BIM 技術在建筑結構設計中的應用

常春霞

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司建筑工程院，湖北 武漢 430000）

建筑工程結構設計是整個建筑工程能夠順利安全進行的前提和保障，將先進信息化技術運用到建筑工程結構設計中是提升設計水平、提高工程效率的有效手段，在這樣的現實需求下，BIM 技術得到了長足的發展。BIM 技術應用的關鍵在于將傳統的2D 平面設計發展為3D 立體結構設計，使得建筑結構設計工作更加直觀，同時也減少了由于空間設計和布置不合理造成的設計缺陷。因此，在建筑結構設計中利用好BIM 技術對工程實踐有著重要的價值和意義。

1 BIM 技術的內涵和特點

1.1 BIM 技術概念

Building Information Model，簡稱BIM，中文意思為建筑信息模型。三維數字技術是BIM 的基礎。在建筑工程設計領域，利用工程數據建立三維建筑模型是BIM的核心功能。BIM 不僅僅擁有3D 建模功能，同時還可以對設計數據進行分析，對設計流程進行信息化管理，是一種能夠實現信息資源分享的信息系統。BIM 是常規3D 建模的擴展和升級，是包含了更多技術方法和工具軟件的設計平臺，其主要組成部分包括產品模型、過程模型以及決策模型，如圖1 所示。這三個相互關聯互相影響的模型組成完整的BIM 系統，能夠有效提升建筑設計效率。其中，產品模型到過程模型是指建筑構件的空間信息、非空間信息和拓撲關系。空間信息通常包括建筑構件的尺寸、外形、空間位置以及構件間的相互關系，非空間信息主要包括建筑構件的材質、重量、載荷特性等。過程模型反映了建筑物結構動態模型與各個構件之間的關系，直接影響了構件在各個時間段的性能。決策模型，是設計人員在進行建筑設計過程中，直接或間接影響產品模型與過程模型的數值模型。

圖1 BIM 系統模型

1.2 BIM 技術的主要特點和優勢

BIM 技術在建筑結構設計中具有明顯的優勢。

（1）可視化設計。可視化設計時BIM 技術的最直觀的特點之一。與傳統的CAD 平面制圖不同，利用BIM 技術進行建筑結構設計時的整個過程都是三維可視化的，設計者利用可視化的三維模型可以更好的進行建筑的結構和空間布局設計，能夠更加直觀展現建筑的外形、內部空間結構、載荷特性，同時能夠模擬施工過程，使建筑結構設計更加合理準確。

（2）能夠整合各個專業。BIM 技術具有較高的開放性，參與建筑設計的各個單位可以在統一的BIM 平臺上開展設計工作，各專業可以進行充分有效的協商與溝通，減少由于信息壁壘造成的設計缺陷，提高建筑設計質量。

（3）實現施工過程的仿真模擬。在利用BIM 進行建筑設計完成后，可以進行施工模擬，在仿真模擬過程中可以對施工設備、材料和施工進度等重要項目管理內容進行預估和測算，生成的模擬數據可以作為施工管理的依據，從而促進建筑工程項目的精細化管理。

2 BIM 技術應用于建筑結構設計的實踐

2.1 建筑整體結構設計

BIM 技術突破了傳統的建筑工程平面化設計方法，實現了建筑結構設計從二維圖紙到三維模型的轉變，并實現了傳統的分布設計到多專業聯合的協同設計，這對于建筑結構設計而言是巨大的進步。以最為常見的混凝土結構建筑整體結構設計為例，利用BIM 技術中最常用的Revit 軟件可以有效實現建筑整體結構三維模型的建立，并可以在軟件中輸入預制構件的各項參數，形成完整的構件庫，然后將這些構件組裝起來完成建筑的整體結構設計，不但提高了設計效率，而且提升了建筑整體設計的空間合理性。于此同時，通過Revit 軟件的模型相關和模型匹配功能，可以建立兩個模型之間的相關和對應關系，從而進行計算，省去了結構建模步驟。此外，在建筑施工中存在大量安裝節點，如預制構件的連接、鋼筋的布置、鋼筋的連接形式等。這些內容是設計工作的重點，面對復雜的安裝節點，單純依靠二維圖紙很難進行有效表達，但三維模型能直觀地表達各個安裝節點信息，不再需要大量的多角度圖紙進行表述，降低了圖紙設計量，并能給施工人員更加直觀的指導，有利于提升施工效率和質量。

2.2 房屋戶型空間設計

在住宅戶型設計BIM 技術中的三維實體模型代替了點、線、面的二維繪制，三維模型在設計、分析和管理方面具有較好的可視化性能。在傳統的設計中，CAD 軟件設計的圖紙與后期制作的三維效果圖無關，而BIM 模型對應于它所生成的各種圖紙中的每個元素，通過改變模型的一個部分對與該部分相關的部分進行更新，進而有效提高設計效率。例如，當進行建筑戶型設計時，可以應用Revit 軟件創建三維戶型模型，建筑師可以通過三維模型直接表達自己的設計思想，更加直觀的詳細展示戶型的幾何特征和空間布局，如圖2 所示。

圖2 Revit 軟件生成的戶型圖

2.3 建筑房屋結構水電管道的一體化設計

BIM 設計技術打破了傳統的建筑設計、結構設計和機電設計的模式，避免了各個部分沒有交流的問題，實現建筑設計、結構設計和水電設計的一體化，將建筑模型、結構模型和機電模型集成為一個建筑模型，實現多專業協同設計，完善建筑模型信息。例如在水電設計中，設計師利用三維結構圖來表達自己的設計意圖，使設計圖更加合理、完整、清晰，如圖3 所示。

圖3 水電一體化設計圖

2.4 施工圖設計

在建筑設計建模過程中，首先按照建模步驟完成別墅所需的地基、梁、板、柱等構件，并通過參數共享和標注系列圖平面施工圖的方式完成相關制作，結構設計人員需要根據自己的習慣完成相關構件的施工。在制作構件時，需要根據平面法施工圖標準的圖集制作相應的文件，并創建一組共享的參數和標簽或者組件的信息，這樣當一條信息發生變化時，其余的信息也會發生變化，確保BIM 中的參數是一致的。在編制了鋼筋混凝土結構模型和系列文件后，利用鋼筋混凝土結構模型軟件進行了梁、板、柱及相關詳圖的平面施工圖設計。BIM 與和平的方法形式不同，BIM 技術主要通過三維模型的創建，和平的規律是通過二維抽象符號、線條表示，但兩種方法所顯示的信息是相同的，它們之間沒有根本的沖突，將兩者結合起來可以更加清晰和全面地表達它們。將BIM 技術應用于結構設計時，可利用BIM 軟件繪制結構平面施工圖，通過共享參數和創建標簽族文件，實現了BIM 技術與平面法的結合。

3 結束語

綜上所述，在建筑結構設計中，利用BIM 技術能夠顯著提升設計效率和建筑的空間布置合理性，能夠有效降低因三維空間設計不合理造成的建筑結構設計缺陷。BIM 技術無論是在建筑的整體結構設計、戶型設計以及水電系統的一體化設計方面都顯現出了巨大的優勢。在未來，隨著電子信息技術的不斷發展，BIM 也會不斷的優化和進步，徹底改變傳統建筑的二維平面設計方法，進入全新的數字化3D 設計時代。