建筑結構設計中BIM技術的應用研究

白 冰 山西省煤炭規劃設計院（集團）有限公司

1 前言

結構設計是建筑工程的初始工作，更是影響工程質量、成本、安全性等最主要的因素，因此應對這項工作引起重視，并思考如何才能對結構設計進行實時有效控制。BIM 技術是一項能夠通過可視化手段綜合反映建筑信息的建筑技術，將這項技術與建筑結構設計充分結合，利用BIM構建建筑模型，然后在模型上逐漸調整設計細節，由此就可使建筑結構設計逐漸完善，保證后續施工的順利進行。

2 BIM技術概述

2.1 含義

BIM 的中文名稱是建筑信息模型，英文全稱為Building Information Model，BIM的含義體現在兩個方面，分別為工具和過程。就工具而言，我們可以將BIM模型看成一件工具，是相關技術人員結合建筑工程各項數據所制作的三位模型，模型上詳細記錄著工程數據，可為工程管理提供有效指導，因此可以將其看成輔助性產品。就過程而言，BIM模型從開始的建立到最后投入使用有著一整套的詳細流程，使用過程中還能分享信息，從而可作為一個大型建筑資源數據庫使用[1]。多數人對BIM的理解都存在偏差，認為BIM只是建筑的3D模型，其實這只是BIM的一方面，BIM不僅具備3D模型的一切功能，同時也能夠操作、儲存和共享信息，它是建立在計算機基礎上的新型建筑理念，不僅功能強大，而且資源極為豐富，可創新傳統建筑施工設計，促進生產效率的不斷提升。BIM分別由產品模型、決策模型、過程模型等共同組成，三者是BIM的基礎，保障著BIM各項功能的發揮。

2.2 功能

BIM的概念一經提出就獲得了廣泛認可，且建筑領域針對BIM 做了大量研究，對其功能做了如下總結。第一，BIM 具有可視化特征，這一特征是BIM最為明顯的，其可在建立模型之后將建筑工程各項細節直觀呈現在人們面前，而且可體現在工程的全部環節，可讓人們通過模型直觀感受工程的變化。第二，BIM具有協調功能，BIM可以協調建筑工程的各項信息，促進信息在內部的順暢流通，這樣就不會出現信息不對稱的問題，進而令各部門能夠默契配合，使工程進行中的各種問題都能夠得到迅速解決，進而達到提升施工效率的目的。第三，BIM可模擬性。在工程進行期間，可使用BIM對有可能存在的問題進行模擬，或者模擬工程在結束后可能出現的問題，從而在設計和建設階段加以控制，這樣便可保證工程質量。第四，BIM可優化設計。建筑工程的復雜性比較高，如果存在還沒有完善的內容可能難以被及時發現，而通過BIM 模型可使不完善的部分直觀呈現，然后可通過操作模型進行優化。第五，可利用BIM模型詳細描繪工程管線圖，然后改進管線布置方案，以此促進建筑功能的完善。第六，利用BIM 可對工程實施一體化管理，從設計到運營都可參考BIM模型，極大提升了管理成效。第七，平衡參數。制作BIM 模型過程中如果出現了參數誤差，整個模型就會隨之改變，因此結合模型的變化即可有效控制誤差。第八，BIM 具有完整的信息，且工程邏輯關系和拓撲關系十分完善，能夠顯著提升工程描述的完整性。

3 BIM技術在建筑結構設計中的應用

3.1 應用要點與難點

應用BIM 技術開展建筑結構設計，需要明確的要點和難點共有以下幾個方面：第一，應用BIM技術不能完全拋棄2D設計習慣，并要保證連貫設計，明確每個環節數據的呈現形式。第二，相關人員應熟悉BIM模型的應用方式，保證將3D模型的作用充分發揮出來，必要時可參考2D效果圖。第三，保證BIM模型數據和數據庫之間的連接。

3.2 碰撞檢查

通常在正式開始建筑施工之前都需要結合圖紙進行碰撞檢查，避免不同施工內容發生沖突，導致工程難以順利進行[2]。因此，應將碰撞檢查體現在BIM模型中，然后利用三維模型開展碰撞檢查，達到減少施工問題和降低錯誤率的目的。

3.3 轉換BIM模型

這一點主要針對的是結構模型和結構分析模型，以某工程為例，在實際應用過程中設計人員通過以下方式開展了相應工作。第一，向計算機中導入建筑模型，這一步使用的軟件為Revit，導入之后對建筑模型的有效性進行分析。第二，完成分析工作且確定模型有效后，在Revit 軟件中導入建筑結構的分析模型，建筑結構模型的構建工作就可以基本結束（見圖1）。但有一點需要注意，為避免丟失數據而影響模型的后續分析和使用，在BIM模型轉換過程中要合理更改重要數據，同時視圖比例應以1：1 進行控制，避免出現過大的圖片輪廓線，隨后再詳細分析有可能會出現的問題，以保證后續工作可以順利進行。

圖1 Revit轉換模型

3.4 預埋件設計

建筑施工必然會涉及各種類型的預埋件，而且預埋件的數量還比較多，因此一定要在設計階段做好預埋件的布置工作。但由于預埋件的布置較為復雜，對設計工作提出了很高要求，為了保證后期施工質量，可以利用BIM 模型布置預埋件，先在模型上明確各種預埋件位置、數量等。比如，科學選擇和布置吊鉤形預埋件、確定預埋件的位置等，設計過程中應提前了解預埋件布置要求，然后將布置要求也體現在BIM 模型中。另外，應著重強調梁板、墻體等部位的預埋件，避免在施工過程中出現預埋件和梁板等施工發生沖突的情況。以圖2 為例，該圖是利用BIM 模型設計的預埋件，在模型上科學規劃了預埋件洞口，保證了后期預埋件施工的順利開展。

圖2 BIM預埋件布置

3.5 鋼筋設計

在建筑結構設計中雖然已經普遍運用了BIM 技術，但鋼筋設計一直是弱項，大多數軟件都無法和鋼筋設計充分融合。對此，筆者結合某酒店建筑對此做了簡要分析。該酒店高達150m，建筑面積為4萬平方米，設計過程中使用的鋼筋軟件為Proconcrete，BIM軟件為Revit，從鋼筋規格選擇、配筋等入手構建了鋼筋設計的BIM模型，如圖3所示。設計過程中首先全面分析工程信息，同時構建整體的鋼筋設計模型，最后將模型相應位置和具體數據與工藝進行關聯，然后再優化改進不符合要求的部分，最后完成BIM的鋼筋設計[3]。

圖3 BIM鋼筋設計

3.6 框架設計

在BIM 模型中對框架尺寸進行確定，為保證框架結構的抗側剛度，使框架在地震影響下不至于損毀，不應選擇過強的框架梁，因此將鋼筋混凝土框架柱控制在6m到8m之間即可。如果對空間的要求比較高，可以模型中采用大柱網的設計形式，但要注意，選擇這種形式必須明確標注梁柱截面尺寸。如果是飯店、醫院等小空間、多墻面型的建筑結構設計，可以在模型中選選擇小柱網梁截面。

設計過程中應在模型中體現出框架梁中心線和柱中心線的重合，如果二者不能重合,應測試柱子偏心是否會受到梁荷載的影響[4]。為了梁軸線和柱軸線的偏心距能夠得到合理控制，同時又能很好地承托墻，可在這部分設計中標明處理方法，比如可使用挑板承托的方式。實際偏心距應以柱截面為基礎進行控制，具體應控制在柱截面的1/4.如果抗震要求高，同時偏心距無法控制在1/4，就應在模型中明確處理辦法，比如通過增設梁水平加腋等，但同樣要測試梁荷載對柱子偏心的影響情況。

總之，設計過程中，應在BIM 模型中明確框架形式，比如橫向承重、縱向承重、雙向承重等，另外由于地震和風對框架的影響大多都是側方向作用力，因此還要對框架的抗側力結構加以明確。關于柱網尺寸的設置，在框架高度方向和各層平面應保持一致，同時避免偏心過大。

4 結束語

綜上所述，建筑結構設計是一項極為重要的工作，對后續施工質量有很大影響，而使用BIM技術開展建筑結構設計，可保證設計工作的穩步進行，為后續施工提供有效參考。本文首先對BIM 技術作了簡單闡述，隨后分析了BIM 技術在預埋件、鋼筋、框架等方面的應用，以期為相關人員提供一些有價值的參考，進而為建筑行業的進一步發展提供動力。