案時所需的各項數據進行系統的分析和研究，提出基于BIM的更為簡潔高效的結構優化設計流程。

1 工程概況及初始設計方案

本工程位于湖南省，為某高校大型圖書館建設項目，建筑結構安全等級為二級，設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第三組，設計基本地震加速度值為0.15 g，建筑場地類別為Ⅲ類，基本風壓0.55kN/m2，地面粗糙度為B類，基本雪壓為0.45kN/m2，鋼筋采用HPB300級、HRB400級混凝土強度等級C35。

樓(屋)面荷載情況：樓面恒荷載標準值采用3.8kN/m2，屋面恒荷載標準值采4.5kN/m2。報告廳采用3.0kN/m2，辦公室活荷載采用2.0kN/m2，消防樓梯活荷載采用3.5kN/m2，密集書庫活荷載采用12.0kN/m2，公共衛生間采用8.0kN/m2，屋面(按不上人考慮)活荷載采用0.7kN/m2。

基于PBIMS設計平臺實現同一中心文件下的建筑結構設計，直接形成建筑結構的三維模型，原PBIMS方案建筑、結構以及專業串聯三維模型如圖1(a-c)所示。

BIM技術通過參數化的建模過程(Parametric Modeling)，保存了圖元作為數字化建筑構件的所有信息，將幾何信息組構成參數組件，如墻、柱、梁、板等； 除了攜帶幾何信息外，這些參數組件更可以攜帶如材質、成本、使用年限等信息，這些優勢也給將BIM技術應用于工程造價領域創造了可能。

原方案建筑平、立、剖面圖如圖2(a-c)所示。

利用BIM技術一致性、可出圖性的優勢，其自動化的圖文產出減少了大量的人力與時間成本，設計變更所耗費的成本也隨之降低； 一處修改處處更新的特點，也能幫助設計師準確、快捷地優化方案中的每一個細節。

2 基于BIM的優化方案

本項目在接到相關專業條件進行結構施工圖設計時，首先確定結構方案為鋼筋混凝土框架結構，并初步給出了框架梁、框架柱的截面尺寸。利用PBIMS結構設計軟件建立結構模型，然后用SATWE對結構內力進行計算和分析。隨后對不滿足規范要求的節點或構件重新進行修改，直至滿足規范的要求為止，從而完成初始的結構設計工作。

(a)建筑三維模型 (b)結構三維模型 (c)專業整合模型圖1 建筑結構的三維模型

(a)平面圖 (b)立面圖 (c)剖面圖圖2 原建筑方案

在以往的結構設計過程中，通常是根據經驗先確定結構方案，估算出梁、板、柱等主要構件的截面尺寸，然后利用軟件計算分析后再調整不滿足要求的構件。采取這種方式確定的構件截面尺寸主觀性較大，最后得到的截面尺寸也增加了工程的造價。

建筑功能與建筑造價是建筑結構的兩大關鍵內容，在建筑結構設計過程中應予以全面考量，在空間及成本既定的基礎之上盡可能實現最優化結構設計[6]。鋼筋混凝土結構是由鋼筋和混凝土兩種材料組成的，這兩種材料受力原理不一樣價格也有明顯差距，建筑物自重最輕時不代表其造價就最低。工程造價是優化設計的關鍵與首要目標，也就是說，結構優化設計的目標應該是消耗材料、人工等的成本，這樣才能做到真正地優化結構，使工程造價降到最低[7]。本文選取鋼筋、混凝土用量、模板面積、人工費等四個因素來比較不同結構優化方案的工程造價。

本文選取項目四層1/01-3/03軸交1/K-Q軸的圖書藏閱區部分進行優化分析，此部分結構需求空間較大，利于展開比較。本文分別考慮對所選部位選取肋梁樓蓋、井字梁樓蓋、無梁樓蓋三種結構方案，通過PBIMS、柏慕1.0等軟件進行結構以及數據分析，得出三種方案其各類材料及人工消耗量。三種不同結構設計方案如圖3(a-c)所示。

三種方案的軸網及梁柱尺寸如圖4(a-c)所示。

通過計算框架結構荷載，完成三種優化方案的結構計算并得出三種優化方案的材料用量以及工程造價。三種方案其鋼筋骨架如圖5(a-c)所示。

(a)肋梁樓蓋方案 (b)井字梁樓蓋方案 (c)無梁樓蓋方案圖3 結構方案

(a)肋梁樓蓋方案 (b井字樓蓋方案) (c)無梁樓蓋方案圖4 軸網及梁柱尺寸

(a)肋梁樓蓋方案 (b)井字梁樓蓋方案 (c)無梁樓蓋方案圖5 各方案鋼筋骨架圖

(a)鋼筋 (b)混凝土

(c)模板 (d)人工圖6 各方案對應的材料用量

經過統計之后得出的各個方案的鋼筋、混凝土用量，以及模板和人工費用如圖6(a-d)所示。

從以上三維柱狀圖可以看出，從井字梁樓蓋到肋梁樓蓋再到無梁方案，可以看出從井字梁樓蓋方案到無梁樓蓋方案，隨著梁架數量的減少，整個結構所消耗的鋼筋量逐漸增多，混凝土體積也逐漸增多，這是因為隨著梁架數量逐漸減少，剩余的框架梁的截面高度增加，框架梁自重及梁柱配筋率均相應上升，總的鋼筋消耗量也相應上升； 同時，隨著梁架數量減少，框架梁截面高度增加、樓板厚度也隨之增大，使得混凝土總體積也隨著上升。在模板使用量方面，因為肋梁方案在梁截面尺寸以及主次梁數量上都處于中間位置，導致其模板使用總量較高。

3 優化方案的綜合比選

根據算出的工程量，使用算量軟件將工程量換算成實際工程造價。套用2008年全國建筑工程勞動定額，與《湖南省住房和城鄉建設廳關于發布2017年湖南省建設工程人工工資單價的通知》，分別獲得鋼筋單價3 377.43元/t，商品混凝土單價353.06元/m3，木模板單價46元/m2，人工工資單價100元/工時，并統計得出了三種優化方案的工程造價，以及各類因素影響造價占比，如圖7(a-d)所示。

(a)井字梁樓蓋 (b)肋梁樓蓋

(c)無梁樓蓋 (d)各因素影響造價占比圖7 各方案成本構成

優化設計的目標就是控制工程造價。只要嚴格遵守“經濟、實用、合理”的原則，認清優化設計在造價控制中的重要性，確定合理目標，積極創造適宜條件，主動采用科學的控制方法，就一定能搞好設計階段的造價控制[8]。

從統計結果來看，在以上三種優化方案的工程造價中，模板造價是影響井字梁樓蓋方案與肋梁樓蓋方案的主要因素，這是因為框架梁的側模以及底模消耗量大量模板； 而在無梁樓蓋方案中，商品混凝土造價則占據了主要影響因素。可以看出隨著梁架數量減少，框架梁截面高度增加、樓板厚度也隨之增大，使得混凝土總體積也隨著上升，消耗量增加。

從三種優化方案的工程造價可以看出，以無梁樓蓋方案為基準方案，井字梁樓蓋方案的優化率為13.4%，肋梁樓蓋方案的優化率為5.51%。因此，井字梁樓蓋方案在本工程中可作為最優方案選擇。

4 結論

結構方案優化設計是一個較為系統的工作，優化設計的關鍵目標是控制工程造價。只有嚴格遵守“經濟、實用、合理”的原則，認清優化設計在造價控制中的重要性，確定合理目標，積極創造適宜條件，主動采用科學的控制方法，才能做好設計階段的造價控制。本文結合BIM技術平臺以及廣聯達算量平臺，對工程實例建立三維信息模型，在綜合考慮了混凝土用量、鋼筋用量、模板用量以及人工消耗量等因素之后，得出了不同優化方案的工程造價，結果表明井字梁樓蓋優化方案是最優方案。建筑工程的優化設計是多種因素綜合考量的結果，不應只從本專業出發，而應從整體綜合上考慮，本文選取了混凝土用量，鋼筋用量，模板用量以及人工消耗量等四種因素，提高了優化方案比選結果的準確度。基于BIM技術的優化設計能夠通過三維可視化以及中心工作平臺的方式，更好地提高優化效率，實現對工程造價的有效監控，同時為工程造價的控制問題提供強有力的技術支持。提高工程造價的控制水平的同時，保障工程施工的整體效益。

參考文獻

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