基于BIM的建筑結構正向設計

叢開良

上海市建工設計研究總院有限公司 上海 200235

建筑信息模型（building information model，BIM）技術作為一種可應用于工程全生命周期的數字信息平臺，在項目策劃、設計、實施至運維的全過程中，均發揮著重要的作用。尤其是在設計階段中，可以通過定義模型構件參數及屬性，實現信息的實時同步與精準反映。在面對各種大量復雜工程的信息時，BIM能夠幫助設計人員更為直觀和準確地處理信息，在提高工作效率、合理縮短工期并優化成本控制等方面發揮著其應有的作用。

1 基于BIM的正向設計

目前，BIM技術的主要應用是針對設計階段后期和施工過程的核對，按既有圖紙將二維數據轉換為BIM三維模型來排除圖紙錯誤，檢查碰撞、沖突等問題，即在設計與施工之間增加二次排查，也就是BIM技術的反向應用。但當工程復雜性高時，上述反向應用反而會造成人力、資源等成本投入成倍增加，多專業的反復修改會導致設計周期延長，從而降低了工作效率。

BIM技術的反向應用對BIM技術的附加值使用較低，無法最大程度推動設計行業的飛躍，因此基于BIM的正向設計[1]概念應運而生。

1.1 正向設計

基于BIM的正向設計是以BIM模型為設計基礎，由多專業在同一信息模型平臺上完成項目全過程的三維設計。模型完成后，生成對應的綜合和專業施工圖紙，即 先有模型，后有施工圖 。通過BIM模型數據，可以從中提取多種目標信息，通過計算機的同源信息直接讀取，避免了不同專業的信息誤差、人為主觀等因素帶來的復合信息差異的影響，大大提升了項目的工作效率、設計精度和質量。基于BIM的正向設計，通過建立BIM模型實現多專業協同設計、信息協調、施工圖出圖、施工深化及后期運維管理，提早發現設計缺陷，實現同步提升模型與設計圖紙，統一BIM模型與二維圖紙設計，提高了設計效率及圖紙質量，降低了施工難度并節約了成本。

1.2 工程案例

本文以上海市黃浦江灘地地帶某會議中心工程為例，工程地上為3層鋼框架結構，地下為3層地下室，工程設計為BIM正向設計，采用地上地下同步逆序施工。

2 基于BIM的設計的優勢

2.1 三維立體設計

建筑結構設計目前通常通過PKPM、YJK等專業軟件計算后，采用CAD等二維軟件進行繪圖，在設計過程中,傳統平面、立面和剖面圖紙不能完整表達主體建筑信息。而BIM技術可以將建筑結構設計信息通過三維模型構建出相應的實體模型，更加直觀、清晰地對構件信息進行全面設計模擬和同步設計，完整地反映整體設計信息。

首先，通過BIM設計，在BIM模型中，三維可視化展示能夠將建筑結構關系、建筑結構與水暖電等的關系直觀準確地反映出來，結合相關設計工況更好地模擬實施過程，能夠對設計方案中可能發生的碰撞、沖突等問題提前做好預案，從而提高設計效率和質量。案例工程中，通過BIM設計提前對結構構件較大處的復雜水暖電管線情況，采用結構預留套管、梁上開洞等手段進行處理，從而有效地解決了室內使用空間凈高不足的問題。

其次，利用BIM技術模擬建筑設計中關鍵的、重點的環節，必要時可以模擬整個施工過程。根據模擬具體施工工況，設計師能夠規避潛在問題，進而合理地調整設計方案。

2.2 多專業多角度協同設計

BIM設計可以實現在設計建筑結構的同時，通過檢查室內外觀感效果、室內空間凈高檢測、水暖電管線總體排布等關鍵環節，實現多專業的完美協調和互相配合，并通過模型數據精準反映出建筑設計中存在的不合理問題，有效縮短自查、會審等時間，有針對性地制定解決方案，減少額外工作成本。

案例工程的地下主體結構完成后，因后續要求增加水暖電管線而導致局部實際室內凈高不滿足裝飾要求。最初，梁柱節點處設計采用環梁錨固鋼筋，環梁占用空間較大，新增線路無法通過，因此，設計時將環梁改為環板錨固鋼筋，使問題得到解決。

2.3 實現項目信息集成化，構建智慧建筑

BIM設計實質是構建出一個虛擬數據信息模型，可以實現各階段的信息集成，進一步推動智慧建筑建設。通過智慧建筑的概念，BIM技術、建筑技術與現代高新技術結合，形成以計算機技術、通信技術、自動控制技術和多媒體技術等系統工程為基礎的建筑運營BIM全生命周期智能化平臺。

綜合BIM技術的要求，建設符合運維的兼顧建筑功能與現代信息技術的現代智能化建筑群落，BIM能夠很好地推動城市智慧建筑的構建，未來智慧建筑的建設必將結合BIM等現代建筑技術。案例工程中集成了計算機技術、無線通信技術、智能控制技術、生物識別技術、多媒體顯示技術等多項技術系統，通過管理內部設施、建筑環境和信息，應用BIM進行正向設計、實施管控等，為后期運維提供必要保障。

3 基于BIM的建筑結構設計

3.1 建筑結構設計中的優化

BIM技術能夠直觀高效地模擬建筑結構和其他專業的實體，優化較復雜的工程建筑結構方案。在復雜的建筑工程設計中，BIM技術以動態的形式將整體建筑結構等表現出來，更直接地對建筑結構尺寸、空間、顏色等參數進行對比，及時發現建筑結構設計中存在的質量問題，確定更加完善的方案，從而采取有效的優化措施。案例工程中表現為：建筑模型對結構板面標高、預留洞口等的優化統一，以及結構構件尺寸、建筑墻體位置和門窗洞口位置的優化。

同樣，在設計過程中可以利用BIM平臺技術模擬施工過程中的內容方法和應用措施，并基于水暖電綜合模型，按照使用功能對建筑結構進行反優化，及時發現設計中不合理的情況，并修改設計方案，避免返工，提升建筑結構設計的質量、效率。

3.2 BIM在施工圖設計階段的應用

眾所周知，施工圖質量在一定程度上決定了施工質量，對工程建設的開展和工程品質的保證都很重要。在施工圖設計階段，BIM本身族庫構件的數量、外觀效果與實際工程存在差異，在項目施工圖深度模型的搭建過程中，需對出圖族進行二次深化加工（或者新建族），主要包括出圖視圖樣板的建立、標注標記及顯示的設置等，在保證圖模一致的前提下，滿足出圖深度要求，過程中要注意以下幾個方面：

1）建立項目BIM標準。首先，項目準備階段需制定符合相關國家和行業標準的實施規則，明確項目的全部工作內容，根據項目實施的時間節點，制定項目各階段進度計劃安排。其次，在項目開展時，逐步深化項目的工作模式和后續交付、審查、使用標準，制定BIM實施標準。此外，根據專業劃分的模型文件、圖紙文件命名規則應規范合理、簡潔通用，模型構件的名稱應基本與現行規范的對象名稱統一，名稱關鍵詞簡潔適用。

2）軟件平臺兼容要求。各專業確定統一的BIM軟件和版本。案例工程中：全專業模型軟件主要采用Revit軟件2016版，所有模型以此作為統一的軟件平臺；采用結構專業YJK軟件計算結構，模型可轉換為Revit格式，導入總體模型中進行綜合；采用Fuzor軟件輸出輕量化三維模型，用于會議討論、展示匯報等；采用Navisworks軟件檢測碰撞并匯總到專業問題報告中；應用Lumion軟件制作效果展示輸出文件，以達到比Revit軟件渲染效果更亮麗鮮活的目標。

3）BIM用戶的協同模式。BIM內部的配合采用鏈接與中心文件結合的方式：土建與設備專業間采用鏈接的協同模式，減少因多專業配合帶來的人為操作失誤；建筑與結構、設備內部專業采用中心文件協同模式，保證平行專業間信息傳遞的完整性和可調整性。此外，BIM模型構件應按不同專業、不同系統進行總體拆分，涵蓋建筑、結構、水暖電等專業的BIM建模最小單元，完成BIM模型分解后的最小模型，案例工程采用專業、自然樓號、自然樓層來劃分。

4）在施工、運維階段的延伸。一方面，BIM技術通過施工模擬的動態模型，能夠實時反映施工進度，通過對人工安排、材料消耗、機械配備和施工方法的實際情況與計劃進行對比，及時將相關信息反饋給設計人員和管理人員，以便及時對相關內容進行調整；另一方面，BIM技術的應用能夠對后續全程進行跟蹤管理，對全部環節進行控制和管理。

4 BIM設計推廣的難點

基于BIM的正向設計是設計行業未來的發展趨勢和必然要求，但是在其發展推廣的道路上存在尚未解決的問題，需要政府、行業和設計人員共同努力去解決。

4.1 結構計算功能劣勢

目前，雖然Revit軟件平臺可以完美對接結構計算軟件YJK，但仍無法實現基于Revit平臺本身的直接結構計算功能，因此，Revit軟件無法直接進行構件各種工況下力學性能的分析，只能在結構計算軟件（如YJK、PKPM和Sap2000等）中進行結構分析，再轉換為Revit格式導入平臺中。這在一定程度上限制了全專業BIM協同的發展。

4.2 專業設計人員缺口

由于BIM軟件本身比較復雜，在設計過程中，專業人員需具備全面且系統的BIM專業知識以及全專業設計知識和技能。對從業人員培養的要求相對較高，且需要大量實踐和培訓，因此符合要求的專業設計人員相對缺乏，在一定程度上限制了BIM的推廣。

4.3 設計標準不統一

Revit軟件在出圖方面略有缺陷，在建筑專業大樣圖、剖面圖出圖過程中需要進行完善。如文字說明、標志和線形顯示等。目前Revit軟件尚不具備通用標準。

5 結語

隨著計算機的飛速發展、BIM技術帶來的革新、建筑行業的迅速發展和創新，基于BIM的設計也得到越來越多的重視，同時，政府推廣力度持續加強、高校人才培養逐年增多、設計相關企業推動BIM團隊組建等，一定能夠推動設計行業的革命。