關于BIM建筑結構設計過程的研究與實現

舒 鵬

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司， 湖北 武漢 430056）

1 建筑結構設計效率低的主要原因

目前的建筑結構設計中，通常采用結構模型數據來描述結構構件的數據參數，這也是建筑結構設計的基礎，而所有設計工作的開展都需要依靠結構模型數據。建筑結構設計的過程，從實際出發，包括方案設計階段、結構計算階段、施工圖制作階段和碰撞檢驗階段，每一階段都需要四套結構數據模型來支持，這四套模型往往具有一定的獨立性，這也是建筑結構設計效率低下的主要原因[1]。

2 BIM建筑結構設計過程分析

隨著 BIM技術的應用，參與 BIM的人員的專業分工也發生了變化。整個設計單位要有專門的 BIM技術管理部門，其他專業人員要各司其職，共同完成建筑結構的協同設計。就目前 BIM的應用情況而言，專業協同的效率較低，而計算機技術的發展又不能滿足協同設計的基本要求，無法全面實現BIM技術的全面應用。在當前階段下，應從現有技術條件出發，實現建筑結構設計的信息集成，徹底解決設計中依賴 CAD手工繪圖的問題，在充分利用 BIM技術的基礎上，更全面地運用計算機技術，把 BIM技術應用于建筑結構的設計過程中[2]。

當前階段之下，想要將 BIM技術應用于建筑結構的設計過程中。應先建立建筑物的結構模型，再對建筑物的結構參數進行計算，從而確定建筑物的結構設計方案，再生成相應的模板圖，在模板圖生成后，對修改過的建筑物模型進行自動的更新和計算，從而實現施工圖自動生成，并將建筑物的結構模型發送到 Revit軟件進行碰撞檢測。這樣既能滿足當前建筑結構設計的基本要求，又能使 BIM結構設計流程得到全面實施。

3 AutoCAD自動成圖技術

從以往建筑結構設計中產生低效的原因分析， AutoCAD的自動成圖功能是目前提高結構設計效率的關鍵，通過 AutoCAD自動成圖技術，可以減少在建筑結構設計中所需的人力、物力，提高設計效率，實現 BIM技術的全面應用。目前，許多設計者仍采用 AutoCAD手繪圖紙的形式進行圖紙繪制，而要實現 AutoCAD的自動成圖，則需要通過設計軟件的快速成圖技術，加入聯機修改功能，從而使 AutoCAD自動成圖技術能夠滿足施工設計的基本要求。借助 BIM技術，高層建筑結構計算完成后，可以在 AutoCAD系統下實現十幾組標準圖層模板和配筋圖的生成。為了使這些圖形的標準與使用要求相一致，需要從以下方面完善自動成圖技術[3]。

3.1 建立描述墻柱梁板的通用結構模型

應用 AutoCAD自動成圖技術，要實現快速自動成圖，就必須建立相應的墻柱梁板通用結構模型，有效地解決混凝土結構施工構件的數學描述問題，從而提高建筑結構設計效率。我國自 1993年就開始著手建立相應的數學模型，從實際情況來看，目前的數學模型已經能夠在一天之內完成一個廠房的設計，能達到較好的設計效果[4]。

3.2 使規范要求與設計方案進行有機結合

應用自動成圖技術時，其設計成果既要能滿足我國現行相關標準和規范的要求，又要能體現設計的智能化和個性化，從而使設計者的繪圖過程完全模仿。它還要求相應的技術人員能將多名工程師的繪圖思路和操作流程進行集成，并輸入到專業的繪圖系統中，從而使繪圖結果更能符合建筑結構設計的具體要求。

3.3 設計習慣要具有選擇性

因為不同的設計者有不同的設計習慣，所以在 AutoCAD的自動成圖技術中，施工圖的表示應根據不同的設計習慣而定，在數學模型的建立和描述上要更加完善和開放，能滿足不同設計院的基本需要。

3.4 符合手工制圖的習慣

AutoCAD的自動成圖技術基礎在于手工成圖，而自動成圖技術的目標是獲得相應的施工圖，從而減少手工繪圖中存在的諸多問題，提高成圖的效率和質量，因此，應使手工成圖和自動成圖結果保持一致，否則，涉及人員的基本需求將難以滿足。AutoCAD自動化制圖技術中，包含了兩個不同的技術路線，一個是基本圖元繪圖，另一個是自定義實體繪圖，兩個繪圖技術路線應滿足施工對技術性和靈活性的要求，使之符合設計者手工制圖的習慣。

3.5 一次性生成所有的構件圖樣

一次生成所有組件圖樣是保證 AutoCAD自動化成圖技術效率的關鍵，在相應的 Dwg文件下，要包括所有標準的組件模板的組件圖形，同時組件圖樣必須符合設計規范和要求，以使設計過程更簡單、更方便，同時還能降低出現設計錯誤和問題的機會。

3.6 智能化的字符標記

利用自動成圖技術，在 AutoCAD中，每個圖元的位置和大小都能被標注出來，并考慮到它們之間存在的聯系，使每個圖元素能智能的移動到不重疊的位置，從而使圖元更直觀、更清晰，可以直接應用于設計方案中。

4 建筑結構設計的聯動修改

應用 BIM技術后，建筑結構設計需要能夠協同設計，對模型中的內容進行修改后，模型中的其他內容也會隨之修改，這也要求成圖技術中引入聯動修改機制，以提高修改效率。舉例來說，當兩個邊緣構件合并時，能夠合并構件的編號，并將相應的信息、參數和數據傳遞給兩個邊緣構件，這樣可以使邊緣構件合并過程更快，同時減少產生多種錯誤的可能性，提高建筑結構的設計質量。并且在 BIM下的 GSPLOT軟件中，與之相對應的部件數據信息和人工編輯命令就有 50多個，全部包含了聯機修改功能，可以使圖形修改的效率得到全面提高。

5 Revit轉換接口

目前的建筑結構設計中， BIM技術通常是通過 Revit軟件實現的。但直接在建筑結構模型中建立結構模型往往需要耗費大量的人力、物力，因此，在常用的建筑結構設計軟件中，可以通過三維分析模塊，快速地將模型轉換為 Revit軟件，將其歸納總結，使建筑結構模型的建模效率得到全面提高。一般而言，在建筑結構設計中，比較常用的構件類型都有相應的 Revit柱類型，這些界面類型都可以自動生成到軟件中，通過轉換接口的應用，還可以使建筑結構的效率得到有效地提高，模型構件的精確度更高，誤差和缺陷的問題更少，是目前比較有效的應用 BIM技術的方式。

6 在建筑結構設計中運用BIM技術

6.1 運用BIM進行建筑結構建模

傳統的 CAD建模方法，在建筑工程設計過程中，只能對建筑物進行簡單的二維造型，在需要三維造型的階段，設計者往往是用泡沫、紙殼等實體材料進行造型，而且后續的結構修改、參數修改都要以此為基礎，因此，有工作量大，設計工作復雜的問題。同時，當 BIM技術被引入到建筑設計領域之后，突破了傳統建模方法的限制，可以將建筑作為一個三維實體模型，并展示出所設計建筑的所有結構的真實信息，也能有效地突出各部分結構與整體結構之間的關系[5]。

將 BIM技術應用于建筑結構設計過程中，不僅能實現建筑結構的可視化，而且能快速有效地發現所展示的設計模型中的缺陷。以我國西部某中心體育場為例，體育城外形結構設計中，采用了花瓣狀的設計思想，體現了典雅、高端的大氣，但由于體育場主體花瓣狀結構非常復雜，傳統的 CAD建模和實體材料建模，難度很大，且與結構、數據有關的修正也比較復雜。將基于 BIM技術的軟件引入 CCDI設計工作中，對體育場工程主體部分進行了三維建模，同時將專業結構所建模型與主體結構模型相融合，有效地對結構進行構造、數據修正，成功地消除結構中的各種隱患，避免設計返工現象。

設計人員往往只有設計專業的相關知識，沒有現場施工的經驗，因而會出現在設計階段忽視施工的具體難易程度，導致設計方案的施工難度很大，而且建設方無法按圖紙要求完成施工。對此，利用 BIM技術可以直觀地展示設計方案的優點，讓建設方也參與到設計工作中來，這樣，在體育場的設計過程中就能充分考慮到實際施工的難度，有效地提高設計方案的可實施性。

6.2 運用BIM進行鋼結構建模

鋼結構設計是建筑模型設計中最復雜的工作之一，在加強件布置及連接鋼結構設計中，涉及到多個相關專業，同時工作量也很大，設計者在設計時很容易出現錯誤問題。對于這一問題，可以采用 BIM技術對鋼結構中的梁高進行計算，并專門設計出連接件。

對于鋼結構連接件， BIM技術能夠以鋼結構相關參數為基礎，有效地處理連接件，并通過參數數據有效地控制連接件的間距和數量，在此過程中，只需由設計人員對相關參數進行相應的調整，就可以設計出新的連接件。同時，為了保證鋼結構設計、施工過程的準確性，設計者可以采用 BIM技術繪制強化件樣圖，以判斷強化件在工程中的具體位置。

6.3 運用BIM進行建筑結構性能分析

跨專業交叉應用，是當代建筑設計領域中大多數建筑設計師采用的主要設計原則，所謂跨專業交叉應用，就是在建筑設計過程中，將建筑中的一個結構設計所牽扯到的專業進行集中，通過建立建筑的虛擬模型，使整個建筑中的個體形成相互支持的關系。采用 BIM技術對建筑結構性能進行高效、科學的分析，其分析過程相對于傳統的性能分析更為方便、準確，只需將已建立好的 BIM模型數據導入到性能分析軟件，再用相關軟件對模型數據進行分析、處理，即可確定該建筑模型設計的牢固性、舒適性、穩定性是否符合設計規劃標準，同時對設計結構中出現的問題進行快速解決，使建筑結構設計得到良好的優化，從而提高建筑設計的質量。

7 結束語

總而言之，伴隨著國內科技水平的持續提高，也進一步推動了建筑工程領域的全面發展，尤其是隨著人民生活水平的不斷提高，對建筑工程質量也提出了更高的要求。因此，相關規劃工作者必須進一步加強 BIM技術在建筑結構規劃中的應用，以進一步提升建筑結構的規劃品質，全面推動國內建筑工程領域的良性發展。

BIM技術在建筑工程行業的全面應用，為建筑結構設計領域引發了一場全面的技術變革，在BIM技術的應用之下，建筑結構設計也擺脫了過去二維的制圖形勢，走入了三維設計的全新時代。然而我國BIM技術的研究起步較晚，計算機技術也無法滿足BIM技術全面應用的具體需求，這也就要求了相應的人員能夠對設計的過程進行全面的優化，從而使BIM結構設計流程更具有操作性和便捷性，提升BIM技術的應用效力。從當前來看，AutoCAD自動成圖技術和Revit轉換接口技術比較符合BIM技術應用的基本要求，而本文也對這兩種技術進行了深入的論述，希望能對BIM技術的全面推廣起到一定的積極作用。