BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉杭杭，項(xiàng)炳泉，安東兵，劉勇，樂(lè)騰勝

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230032；2.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230032）

1 引言

2017年4月26日住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，明確要求加大BIM應(yīng)用和加強(qiáng)國(guó)產(chǎn)BIM軟件開發(fā)。BIM（Building Information Modeling）是建筑行業(yè)全過(guò)程管理的智能控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用能夠提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，獲取、分析工程量成本數(shù)據(jù)，并為施工建造全過(guò)程提供技術(shù)支撐，為項(xiàng)目參建各方提供基于BIM的協(xié)同平臺(tái)。BIM設(shè)計(jì)階段是全壽命周期內(nèi)的關(guān)鍵階段，本文依托安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院建筑檢測(cè)大廈三星級(jí)綠色建筑為工程實(shí)例，通過(guò)在BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐，淺談BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)以及存在的障礙。

2 BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

目前，傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是采用PKPM、YJK、MADAS、SAP2000等有限元結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和受力變形分析，然后再將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到CAD中進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工圖的繪制。BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是采用Autodesk Revit Structure軟件建立實(shí)體物理模型，然后將實(shí)體物理模型導(dǎo)入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，再?gòu)姆治鲕浖袑?dǎo)出分析設(shè)計(jì)信息，更新實(shí)體物理模型和施工圖設(shè)計(jì)，BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的目的是為了將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工圖的繪制二者相統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接[2]。但是現(xiàn)在市場(chǎng)上宣傳的接口軟件，都是雙向互連的模型中的構(gòu)件必須是常規(guī)的，復(fù)雜的構(gòu)件會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失或不全。所以，在將BIM技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，BIM模型與有限元結(jié)構(gòu)分析模型實(shí)現(xiàn)雙向無(wú)縫互連問(wèn)題是影響結(jié)構(gòu)工作者采用BIM的最大的阻力。

3 BIM技術(shù)的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院建筑檢測(cè)大廈位于合肥市蜀山區(qū)山湖路567號(hào)，總建筑面積為27859 m2（地上建筑面積22265m2，地下建筑面積5594 m2）。建筑高度為88.35m。主要功能：辦公、實(shí)驗(yàn)等，如圖1所示。本項(xiàng)目進(jìn)行了BIM綠色建筑分析、BIM三維建模、BIM內(nèi)裝設(shè)計(jì)、BIM幕墻設(shè)計(jì)、可視化展示、4D模擬（3D+進(jìn)度模擬），不僅深化了設(shè)計(jì)、提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量及工作效率，還減少了后續(xù)施工期間的返工，保障了施工周期，節(jié)約了項(xiàng)目資金。本項(xiàng)目通過(guò)了綠色建筑三星級(jí)標(biāo)識(shí)，2014年安徽省綠色建筑示范項(xiàng)目，安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院建筑檢測(cè)大廈BIM技術(shù)應(yīng)用研究獲得了第二屆中國(guó)建設(shè)工程BIM大賽單項(xiàng)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。

圖1 項(xiàng)目總平面圖及建筑方案效果圖

3.2 BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

3.2.13 D參數(shù)化模型的建立

本項(xiàng)目采用Autodesk Revit Architecturer軟件建立了3D參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型。主要步驟有：①根據(jù)樣板文件和結(jié)構(gòu)方案，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)標(biāo)高；②根據(jù)《建筑工程設(shè)計(jì)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定建立基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)模型（包括基礎(chǔ)、梁、板、柱、剪力墻、樓梯等構(gòu)件）；③鏈接到各專業(yè)綜合模型中。如圖2、圖3所示。

三維可視化模型，形象地表達(dá)了各構(gòu)件之間的空間關(guān)系，每個(gè)構(gòu)件信息不僅包含了幾何形狀信息，還包含了大量的非幾何信息，如材料信息、邏輯信息等。鏈接后的Revit三維模型，通過(guò)動(dòng)態(tài)漫游演示可以檢查結(jié)構(gòu)構(gòu)件與設(shè)備構(gòu)件是否發(fā)生碰撞，形成了問(wèn)題報(bào)告，可以更加精確地找出問(wèn)題點(diǎn)，達(dá)到深化設(shè)計(jì)的目的，從而優(yōu)化空間設(shè)計(jì)，使布局更合理化。如圖4所示。

圖2 結(jié)構(gòu)標(biāo)高

3.2.2 異形構(gòu)件

BIM族也稱構(gòu)建族，族有著舉足輕重的地位。族分為常規(guī)構(gòu)件族和特定構(gòu)件族。在一個(gè)項(xiàng)目模型中，常規(guī)構(gòu)建族可以通過(guò)設(shè)定現(xiàn)有的參數(shù)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)在項(xiàng)目中的獨(dú)特性與適用性。而往往項(xiàng)目中無(wú)法通過(guò)常規(guī)族進(jìn)行搭建的就必須找到特定族，如果在族庫(kù)中存在特定的族庫(kù)可以直接調(diào)用，然后進(jìn)行參數(shù)控制以滿足項(xiàng)目所需。當(dāng)然族庫(kù)不是萬(wàn)能的，有些項(xiàng)目上需要的族在族庫(kù)中可能無(wú)法找到直接調(diào)用，那么就需要我們自行創(chuàng)建一個(gè)符合項(xiàng)目所需的特定族。本工程項(xiàng)目建模時(shí)，有大量的異形構(gòu)件，筆者創(chuàng)建了異形構(gòu)件族，此族可以共享給其他項(xiàng)目直接調(diào)用，節(jié)約了建模時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)異形柱族庫(kù)

3.2.3 鋼筋3D可視化

由于BIM技術(shù)“所見即所得”的三維可視化特性和模擬性，鋼筋3D可視化（圖6所示）可以較為詳細(xì)的展示鋼筋節(jié)點(diǎn)的細(xì)節(jié)部分，對(duì)于實(shí)際工程中，梁柱截面變化位置，鋼筋搭接長(zhǎng)度，箍筋間距變化等細(xì)節(jié)情況，在現(xiàn)場(chǎng)施工中，通過(guò)附著于整體模型上的三維鋼筋模型指導(dǎo)施工，更容易把握復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的鋼筋的空間搭接關(guān)系[1]。這些技術(shù)細(xì)節(jié)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)方向施工方技術(shù)交底時(shí)，施工方能從以往的二維圖紙的理性認(rèn)識(shí)上升到三維實(shí)體模型的感性認(rèn)識(shí)上，直觀地認(rèn)識(shí)整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)情況，更加有助于施工方對(duì)圖紙的理解和對(duì)設(shè)計(jì)意圖的領(lǐng)會(huì)。

圖6 三維鋼筋實(shí)體模型

4 BIM在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本項(xiàng)目的初期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作在建筑初步方案確定后才開始介入?yún)⑴c工作，使用PKPM軟件結(jié)構(gòu)建模并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。BIM中Revit核心建模平臺(tái)建立的結(jié)構(gòu)物理模型只是提供示意空間構(gòu)件和協(xié)同其他專業(yè)的三維模型，不能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算，結(jié)構(gòu)分析計(jì)算需要依靠其他結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件的配合來(lái)完成，第三方軟件必須要完全實(shí)現(xiàn)與Revit模型的完美鏈接。本模型后期采用了完全國(guó)產(chǎn)的YJK1.70結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，但是計(jì)算結(jié)果和PKPM計(jì)算結(jié)果還是有出入。

4.2 三維鋼筋模型

通過(guò)三維實(shí)體的形式進(jìn)行鋼筋的表達(dá)其缺點(diǎn)還是有的，由于這種設(shè)計(jì)方案需要逐根鋼筋的定位和長(zhǎng)度等信息的處理，一些復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，就要求結(jié)構(gòu)工程師畫圖需細(xì)心，而且工作量很大的，另外，鋼筋信息的增多對(duì)電腦顯卡和CPU的要求也比較高。

5 總結(jié)

本項(xiàng)目BIM三維可視化設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)，使各專業(yè)工程師從三維的角度去溝通，提高了工作效率及設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度，指導(dǎo)了施工，提高了施工進(jìn)度，但是本項(xiàng)目在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的最大的阻礙BIM結(jié)構(gòu)物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正雙向鏈接，沒(méi)有最大地發(fā)揮BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。下一步將在結(jié)構(gòu)物理模型與結(jié)構(gòu)分析軟件鏈接方面做進(jìn)一步研究。BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的發(fā)展將會(huì)加速促進(jìn)BIM技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。