BIM建筑結構設計方法研究與實現

史艾嘉 胡慶生

摘要：BIM技術在建筑設計與設備領域應用較普遍，然而在結構設計領域應用相對較少。本文以某多層框架結構為例，運用Revit、PKPM、盈建科等多種軟件，對其進行結構分析，對比分析BIM結構設計分析與傳統結構分析的區別，實踐證明BIM結構分析更有利于提升工程設計師的工作效率，對結構設計具有較大的參考價值。

Abstrcat： BIM technology is widely used in the field of architectural design and equipment， but it is relatively rare in the field of structural design. Taking a multi-layered frame structure as an example， this paper uses Revit， PKPM， YJK building software and other software to analyze its structure， compare and analyze the difference between BIM structural design analysis and traditional structural analysis. It is proved that BIM structural analysis is more beneficial to improve the efficiency of engineering designers， and have great reference value for structural design.

關鍵詞：BIM技術;結構設計;Revit;PKPM

Key words： BIM technology;structural design;Revit;PKPM

中圖分類號：TU17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）10-0229-04

0? 引言

近年來，BIM技術在建筑領域得到了廣泛應用。國內的BIM軟件產品也不斷推陳出新，涵蓋建筑規劃、設計、招投標、施工、運維管理等全生命周期。隨著對BIM技術應用的探究愈加深入，各種問題也接踵而至，BIM技術的核心是信息共享，尤其是在專業協同時，如果缺乏信息間的共享，則會造成信息斷層。本文主要研究BIM在建筑設計與結構設計間的專業協同，嘗試探索基于Revit structure的結構設計方法。

1? BIM概述

BIM（Building information modeling）即建筑信息模型，它起源于20世紀70年代，由BIM之父Chuck Eastman教授首先提出BIM理念，之后逐漸在新加坡、日本、歐洲各國家廣泛應用，目前是我國建筑行業興起的新技術。BIM具有可視化、模擬性、協調性、優化性和可出圖性等五大特點，近幾年來，隨著我國學者研究BIM的時間增長，BIM的應用提及頻率也越來越高。尤其是在建筑設計、建筑設備設計等專業應用較廣泛，以上海中心大廈這一典型項目為例，該項目充分利用BIM技術實現各專業的協同，大大提高了核心競爭力。但對于絕大多數建筑而言，BIM技術在結構設計方面的應用相比于其他專業較少，各設計院還停留在BIM翻模階段，結構BIM模型和力學計算分析一直是整個信息鏈接中脫節的一環，實現建筑、結構、設備、機電等各專業協同仍有許多路要走。

2? 傳統結構分析與BIM結構設計區別

傳統的結構設計方法是在盈建科、PKPM、ETABS等結構分析軟件中單獨進行結構建模，這樣的結構模型是封閉且孤立的，且不能與其它專業的設計進行有效溝通。這樣其他專業的設計師如果需要調取它的結構設計信息是比較困難的，而基于Revit軟件能創建一個共享平臺，實現信息資源的共享。

基于BIM的結構設計方法是：①首先由結構工程師與建筑工程師共同商討確定結構形式，利用Revit創建三維物理模型;②結構工程師在進行結構設計時，可根據建筑師前期建立的三維物理模型基礎上進行結構構件的布置，以建筑物理模型為參照布置梁、板、柱。這樣可大大縮短結構工程師建模時間，避免重復建模，提高工作效率;③結構模型創建好后導入相應的結構分析軟件進行分析計算;④最后將分析后的模型導回至Revit軟件中，再對其進行修改。這樣，結構信息便保存在了Revit模型中，各專業工程師可隨時查看相應的結構分析信息，實現各專業的協同設計。其流程圖如圖1所示。

3? 基于BIM技術的結構設計研究

3.1 軟件選擇

3.1.1 Revit Structure

Revit 是Autodesk公司開發的一套系列軟件的名稱。它包含Revit Structure、Revit MEP和Revit Architecture。其中Revit Structure是專為結構工程公司定制的，具有結構設計與分析功能。它將多材質的物理模型與獨立、可編輯的分析模型進行集成，可以實現高效的結構分析，可以與常用的結構分析軟件進行對接。例如美國CSI公司開發的Etabs軟件、Midas、我國的PKPM、盈建科軟件等。

3.1.2 盈建科軟件（YJK）

盈建科建筑結構設計軟件是一套全新的集成化建筑結構設計軟件，它包含結構建模、上部結構計算、基礎設計、砌體結構設計、施工圖設計和接口軟件六大方面。結構分析方面，盈建科與PKPM中的SATWE都采用三維的桿單元計算梁、柱，采用殼單元進行墻、板的計算，從這兩點來看，兩者分析結果基本相同，但盈建科采用比PKPM更先進的有限元分析技術，且接口較多，尤其是盈建科開發的YJK與Revit的數據轉換接口，實現了模型在兩個軟件間的數據雙向互通。因此，本文將結合盈建科軟件與Revit軟件對某多層框架結構辦公樓進行結構分析。

3.1.3 PKPM軟件

PKPM軟件是中國建筑科學研究院所研發的工程管理軟件，目前是我國建筑設計院、結構設計院最常使用的軟件，市場占有率高，有廣大的用戶群體。它緊跟行業規范，及時滿足我國建筑行業快速發展的需要。PKPM包含SATWE模塊，此模塊是基于殼元理論的三維組合結構有限元分析，可用于高層和多層鋼筋混凝土框架、框架—剪力墻、剪力墻結構及復雜結構的結構計算分析，完成建筑結構在恒、活荷載、地震力等作用下的內力計算與分析，對鋼筋混凝土結構還可進行配筋計算。但PKPM也有其缺點，相對與盈建科而言，其系統較封閉、接口較少。本文將用PKPM軟件進行傳統結構分析，并與基于BIM技術的結構設計分析數據進行對比分析。

3.2工程概況

本工程名稱為鋼筋混凝土辦公樓，結構形式為框架結構，地上共6層，結構高度為21m。首層層高為5m，二層層高為4m，三層至六層層高均為3m。建筑設計使用年限為50年，結構設計安全等級為二級，抗震設防類別標準設防（丙類）。抗震設防烈度為8度（0.2g），場地類別為Ⅲ類。主要構件尺寸及混凝土強度等級如表1所示，板厚度為120mm。

首層平面圖及標準層平面圖如圖2，圖3所示。

建立該工程的三維結構模型如圖4所示，三維結構分析模型如圖5所示。

3.3 BIM模型導入盈建科結構分析

3.3.1 各振型振動周期

將Revit建立的結構信息模型導入至盈建科軟件進行結構分析，計算考慮了3個周期，得到各振型周期計算結果如表2所示。

3.3.2 地震作用下的層間位移角分析數據如表3所示。

3.3.3 地震作用規定水平力的樓層位移比如表4所示。

4? 基于PKPM結構分析計算結果對比

為了與基于BIM的盈建科結構分析結果進行對比，本文將采用PKPM軟件進行單獨建模，其建模及分析步驟如下：首先建立結構整體模型，包括軸網的建立、樓層的定義、荷載的輸入、設計參數的輸入、樓層組裝等;其次進行整體結構分析，包括結構內力計算，配筋計算，分析結果圖形和文本顯示等。

通過PKPM結構設計軟件計算該框架結構三個振型振動周期分別0.6724s、0.5441s、0.4956s。通過PKPM結構設計軟件計算所得層間位移角及樓層位移比，其結果如表5、表6所示。

以各振型周期、X方向層間位移角、Y+方向層間位移比為例，將基于BIM的盈建科結構分析數據與PKPM結構分析數據進行對比，如圖6、圖7、圖8所示。

5? 結論與展望

從上述對比結果可以看出，該框架結構運用BIM技術進行結構分析與傳統結構分析計算的結果基本一致，確保了結構的可靠性。證明了運用BIM技術進行結構設計是可行的，為工程設計實踐提供依據。但本文篇幅有限，僅對簡單框架結構進行BIM結構設計，而對其它結構如剪力墻結構、框剪結構、筒體結構等以及異形結構沒有進行深入分析，還有待進一步驗證。

隨著BIM技術的逐漸推廣，BIM應用領域不斷擴大，BIM技術在結構領域必將得到更廣泛的應用。

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