基于BIM技術的結構施工圖設計應用

劉 俊 王子俊 林紫茹 胡 笳 王 磊

(1.上海理工大學 土木系，上海 200093； 2.北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045； 3.中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044)

1 BIM技術應用現(xiàn)狀

三維技術在石化、電力、機械等行業(yè)較為成熟的應用是到施工圖階段。在石化、電力行業(yè)，三維技術主要解決的是管線眾多導致的碰撞問題，同時達到建設材料零庫存，有效精確控制投資規(guī)模。在機械行業(yè)，三維技術實現(xiàn)了設計與數(shù)控機床無縫銜接，達到設計和生產(chǎn)一體化[1-2]。BIM的定義由三部分組成，BIM是一個建設項目物理和功能特性的數(shù)字表達； BIM是一個共享的知識資源，是一個分享有關這個設施的信息、為該設施從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程； 在項目的不同階段，不同利益相關方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責的協(xié)同作業(yè)[3-5]。目前建筑和機電專業(yè)能使用BIM工具軟件較好地完成施工圖設計[6]。

但結構專業(yè)由于需要計算分析模型，同時結構施工圖是通過“平法”表示，而目前BIM工具軟件不具備該功能，因此處理好計算模型和“平法”表示，是實現(xiàn)基于BIM技術做結構施工圖的前提[7]。在建筑工程BIM模型自動轉(zhuǎn)換方面，已有學者進行了相關研究，實現(xiàn)了基于IFC標準模型自動生成ETABS、SPA和MIDAS等結構計算模型的功能[8-9]。

2 基于Revit平臺的三維協(xié)同設計

2.1 Revit平臺的協(xié)同設計應用

Revit是Autodesk公司一套系列軟件的名稱。Revit系列軟件是為建筑信息模型(BIM)構建的，可幫助建筑設計師設計、建造和維護質(zhì)量更好、能效更高的建筑。Revit是我國建筑業(yè)BIM體系中使用最廣泛的軟件之一。在Revit模型中，所有的圖紙、二維視圖和三維視圖以及明細表都是同一個基本建筑模型數(shù)據(jù)庫的信息表現(xiàn)形式。在圖紙視圖和明細表視圖中操作時，Revit軟件將收集有關建筑項目的信息，并在項目的其他所有表現(xiàn)形式中協(xié)調(diào)該信息，即二維圖形和三維圖形聯(lián)動[10]。

在Revit中進行多專業(yè)協(xié)同設計時，可以利用軟件提供的一系列協(xié)同機制實現(xiàn)在同一平臺上的共同工作，各專業(yè)的最新工作成果可以直接反應在集成后的模型中，共享給其他專業(yè)參考。與二維工作模式相比，協(xié)同工作簡化了繁瑣的對圖環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了各專業(yè)工作的實時同步，從而即時暴露并解決問題，減少設計中的錯漏碰缺[11]。因此，工作實時同步是三維協(xié)同設計較常規(guī)二維設計的最大優(yōu)勢。

2.2 結構專業(yè)協(xié)同設計流程

參照建筑的Revit模型，建立結構的Revit模型。對于復雜結構，相比以平面圖為基礎建模，可以直觀的掌握具體空間關系，防止結構布置的不合理； 所建模型可以轉(zhuǎn)換成計算分析模型，與傳統(tǒng)結構設計流程相比，未增加建模工作量的同時，提高了模型的準確性。同時為建筑和機電的設計提供了可參照的結構模型，提高了各專業(yè)協(xié)同設計的效率。

與常規(guī)設計流程相比，結構專業(yè)在進行三維協(xié)同設計時，主要需要處理以下三方面的額外工作，一是處理好與建筑專業(yè)的交界面，例如需要與建筑專業(yè)約定到豎向構件的歸屬，如果屬于結構范圍，那么建筑面層需要單獨建立并附加在墻柱表面。另一方面是處理好與結構計算軟件的同步，目前已經(jīng)有幾款商用結構工具軟件能夠?qū)崿F(xiàn)結構計算軟件與Revit軟件的對接，該部分將在下一章詳細介紹。總體來說，工具軟件能夠簡化一部分結構計算模型與Revit模型之間的重復建模工作，但不能完全消除兩類軟件之間的數(shù)據(jù)鴻溝，因此難以避免需要同時維護結構的三套數(shù)據(jù)表達，即計算分析表達，Revit三維表達和施工圖二維表達。第三方面是在Revit中繪制施工圖，Revit與CAD軟件的底層驅(qū)動模式不同，沒有圖層的概念，主要依賴于族和構件來控制不同類型的視圖表達，較為繁瑣，這部分工作目前也可以依靠工具軟件來簡化工作量，在下節(jié)中敘述。

3 BIM技術在施工圖設計階段的應用研究

3.1 平法

建筑結構施工圖平面整體設計方法，即行業(yè)內(nèi)稱為平法表示法，是我國目前混凝土結構施工圖設計的表示方法。平法的表示形式，概括來講，是把結構構件的尺寸和配筋等，按照平面整體表示方法制圖規(guī)則，整體直接表達在各類構件的結構平面布置圖上，再與標準構造詳圖配合，即構成一套新型完整的結構設計圖。結構施工圖平法的核心是表達鋼筋信息，在平面布置圖上有平面注寫方式、列表注寫方式和截面注寫方式三種。

Revit實現(xiàn)平法表達的過程，是將構件具體的鋼筋信息通過平法符號族進行表達的過程。平法符號族能與構件具體鋼筋信息形成關聯(lián)，實現(xiàn)信息表達聯(lián)動[12]。實現(xiàn)Revit平法表達能讓圖紙表達更為簡潔，降低對電腦性能的要求，同時也與現(xiàn)有設計施工人員的習慣相對接，利于實際應用。

3.2 基于Revit的結構施工圖設計軟件特點比較

YJK建筑結構設計軟件系統(tǒng)是一套全新的集成化建筑結構輔助設計系統(tǒng)，功能包括結構建模、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。結構施工圖設計軟件可進行鋼筋混凝土結構的樓板、梁、柱、剪力墻、樓梯、基礎的結構施工圖輔助設計。它接力其它YJK軟件的建模和計算結果，自動選配鋼筋和進行施工圖設計。軟件按照2011年9月發(fā)布的國家建筑標準設計圖集11G101《混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構造詳圖》自動繪制施工圖紙，鋼筋修改等操作均在平法圖上進行。

REVIT-YJKS產(chǎn)品主要分為結構模型、計算信息、施工圖三個部分的內(nèi)容，實現(xiàn)了Revit和YJK在模型幾何定位、結構計算信息、構件鋼筋信息、施工圖繪制以及三維實體鋼筋的數(shù)據(jù)傳遞和共享。

探索者結構三維施工圖軟件TSPT for Revit是為結構專業(yè)開發(fā)的三維平臺自動生成施工圖軟件。軟件通過讀取計算分析軟件的結果，自動在Revit上生成結構施工圖，并通過關聯(lián)關系，實現(xiàn)了關聯(lián)修改效率的最大化。

廣廈結構BIM正向設計系統(tǒng)GSRevit是基于Revit平臺進行二次開發(fā)的結構計算軟件，可直接針對Revit模型進行荷載輸入、總信息輸入，通過調(diào)用結構計算模塊和施工圖生成模塊完成相關設計計算工作并將結果快速導入Revit平臺[13]。

相對于探索者TSPT需要讀取外部數(shù)據(jù)，Revit-YJK與YJK只需內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定。而且Revit-YJK和YJK為同一平臺產(chǎn)品，對設計人員而言，使用上也更加習慣。廣廈GSRevit雖實現(xiàn)了結構設計施工圖一體化，但針對復雜結構，人工可干預程度較Revit-YJK偏低。因此，在工程案例中模型轉(zhuǎn)換時采用了Revit-YJK。

3.3 基于BIM技術的結構設計流程

隨著BIM技術在結構設計中的不斷應用，依次出現(xiàn)以下三種BIM結構設計方式。

1)在Revit平臺上，基于建筑模型直接建立結構模型，然后通過接口導出結構計算模型。之后分別維護Revit模型和結構計算模型。該方法能夠較高效的得到精確的三維結構模型，并且可與各專業(yè)進行協(xié)同設計，并可直接通過Revit生成結構模板圖，但由于Revit模型和結構計算模型沒有產(chǎn)生關聯(lián)，所以構件配筋信息不能傳遞到Revit平臺，因此在Revit平臺出不了配筋圖。

2)在結構計算平臺上，直接建立結構計算模型，經(jīng)結構計算后，將結構模型和配筋信息導入到Revit平臺中，能夠生成模板圖和施工圖。但由于結構建模時無法如方式一參照建筑模型，所以模型精度較難保證。

3)首先建立Revit建筑模型，然后基于Revit建筑模型用Revit-YJK建立結構模型。將結構模型導入到YJK進行結構設計，并用YJK生成施工圖。再將帶鋼筋參數(shù)的結構模型導入Revit-YJK，并關聯(lián)模型(關聯(lián)后的結構模型可根據(jù)建筑、機電提資進行修改)，最終生成Revit平臺的結構施工圖。

3.4 基于BIM技術結構設計的優(yōu)缺點

目前在進行基于BIM技術的結構設計時，主要采用3.3節(jié)中的第三種方式。但在具體結構模型建立時，又細分為兩種方法。

1)將建筑、結構、機電各專業(yè)模型建立在同一個模型中，相對二維設計建模而言，該方法的優(yōu)點是模型精度極高，和真實建筑幾乎完全一致。但其缺點是在自動生成施工圖時，由于共用一個模型，很難將各專業(yè)構件分別分開出圖。

2)將建筑、結構、機電各專業(yè)模型分開建立，相互參照。該方法的特點是在生成施工圖時，能夠快速便捷的以各專業(yè)成圖習慣生成各專業(yè)施工圖。

兩種方法在模型體量較大時，都會對計算機性能提出較高要求。目前的解決方案是將建筑拆分為若干層，將各個層建立為獨立模型，最終通過參照組合在一起。但該方法的缺點是，如果需要將模型導入計算軟件進行計算分析時，該方法對建立的組合模型是不可行的。

4 工程案例

4.1 工程背景

本項目位于南昌新建區(qū)長堎鎮(zhèn)紅灣公路南側，規(guī)劃一路東側，禮賢北路北側。項目用地面積為39，852m2。擬建項目將包括兩座202m的超高層塔樓以及2層高商業(yè)裙樓，共提供約144 900m2地上建筑面積，主要包括辦公空間、酒店、商業(yè)。地下總建筑面積約6 168m2，典型地下室兩層。地下室為辦公空間、酒店和設備空間。本文針對3A5商業(yè)小樓進行了結構施工圖BIM正向設計。

4.2 設計過程

首先，基于Revit建立了建筑模型(見圖1)，并基于建筑模型建立了Revit結構模型(見圖2)。本文采用的是將各專業(yè)分開建模的方法，方便后續(xù)施工圖生成。對于復雜建筑，該建模方法在多專業(yè)配合時仍需相互參照，較為不便。

圖1 Revit建筑模型

圖2 Revit結構模型

由于本文在Revit中采用的是整體建模方式，因此可將結構模型導入結構計算軟件進行結構計算分析，結構計算模型見圖3。對于大型建筑，該建模方式對電腦的性能要求極高，較難滿足。需注意，目前從Revit平臺導入結構計算平臺的結構模型是不具有標準層概念的，這對于結構計算模型的荷載加載和調(diào)整將增加較大工作量。基于施工圖模塊，針對計算結果進行調(diào)整修改并生成平法施工圖，部分施工圖見圖4。

圖3 結構計算模型

圖4 結構計算軟件生成二層梁配筋

將平法施工圖文件導入Revit-YJK，形成了BIM施工圖，部分施工圖見圖5、圖6。在生成結構施工圖的過程中，雖能通過人工干預，對具體計算結果及圖紙內(nèi)容進行調(diào)整，但干預程度仍較低。如按平法施工圖進行梁配筋時，梁的布置和跨數(shù)的確定，軟件更多的是基于計算結果而非結構工程師的意圖，導致了一定量的后期調(diào)整工作，降低了設計效率。

圖5 Revit結構施工圖軟件生成二層板配筋

圖6 Revit結構施工圖軟件生成二層柱配筋

5 總結

(1)基于Revit結構施工圖軟件和結構計算軟件能夠?qū)崿F(xiàn)BIM的施工圖設計；

(2)建筑體量較大時，對計算機性能要求較高，較難滿足；

(3)協(xié)同模式的選擇對設計過程和結果影響較大，分專業(yè)建模方便出施工圖，但對復雜建筑而言，專業(yè)配合效率降低；

(4)Revit結構施工圖軟件導出結構計算模型時數(shù)據(jù)傳輸時有錯誤，穩(wěn)定性有待提高；

(5)生成施工圖時，缺乏前期人工干預的功能，出圖效率有待提高。