基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)研究

易嘉明

（廣東省機(jī)電建筑設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 510000）

0 引言

社會經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科技的發(fā)展，很大程度上推動了建筑行業(yè)建設(shè)管理方法的革新，尤其是像BIM這樣的先進(jìn)技術(shù)，對建筑工程行業(yè)當(dāng)下及未來的發(fā)展有重要的價(jià)值。BIM作為一種融合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和信息化技術(shù)的先進(jìn)系統(tǒng)，在建筑工程建設(shè)和管理中，能夠?qū)?shù)字化的技術(shù)優(yōu)勢發(fā)揮得淋漓盡致。接下來，本文就從建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)入手，對BIM技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究和分析。

1 BIM的介紹以及在建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)中的應(yīng)用價(jià)值

1.1 介紹

BIM（Building Information Modeling），翻譯過來也就是建筑信息模型，是一種基于計(jì)算機(jī)軟件和數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)代技術(shù)。這種技術(shù)在工程設(shè)計(jì)、施工和管理中，是一種重要的工具。其核心功能是將相關(guān)資源和專業(yè)因素進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化，再通過系統(tǒng)的數(shù)字模擬功能，呈現(xiàn)可視化的三維模型。基于這種三維模型，設(shè)計(jì)人員可以直接通過操作軟件來進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可行性模擬分析，施工人員可以更直觀的了解施工圖紙和設(shè)計(jì)要求，管理者可以基于對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，制定和執(zhí)行有效的管理措施[1]。從專業(yè)角度來講，BIM是一個(gè)共享的知識資源，可以通過計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)給相關(guān)人群共享建筑項(xiàng)目的相關(guān)信息，這些信息的指導(dǎo)性貫穿于建筑工程的全生命周期，對工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、驗(yàn)收和日后管理維護(hù)，都能提供重要的支持。同時(shí)，在建筑工程全生命周期中，人們可以根據(jù)實(shí)際需要，通過BIM對相關(guān)信息進(jìn)行增加、修改和更新，實(shí)時(shí)反映工程狀態(tài)和施工管理進(jìn)度。

1.2 應(yīng)用價(jià)值

在傳統(tǒng)建筑工程的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員主要用到的是有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，通過它來完成分析設(shè)計(jì)方案中建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而評估設(shè)計(jì)方案的可行性。在分析完成之后，再用CAD軟件將設(shè)計(jì)方案以二維圖的方式呈現(xiàn)出來，提供給相關(guān)人員使用。但是，這種方法中的各個(gè)環(huán)節(jié)比較獨(dú)立，并且最終完成的設(shè)計(jì)圖紙可視化效果較差，同時(shí)如果有更改需求時(shí)，將會消耗大量的時(shí)間精力。

而在建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)中使用BIM技術(shù)，可以直接在軟件中構(gòu)建可視化的三維模型，同時(shí)錄入或生產(chǎn)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，并利用力學(xué)分析模塊直接對設(shè)計(jì)方案中的建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行測試。之后，BIM技術(shù)能夠直接生成測試通過之后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，并按照相關(guān)使用者的要求進(jìn)行圖紙轉(zhuǎn)化。顯然，BIM技術(shù)可以將結(jié)構(gòu)繪制和設(shè)計(jì)統(tǒng)一起來，給設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作以及圖紙會審、使用人員帶來極大的便利[2]。

進(jìn)一步來講，BIM技術(shù)的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)的模式，通過對三維模型的設(shè)計(jì)，不僅可以節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，還能提高設(shè)計(jì)方案的可視化水平，便于相關(guān)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理的情況，同時(shí)為自己的工作做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。具體來講，通過BIM技術(shù)設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)模型，可以生成大量的專業(yè)數(shù)據(jù)，從工程設(shè)計(jì)、施工、造價(jià)控制，到工程驗(yàn)收、物業(yè)管理、建筑水電系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝等環(huán)節(jié)的不同人員，都能獲取自己需要的專業(yè)數(shù)據(jù)和圖紙。也就是說，BIM技術(shù)設(shè)計(jì)完成的圖紙方案和數(shù)據(jù)庫，將貫穿于整個(gè)工程的生命周期。

最后，通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，可以讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員與其他部門進(jìn)行快速溝通、協(xié)同工作。在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部，基于一個(gè)BIM三維建筑模型，多個(gè)設(shè)計(jì)人員可以協(xié)同進(jìn)行設(shè)計(jì)，互相能夠及時(shí)就相關(guān)問題進(jìn)行在線討論和協(xié)調(diào)解決。在整個(gè)建筑工程項(xiàng)目的推進(jìn)中，可以與其他部門人員進(jìn)行快速的信息溝通，提高設(shè)計(jì)和應(yīng)用效率。

2 BIM技術(shù)在我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況

自2003年起，BIM技術(shù)在我國部分地區(qū)的建筑工程建設(shè)中就得到了實(shí)踐研究，同時(shí)相關(guān)高校也開始著手將相關(guān)技術(shù)的研究和學(xué)習(xí)納入建筑工程設(shè)計(jì)和施工的專業(yè)課程之中。軟件單位投入資金和資源對BIM軟件進(jìn)行開發(fā)，逐步推出了很多有應(yīng)用價(jià)值的BIM設(shè)計(jì)軟件。

如今，我國建筑工程行業(yè)中，BIM技術(shù)的應(yīng)用率和應(yīng)用水平越來越高，尤其在很多知名建筑工程項(xiàng)目中，BIM技術(shù)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。例如，著名的上海中心大廈工程項(xiàng)目的開發(fā)建設(shè)中，全過程使用了BIM技術(shù)，將BIM技術(shù)貫穿于該工程的設(shè)計(jì)、施工、后期運(yùn)營之中。到如今，該工程BIM形成的圖紙模型、數(shù)據(jù)庫都還在為該建筑的運(yùn)營管理、維護(hù)保養(yǎng)提供重要依據(jù)。

不過，目前我國整個(gè)建筑工程建設(shè)和管理行業(yè)中，BIM技術(shù)的應(yīng)用水平依然較低，尤其是與之配套的相關(guān)制度、協(xié)作機(jī)制尚未健全。例如，利用BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模的相關(guān)費(fèi)用尚無一個(gè)清晰的標(biāo)準(zhǔn)，并且在知識產(chǎn)權(quán)和所有權(quán)方面存在一定的問題。同時(shí)，在實(shí)施過程中，可能存在不同單位的數(shù)據(jù)應(yīng)用和格式標(biāo)準(zhǔn)存在差異的情況，這會導(dǎo)致BIM技術(shù)的優(yōu)勢無法發(fā)揮出來，導(dǎo)致工程建設(shè)管理效率受到影響。另外，關(guān)于BIM技術(shù)中相關(guān)模型、圖紙、數(shù)據(jù)庫的管理也存在一些問題，如此龐大且重要的數(shù)據(jù)體系，需要進(jìn)行妥善保管，否則很容易對建筑工程的建設(shè)和后期運(yùn)營維護(hù)工作帶來一定的負(fù)面影響。最后，如今掌握BIM技術(shù)且具備相關(guān)信息化、協(xié)同化理念的人才比較缺乏，很多建筑設(shè)計(jì)單位雖然使用了BIM技術(shù)，但是設(shè)計(jì)人員乃至其他部門之間仍然按照傳統(tǒng)的工作、協(xié)同模式，導(dǎo)致BIM技術(shù)的優(yōu)勢和價(jià)值沒有被充分發(fā)揮出來。

3 BIM在建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用

在建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，BIM模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)對邏輯結(jié)構(gòu)的依賴性比較強(qiáng)，因此要求相關(guān)技術(shù)人員對不同結(jié)構(gòu)體和構(gòu)件之間的關(guān)系進(jìn)行明確把控。比如在建筑結(jié)構(gòu)和屬性之間的關(guān)系方面，要處理好美學(xué)、力學(xué)以及實(shí)用性要求之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員要對鋼筋、混凝土及相關(guān)工程材料的物理性質(zhì)、力學(xué)特點(diǎn)和環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行足夠了解，對模型系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)擴(kuò)展，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)水平[3]。

在利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要對結(jié)構(gòu)原型開發(fā)過程進(jìn)行全面的分析，按照系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的相關(guān)規(guī)則和指標(biāo)，對相關(guān)資源數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行合理利用。該環(huán)節(jié)中，要通過接口層實(shí)現(xiàn)物理儲存數(shù)據(jù)與模型之間的有效連接，通過模型層來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案觀察和可行性分析。另外，設(shè)計(jì)人員需要配合計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)庫開發(fā)管理人員，將結(jié)構(gòu)施工圖的設(shè)計(jì)規(guī)則、圖檔資料、文件及系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化，再儲存于系統(tǒng)數(shù)據(jù)層之中。并且結(jié)合建設(shè)管理團(tuán)隊(duì)的實(shí)際情況，對數(shù)據(jù)層的訪問、調(diào)取、更改權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，確保數(shù)據(jù)層的安全。在結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)完成之后，設(shè)計(jì)人員需要將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化成可視性和可理解性較強(qiáng)的三維模擬圖，再聯(lián)合施工負(fù)責(zé)人、BIM技術(shù)人員、工程造價(jià)人員、監(jiān)理人員等，對設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行會審，評估可行性，形成最終執(zhí)行的設(shè)計(jì)方案。

另外，在建筑結(jié)構(gòu)施工圖的按設(shè)計(jì)當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員需要聯(lián)合技術(shù)、造價(jià)控制、監(jiān)理乃至業(yè)主等人員，利用BIM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效化的信息溝通和交互。比如，利用BIM技術(shù)的可視化三維模擬技術(shù)，在線上與各方就設(shè)計(jì)稿進(jìn)行討論，廣泛收集各方意見，針對小問題，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)和呈現(xiàn)。從設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)本身的角度來講，如今大多數(shù)建筑工程項(xiàng)目的規(guī)模比較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作都是由多個(gè)設(shè)計(jì)師協(xié)作完成。為此，設(shè)計(jì)人員也可以利用BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)計(jì)端的協(xié)同設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師互相可以看到其他設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)調(diào)整動作，基于線上信息溝通模塊，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

最后，通過BIM技術(shù)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速收集，并通過相關(guān)軟件進(jìn)行初步模擬化設(shè)計(jì)。避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下信息獲取慢、應(yīng)用價(jià)值不高的問題，并且還可以在信息數(shù)據(jù)獲取和分析過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。而從另一個(gè)角度來講，基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以全程對設(shè)計(jì)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行動態(tài)化記錄，將相關(guān)信息儲存于數(shù)據(jù)庫之中。而設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化設(shè)計(jì)、審核的過程當(dāng)中，可以隨時(shí)調(diào)動這些歷史記錄，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的不斷完善。最后，這些重要的數(shù)據(jù)和信息，在后續(xù)的設(shè)計(jì)圖紙會審、建造施工中，都可以在施工單位、造價(jià)控制人員、監(jiān)理人員手中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)束語

總結(jié)來講，當(dāng)代建筑工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)管理水平在不斷提高，其中現(xiàn)代技術(shù)和管理理念發(fā)揮了重要的作用。在建筑工程結(jié)構(gòu)施工圖的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，BIM技術(shù)三維模擬功能和數(shù)據(jù)庫功能的優(yōu)勢被充分發(fā)揮了出來。在建筑工程市場競爭越來越激烈、社會要求越來越高的大背景下，設(shè)計(jì)人員需要積極對BIM技術(shù)進(jìn)行深入的研究和實(shí)踐應(yīng)用，通過可視化系統(tǒng)，開展協(xié)同設(shè)計(jì)和審核工作，全面提高結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量水平，進(jìn)而提高建筑工程的建設(shè)和管理水平。