基于BIM技術的復雜空間結構設計

羅 威

（湖北城市建設職業技術學院，湖北 武漢 430205）

BIM技術作為一種常用的建筑信息模型，不僅可以將其貫穿于項目的整個階段，還能覆蓋社會經濟、項目施工以及各個專業等內容，在簡化復雜空間結構設計流程、提高復雜空間結構設計效率和效果等方面發揮重要作用[1]。因此，在BIM技術的應用背景下，為了實現復雜空間結構的科學化、高效化設計，如何科學設計和應用復雜空間結構是設計人員必須思考和解決的問題。

1 空間網格結構模型數據交換內容

通常情況下，空間網格結構模型數據交換內容主要體現在以下幾個方面：

1.1 幾何信息

空間網絡結構主要用于對幾何信息的傳遞，這些幾何信息包含結構形態節點三維坐標信息、桿件引用信息。通過利用空間結構設計軟件，可以精確地計算和確定構件的最優尺寸，為復雜空間結構設計工作的有效開展提供重要的依據和參考。

1.2 物理信息

空間網絡結構除了可以傳遞幾何信息外，還可以傳遞物理信息，這些物理信息主要包含構件物理屬性和有限元信息。其中構件物理屬性包含物理材質、力學性能等；有限元信息主要包含節點信息、約束信息和荷載信息等[2]。

2 基于BIM技術復雜空間結構的設計

2.1 空間結構設計軟件STCAD的IFC標準模型

為了提高復雜空間結構設計水平，設計人員要重視對STCAD軟件的應用，通過利用該軟件，完成對連廊模型的設計，從而突出IFC標準在軟件中的應用特征。STCAD模型如圖1所示。從圖中可以看出，該模型屬于單線模型，通過采用施加荷載的方式，精確計算出模型相關參數。同時，還要利用IFC標準，對復雜空間結構模型進行精細化描述，并編寫出相應的STCAD模型和相關應用程序，為后期更好地設計復雜空間結構提供重要的依據和參考[3]。

圖1 STCAD建立的空間結構模型

2.2 基于BIM的復雜空間結構網格自動劃分

在BIM技術的應用背景下，現提出一種自頂向下的設計模式，以完成對復雜空間結構網格的自動化劃分，以達到提高復雜空間結構設計的目的[4]。這種設計模式主要是在建筑方案指定的曲面上延伸而來的，通過利用IFC文件，對復雜空間結構模型進行導入處理，以起到劃分網格的作用。

2.2.1 自頂向下的設計模式與BIM技術的運用

（1）自頂向下的設計模式

在自頂向下的設計模式下，設計人員不需要利用點和線這些基本設計元素，而是借助面這一設計元素，完成對復雜空間結構的設計。首先，根據建筑方案相關信息數據，獲取曲面信息，然后利用網格剖分模式，完成對復雜空間結構進行科學設計，在此基礎上，利用相關程序，在結合網格剖分算法的基礎上，在曲面上對網格進行自動剖分，從而形成腹桿。總之，通過應用該設計模式有效地突破了傳統建模方式的局限性。另外，為了進一步提高復雜空間結構設計效率和效果，設計人員還要不斷修改、優化和完善復雜空間結構體系，不要將大量的時間和精力花費在點線建模上，為進一步提高復雜空間結構設計效率打下堅實的基礎。此外，設計人員還要借助程序，自動生成桿件幾何信息數據，在此基礎上，嚴格按照復雜空間結構模型生成規則，實現參數化建模的目的。

（2）建筑與結構的模型交換

曲面主要由以下兩種類型組成，分別是小面片表達和NURBS曲面，IFC標準在具體的運用中，主要采用一種新型、先進的表達方式，為目前比較主流的建模軟件提供IFC標準支持。然后，在BIM技術的應用背景下，利用IFC文件格式，完成建筑與結構模型的交換。建筑與結構專業軟件之間通過IFC文件進行信息交換如圖2所示。通常情況下，建筑方案在具體的運用中，僅僅提供空間結構曲面相關信息，因此利用建筑軟件，導出相應的曲面后，需要嚴格按照多邊形面片描述相關標準和要求，形象、直觀地描述曲面信息，同時還要采用IFC文件導入的方式，利用空間結構軟件，完成對曲線信息的精確化、高效化讀取，在此基礎上，利用曲面網格劃分算法，采用曲面轉化的方式，將所有曲面轉化為各種空間結構網格，從而完成對復雜空間結構的構建。此外，還要利用有限元模型、結構軟件，對該模型相關信息進行直接計算，極大地簡化了計算流程，為進一步提高復雜空間結構設計效率和效果創造良好的條件[5]。通過利用空間結構軟件，從桿件大小、桿件型號等信息入手，對復雜空間結構模型進行構建和設計，并生成相應的成果文件，為后期更好地優化復雜空間結構設計流程提供重要的依據和參考。

圖2 建筑與結構專業軟件之間通過IFC文件進行信息交換

2.2.2 空間網格結構參數化設計

復雜空間結構在具體的設計中，主要是借助建筑方案進行的，為了進一步提高復雜空間結構設計水平，設計人員要結合建筑方案相關內容，不斷突破建設結構在造型上的局限性，同時還要根據復雜空間結構特征，采用自由曲面表達方式，利用建筑方案，在優化和完善空間網格結構劃分方法的基礎上，實現空間網格結構的參數化設計，以達到提高復雜空間結構設計效率和效果的目的。為此設計人員要采用控制參數變化的方式，完成對模型幾何信息的及時更新。現以四角錐網格為研究對象，從以下幾個方面入手，對其進行參數化設計。根據建筑方案，對指定曲面進行網格劃分，并將劃分后的網格節點作為上弦節點。將小網格綁定在四邊形網格上，并科學控制網格平面與下弦節點之間的距離。采用參數化更新的方式對生成的四角錐網格進行及時更新和處理。

2.2.3 自由曲面的網格劃分

（1）基于小面片曲面模型的劃分方法

在進行復雜空間結構設計的過程中，設計人員要利用小面片曲面模型的劃分方法，根據短程線的特點，完成對三角形面片模型的構建和設計，然后利用短程線算法，對三角形面片進行網格劃分，得到如圖3所示的短程線劃分網格。通過利用小面片曲面模型的劃分方法，不僅發揮了短程線算法的應用優勢，還極大地提高了復雜空間結構力學性能，為縮小復雜空間結構偏移量提供有力的保障。由此可見，小面片曲面模型的劃分方法在自由曲面開發和應用方面具有重要意義。

圖3 短程線劃分網格

（2）基于NURBS曲面模型的劃分方法

NURBS曲面作為一種常用的曲面表達方式，具有高參數化程度、強靈活性等特征，通過利用方式，可以高效地完成對曲面坐標點的求解，由此可見，在NURBS曲面的應用背景下，很容易開發并生成一種新的網格劃分方法，該劃分方法在具體的運用中，需要借助正方形網格曲面，將平面各個節點進行有效的聯系，然后采用平移自由度的方式，實現對平面各個節點的科學控制和調整，以保證網格邊長的固定性。此外，還要將所有的網格曲面鋪設到自由曲面上，并將曲面網格多余的部分進行裁剪，從而完成對平面網格模型的構建和設計，為后期更好地開展復雜空間結構設計工作打下堅實的基礎。

2.3 基于BIM的空間結構架構設計

建模是復雜空間結構設計的關鍵和核心，最近幾年，空間結構工程項目逐漸向復雜化、多樣化方向不斷發展，因此，空間結構設計軟件必須要具備強大的建模功能，只有這樣才能確保復雜空間結構設計工作準確無誤地開展。在整個建筑工程中，復雜空間結構設計是重中之重，因此，設計人員要重視對設計成果的交流，確保空間結構設計軟件與其他設計軟件能夠有效地結合，為提高復雜空間結構設計效率和效果發揮重要作用。此外，設計人員要在BIM技術的應用背景下，針對建模的需求，不斷修改、優化和完善建模方案，已完成對空間結構設計架構的設計。另外，為了充分發揮和利用BIM技術的應用優勢，設計人員要嚴格按照如圖4所示的結構分析軟件的總體流程，完成對空間結構架構的設計和應用。在這個過程中，首先設計人員要嚴格按照IFC標準，在BIM技術的應用背景下，借助面向對象語言，不斷優化復雜空間結構設計程序，同時利用實體之間的層次關系，精確地表達模型信息，提高模型文件的可讀性，以促進復雜空間結構設計向自動化、智能化和信息化方向不斷發展。其次，設計人員要借助STCAD文件格式，實現對相關信息數據的統一化、集中化存儲，為進一步提高復雜空間結構設計效率和效果創造良好的條件。

圖4 結構分析軟件的總體流程

3 結束語

綜上所述，BIM技術作為一種重要的建筑信息模型，在保證復雜空間結構設計的科學性和高效性方面具有重要作用，同時，也給相關企業帶來巨大的經濟效益和社會效益。因此，在進行復雜空間結構設計的過程中，設計人員要重視對BIM技術的應用，不斷優化復雜空間結構設計流程，為提高復雜空間結構設計效率和效果打下堅實的基礎。此外，設計人員要與時俱進，學習和掌握BIM技術，提高BIM技術應用能力，只有這樣才能確保復雜空間結構設計工作能夠正常、穩定、有序地開展。