基于BIM鋼筋三維模型的傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)教改研究

胡佳星 王世龍 蔣治虹 湯 利 曾金嬋

（湖南科技學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院 湖南·永州 425199）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、防火性能好、整體性能突出等優(yōu)點(diǎn)，已成熟應(yīng)用于房屋建筑梁、柱、板等受力結(jié)構(gòu)當(dāng)中。近年來(lái)，隨著裝配式建筑的快速興起與發(fā)展，傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)逐漸被預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件所替代，而B(niǎo)IM作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，在預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件提高了設(shè)計(jì)和制作的效率和件質(zhì)量，降低了項(xiàng)目成本[1-5]。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的教學(xué)當(dāng)中，教師普遍以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論知識(shí)為主，CAD工具為輔，通過(guò)繪制平面圖的方式來(lái)指導(dǎo)房屋建筑和結(jié)構(gòu)施工，用以滿足學(xué)生對(duì)未來(lái)工作中基本繪圖技能的需求。傳統(tǒng)教學(xué)模式，一方面學(xué)生需要較好的 CAD識(shí)圖能力和想象能力才能得到鋼筋布置三維圖示；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)模式較難的激發(fā)學(xué)生對(duì)鋼筋混凝土本構(gòu)關(guān)系探索的興趣。綜上，BIM技術(shù)有助于學(xué)生能更好學(xué)習(xí)鋼筋混凝土施工具體流程和配筋空間圖，對(duì)基于BIM技術(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)改革的研究是勢(shì)在必行的。

1 BIM對(duì)傳統(tǒng)CAD教學(xué)模式?jīng)_擊

BIM（Building Information Modeling）作為一種新興的多維度模擬信息集成技術(shù)，普遍應(yīng)用于房屋建筑中對(duì)整體房屋建模與裝配式預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制作環(huán)節(jié)。近年BIM技術(shù)應(yīng)用較成熟、普遍，使得掌握BIM技術(shù)已成為土木工程專業(yè)畢業(yè)生必不可少的專業(yè)技能之一。CAD作為一種傳統(tǒng)的繪圖工具，利用點(diǎn)、線、面的搭配組合出傳統(tǒng)的施工圖紙，在對(duì)傳統(tǒng)圖紙的繪制以及對(duì)圖紙賦予參數(shù)化功能上，相對(duì)于BIM技術(shù)又能夠極大的滿足工程方的要求，被廣泛應(yīng)用于各類項(xiàng)目中的繪圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。BIM 技術(shù)擁有可視化，協(xié)調(diào)性和可塑造性等優(yōu)點(diǎn)，能較好彌補(bǔ)了CAD分析三維模型方面的缺陷。

圖1為參數(shù)化混凝土結(jié)構(gòu)模型（未配筋）及其可變參數(shù)化標(biāo)簽（長(zhǎng)、寬、高）；在工程項(xiàng)目中，對(duì)不同位置的標(biāo)準(zhǔn)矩體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高要求并不一樣，如果進(jìn)行傳統(tǒng)CAD繪圖，需要進(jìn)行多次長(zhǎng)、寬、高等參數(shù)的改動(dòng)，但在BIM軟件中，僅需要在第一次建模當(dāng)中賦予可變參數(shù)的標(biāo)簽，便可輕易在原有模型實(shí)現(xiàn)參數(shù)變更，提高了建模繪圖的效率。圖2為 CAD鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)平面圖紙，展示了傳統(tǒng)的CAD圖紙?jiān)跇?gòu)件參數(shù)上較BIM模型更加精細(xì)、直觀，在操作水平上也僅需要較低的專業(yè)繪圖水平。此外，在完成配筋的混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時(shí)，鋼筋的數(shù)量，長(zhǎng)度等參數(shù)也會(huì)隨之改變。從參數(shù)化方面來(lái)看，CAD圖紙所反映的數(shù)據(jù)，雖然BIM更加精細(xì)和嚴(yán)謹(jǐn)，但并不能夠讓專業(yè)知識(shí)水平較低的非專業(yè)人員看懂，而B(niǎo)IM模型所具有的數(shù)據(jù)可視化不僅很直觀的反映了鋼筋混凝土構(gòu)件所包含的數(shù)據(jù)，還能更好的滿足建筑結(jié)構(gòu)多樣化的未來(lái)趨勢(shì)。

圖1：BIM模型

圖2：鋼筋混凝土構(gòu)件BIM模塊

2 BIM與CAD繪制鋼筋的應(yīng)用對(duì)比

在土木工程專業(yè)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、繪制過(guò)程中，BIM與CAD軟件在理論知識(shí)和應(yīng)用上存在著明顯的差異。

（1）CAD作為一項(xiàng)傳統(tǒng)的繪圖軟件，如圖2a）、b）所示，CAD圖紙能夠直觀的、詳細(xì)的向?qū)I(yè)人員展示鋼筋混凝土構(gòu)件的所有參數(shù)信息。而圖2a）、b）為BIM導(dǎo)出的圖紙中，僅僅是模型的360°視圖展示，其所表達(dá)的參數(shù)數(shù)據(jù)并不詳細(xì)，需要打開(kāi)模型進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的構(gòu)件參數(shù)表格進(jìn)行查找，而且大部分施工人員并不能直接的獲取BIM模型圖紙，使得施工人員并不能更快、更好的掌握構(gòu)件中鋼筋的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

（2）CAD作為一項(xiàng)基于二維模型的繪圖軟件，改動(dòng)數(shù)據(jù)需要重新在原有圖紙上進(jìn)行修改，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)編號(hào)必然會(huì)影響鋼筋的布置，而B(niǎo)IM模型（圖2 c）中所包含的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單易懂，且全部整合到了一個(gè)界面，僅需要在相對(duì)應(yīng)表格中輸入改選的數(shù)據(jù)，模型便會(huì)自動(dòng)修改。BIM賦予模型可變化參數(shù)后，僅需要輸入數(shù)據(jù)，鋼筋的相對(duì)應(yīng)參數(shù)也會(huì)進(jìn)行自我修正，極大的提高了修改圖紙的效率。

（3）在實(shí)際的應(yīng)用層次當(dāng)中，BIM與CAD在方案設(shè)計(jì)、圖紙繪制、模型創(chuàng)建時(shí)，需要不同專業(yè)人員的技術(shù)操作。傳統(tǒng)的CAD圖紙仍是施工人員了解詳細(xì)構(gòu)件的主要途徑，而B(niǎo)IM作為一項(xiàng)建模技術(shù)，主要目的在于讓初學(xué)者有效直觀的了解到模型的結(jié)構(gòu)形狀的同時(shí)，激發(fā)對(duì)鋼筋混凝土建模的學(xué)習(xí)興趣。盡管CAD繪制圖紙的難度門檻較BIM更低，但其參數(shù)化分析以及參數(shù)化賦予方面仍不及BIM技術(shù)的方便和徹底。

3 Revit創(chuàng)建鋼筋模型思路及案例

3.1 Revit創(chuàng)建鋼筋模型的思路

基于土木工程專業(yè)在第一學(xué)年完成了 Auto-CAD的學(xué)習(xí)，本課程采用同一公司的Revit軟件。建鋼筋模型思維流程見(jiàn)圖3。

圖3：思維流程圖

如圖3所示，首先創(chuàng)建混凝土構(gòu)件的族文件，賦予并鎖定相對(duì)應(yīng)參數(shù)環(huán)節(jié)最為重要，可變參數(shù)一旦鎖定并命名后，即可實(shí)現(xiàn)在項(xiàng)目當(dāng)中隨意更改構(gòu)件模型。其次，在第三步中放置好的鋼筋也會(huì)隨著構(gòu)件參數(shù)的更改而更改，最后，學(xué)生對(duì)自己建好的參數(shù)化鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化更改的檢驗(yàn)，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，參數(shù)的賦予最容易出錯(cuò)，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)該方面的練習(xí)，更好的掌握這一重點(diǎn)。

3.2 Revit創(chuàng)建鋼筋模型的案例

以土木工程專業(yè)10余人教學(xué)為例，授課以5人為一組。在前部分課程當(dāng)中，在講述怎樣看懂鋼筋混凝土圖紙的同時(shí)抽出部分時(shí)間學(xué)習(xí)BIM Revit建模操作步驟，經(jīng)過(guò)幾節(jié)課后，將現(xiàn)有圖紙分發(fā)給各小組，布置根據(jù)上圖思維流程圖制作鋼筋混凝土構(gòu)件模型的任務(wù)，所建模型如下：

圖4展示了學(xué)生在老師指導(dǎo)后，對(duì)現(xiàn)有圖紙的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建模，經(jīng)過(guò)教師的檢驗(yàn)，以上展示模型，所配鋼筋均可隨著混凝土構(gòu)件參數(shù)的變更而變更，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化鋼筋混凝土模型的構(gòu)建。

圖4：學(xué)生鋼筋混凝土模型

4 結(jié)論

在未來(lái)裝配式混凝土建筑興起和政府大力推廣的背景下，預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件會(huì)越來(lái)越普遍，尤其在BIM技術(shù)的參數(shù)化處理、數(shù)據(jù)分析等功能的不斷完善下，將使得預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制作等流程更加的便捷。同時(shí)一項(xiàng)新技術(shù)的推廣，必然帶來(lái)更多的挑戰(zhàn)，所以必須要對(duì)新技術(shù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和改革。本文基于BIM技術(shù)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)的改革，讓學(xué)生更好的投入到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)當(dāng)中，使學(xué)生不局限于CAD圖紙與課本知識(shí)，能夠更好的應(yīng)用到實(shí)際的建模應(yīng)用當(dāng)中。