探析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)的應(yīng)用

李家公 趙連峰

（1.重慶長(zhǎng)廈安基建筑設(shè)計(jì)有限公司濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250000；2.上海原構(gòu)設(shè)計(jì)咨詢有限公司濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250000）

在建筑工程全生命周期中，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分重要的內(nèi)容，在以往的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般依靠CAD軟件進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，很難實(shí)現(xiàn)立體化以及協(xié)同化，同時(shí)也無法對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不足，在后續(xù)施工中，可能出現(xiàn)與設(shè)計(jì)方案不符的問題，影響施工質(zhì)量，同時(shí)造成成本增加。通過將BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用BIM技術(shù)建模，并開展協(xié)同設(shè)計(jì)、碰撞檢測(cè)，可對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。因此，對(duì)BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不足進(jìn)行詳細(xì)探究迫在眉睫。

1 BIM技術(shù)概述

從20世紀(jì)90年代開始，我國(guó)大力推廣應(yīng)用CAD技術(shù)，轉(zhuǎn)變了以往手工繪圖設(shè)計(jì)方式的弊端，可有效減輕設(shè)計(jì)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，避免反復(fù)開展設(shè)計(jì)計(jì)算。21世紀(jì)后，建筑結(jié)構(gòu)種類以及構(gòu)造形式均發(fā)生較大變化，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案二維表達(dá)方式暴露出諸多局限性，而BIM技術(shù)能夠?yàn)榻ㄖこ探Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工以及管理提供新思路。BIM技術(shù)即為建筑信息模型，是建筑行業(yè)信息化發(fā)展的重要體現(xiàn)。在建筑工程設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分重要的內(nèi)容，而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式很難滿足當(dāng)前的設(shè)計(jì)需要，因此，BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景比較好。

對(duì)于建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，可劃分為四個(gè)階段，包括建筑工程方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工圖繪制以及碰撞檢測(cè)，如果應(yīng)用CAD技術(shù)進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，則上述四個(gè)設(shè)計(jì)階段相互獨(dú)立，無法協(xié)調(diào)配合。在基于CAD技術(shù)開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需將點(diǎn)、線、面作為基礎(chǔ)，無法承載建筑結(jié)構(gòu)的各類復(fù)雜屬性，包括構(gòu)件材料、空間位置、混凝土保護(hù)層等，對(duì)此，設(shè)計(jì)參與方需將二維圖紙作為基礎(chǔ)，據(jù)此創(chuàng)建三維空間模型，同時(shí)，對(duì)于各類視圖，需采用手繪方式進(jìn)行繪制，所需時(shí)間比較長(zhǎng)，同時(shí)容易出現(xiàn)偏差，后續(xù)修改難度比較大，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期過長(zhǎng)，甚至對(duì)后續(xù)施工造成不良影響[1]。對(duì)此，可應(yīng)用BIM技術(shù)，其在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)的重要作用如下：

（1）共享性。在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，可采用信息化方式避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中信息共享難度較大的問題，引導(dǎo)各方進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。由于BIM技術(shù)可提供信息共享功能，因此，便于對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率。

（2）可視化。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，可以立體化方式展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元進(jìn)行全面細(xì)致的檢查，同時(shí)，對(duì)于各類管道也可進(jìn)行跟蹤觀察，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，并盡快改善。

（3）模擬性。利用BIM技術(shù)可創(chuàng)建建筑工程三維模型，同時(shí)還可對(duì)各類結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)各類結(jié)構(gòu)單位相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算分析，提前檢查施工環(huán)節(jié)中所存在的各類不足，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵施工供需進(jìn)行模擬，并且渲染施工效果，創(chuàng)建完善的組織框架。

（4）協(xié)調(diào)性。與傳統(tǒng)的CAD技術(shù)相比，BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可視化，同時(shí)還能夠以動(dòng)態(tài)化形式展示出建筑工程三維模型的創(chuàng)建過程，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢查和優(yōu)化調(diào)整，同時(shí)，各個(gè)部門還可將工程相關(guān)數(shù)據(jù)輸入BIM軟件中，提升協(xié)調(diào)管理水平。

2 建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的BIM應(yīng)用

2.1 控制設(shè)計(jì)過程

建筑工程建設(shè)周期比較長(zhǎng)，在施工前，首先需制定完善的施工規(guī)劃方案，為施工環(huán)節(jié)提供指導(dǎo)。在建筑工程設(shè)計(jì)方案中，如果存在偏差，則會(huì)對(duì)后續(xù)施工的順利開展以及施工質(zhì)量控制造成不良影響。對(duì)此，很多企業(yè)對(duì)于BIM技術(shù)的關(guān)注度逐漸提升，將BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工管理中，可對(duì)項(xiàng)目建設(shè)全過程進(jìn)行監(jiān)控管理。另外，結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，并反映到建筑工程BIM模型中，通過應(yīng)用可視化系統(tǒng)，即可對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性[2]。

2.2 制作三維模型

在BIM技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，可將信息技術(shù)作為基礎(chǔ)，采用各類軟件對(duì)建筑工程各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)定和調(diào)整。在此過程中，可利用BIM技術(shù)創(chuàng)建建筑工程三維模型，設(shè)計(jì)人員查看三維模型，即可了解到建筑工程結(jié)構(gòu)布局以及局部特征，對(duì)各類數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行修改。建筑工程整體結(jié)構(gòu)可以三維立體形式展示在計(jì)算機(jī)中，設(shè)計(jì)人員通過計(jì)算機(jī)即可查看三維模型，并且根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，同時(shí)查看建筑工程各項(xiàng)功能。

與傳統(tǒng)的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案審核相比，通過利用BIM技術(shù)創(chuàng)建三維模型，可對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析。比如，在確定建筑工程中某個(gè)結(jié)構(gòu)的受力情況時(shí)，可在BIM三維模型的基礎(chǔ)上對(duì)受力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)還可對(duì)建筑工程地基結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行計(jì)算。建筑工程建設(shè)高度不斷增加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度也顯著提升，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為詳細(xì)了解建筑整體和各結(jié)構(gòu)的受力情況，可引入BIM技術(shù)，放大三維模型，對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，便于對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審核。

2.3 運(yùn)用BIM技術(shù)深化設(shè)計(jì)

在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員首先構(gòu)思設(shè)計(jì)方案，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供良好條件，在后續(xù)設(shè)計(jì)中，均應(yīng)當(dāng)將構(gòu)思作為基礎(chǔ)。在BIM系統(tǒng)應(yīng)用前，無法對(duì)各類構(gòu)思展開實(shí)踐驗(yàn)證，為了能夠?qū)υO(shè)計(jì)構(gòu)思基礎(chǔ)上所產(chǎn)生的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并且選擇最優(yōu)方案，可利用相關(guān)軟件完成，對(duì)此，可應(yīng)用BIM相關(guān)的各類軟件創(chuàng)建建筑模型，在選擇設(shè)計(jì)方案后展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比可行性比較高。另外，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可充分利用BIM技術(shù)的各項(xiàng)功能，比如建筑結(jié)構(gòu)性能模擬功能、參數(shù)設(shè)計(jì)功能等，同時(shí)，可在可視化條件下對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行演示分析，參建單位可在BIM系統(tǒng)的支持下溝通交流，提升建筑工程設(shè)計(jì)計(jì)劃方案的可行性[3]。建筑結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)的作用如下。

2.3.1 協(xié)同設(shè)計(jì)

基于BIM技術(shù)開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可發(fā)揮信息共享功能，便于各方溝通交流，保證信息傳遞的高效性，促進(jìn)設(shè)計(jì)效率的提升，避免在協(xié)同設(shè)計(jì)中重復(fù)勞動(dòng)。比如，Revit軟件可提供兩種協(xié)同模式，其應(yīng)用范圍有所不同：第一，工作集協(xié)同。如果多名設(shè)計(jì)人員需與在同一時(shí)間編輯同一模型，則可應(yīng)用工作集協(xié)同。在這一模式的實(shí)際應(yīng)用中，首先需創(chuàng)建中心文件，設(shè)計(jì)人員在此基礎(chǔ)上編輯本地文件，然后再傳遞至文件中心中，將工作成果與中心文件相匹配，對(duì)于中心文件的內(nèi)容，也可下載至本地。在工作集協(xié)同作用下，可保證個(gè)人模型和中心模型的同步性，促進(jìn)本地和云端信息傳遞效率的提升。另外，相關(guān)工作人員也可對(duì)各類文件進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，或者選擇上傳文件、下載文件，保證文件的安全性。但是，在工作集協(xié)同中，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)條件、硬件設(shè)備以及數(shù)據(jù)安全管理的要求比較高。第二，鏈接協(xié)同。在這一模式的實(shí)際應(yīng)用中，所有設(shè)計(jì)人員獨(dú)立編輯模型，如果有需要，可鏈接其他模型，同時(shí)將其他模型作為參照創(chuàng)建自身模型，或者與其他模型對(duì)比分析。鏈接協(xié)同存在一定的弊端，即無法編輯他人的模型，因此，實(shí)時(shí)性比較差。

2.3.2 碰撞檢測(cè)

在利用BIM技術(shù)開展建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，各專業(yè)模型創(chuàng)建完成后，可利用軟件技術(shù)對(duì)模型中的各類構(gòu)件進(jìn)行碰撞檢測(cè)，判斷各類專業(yè)之間是否有沖突，比如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)電設(shè)備安裝位置之間是否有沖突、建筑結(jié)構(gòu)與管線排布凈高是否有沖突等。在Revit環(huán)境中，要求應(yīng)用碰撞檢測(cè)軟件，對(duì)于Revit中的結(jié)構(gòu)模型以及機(jī)電模型等，均可導(dǎo)入至Navisworks軟件中，首先設(shè)定碰撞檢測(cè)的判斷條件，然后開展各類主體模型的自由選擇碰撞檢測(cè)，最后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果繪制檢測(cè)報(bào)告。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型、機(jī)電設(shè)計(jì)模型等，均可進(jìn)行碰撞檢測(cè)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各類專業(yè)設(shè)計(jì)之間所存在的沖突，據(jù)此對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，避免在后續(xù)施工中不同專業(yè)之間產(chǎn)生沖突，提升施工效率。

2.3.3 平法施工圖繪制

在建筑結(jié)構(gòu)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，可創(chuàng)建建筑工程三維模型，獲取大量專業(yè)的信息數(shù)據(jù)，為圖紙?jiān)O(shè)計(jì)提供大量數(shù)據(jù)資料。BIM技術(shù)具有可視化特征，在可視化條件下設(shè)計(jì)圖紙，可提升圖紙的立體感以及層次感，因此，與傳統(tǒng)的二維圖紙相比，BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯著。在BIM可視化技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員首先創(chuàng)建建筑三維模型，然后對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，對(duì)建筑工程整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析。即使建筑工程建設(shè)規(guī)模比較大，也可利用BIM技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)進(jìn)行仔細(xì)觀察，避免在后續(xù)施工中出現(xiàn)各類風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 開展虛擬施工

在建筑工程施工中存在很多影響因素，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與實(shí)際施工之間存在較多偏差，可能會(huì)對(duì)項(xiàng)目建設(shè)的順利完成以及施工質(zhì)量控制造成不良影響。BIM技術(shù)具有可視化特征，通過利用BIM技術(shù)創(chuàng)建建筑工程三維模型，要求確定項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求、項(xiàng)目建設(shè)、管理運(yùn)行等，便于各方參與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相互討論協(xié)調(diào)。為了能夠判斷工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，判斷是否會(huì)對(duì)后續(xù)施工造成不良影響，或者產(chǎn)生設(shè)計(jì)變更，可利用BIM技術(shù)對(duì)施工環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬分析，找出建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不足，并進(jìn)行調(diào)整，保證與后續(xù)施工相匹配。在虛擬施工中，可利用BIM技術(shù)的可視化功能，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)施工環(huán)節(jié)進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，同時(shí)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)功能、參數(shù)設(shè)計(jì)功能等，全面展示出施工環(huán)境，便于進(jìn)行細(xì)致化檢查，找出實(shí)際施工中可能存在的問題。另外，通過對(duì)建筑工程施工環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬分析，還可對(duì)管道設(shè)計(jì)、線路設(shè)計(jì)提供參考，與實(shí)際施工相對(duì)比，合理規(guī)避施工環(huán)節(jié)的各類質(zhì)量隱患[4]。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

本文選擇某高層住宅建筑工程作為研究對(duì)象，對(duì)BIM技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式進(jìn)行分析。該住宅建筑工程總體高度為98.6m，其中，地上34層，該建筑工程長(zhǎng)度為45m，寬度為17.7m，層高達(dá)到2.9m。根據(jù)該建筑工程建設(shè)要求，采用全落地剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。該建筑工程體量較大，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案已無法滿足實(shí)際需要，綜合考慮項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求以及施工技術(shù)條件，選用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 構(gòu)建BIM模型

在該住宅工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用BIM技術(shù)，并應(yīng)用CBIMS標(biāo)準(zhǔn)以及Revit-Structure軟件。在BIM模型創(chuàng)建中，第一層以及屋面層比較特殊，而其余均為標(biāo)準(zhǔn)層，模型創(chuàng)建流程如下：新建項(xiàng)目→創(chuàng)建軸網(wǎng)→創(chuàng)建樓層標(biāo)高→添加結(jié)構(gòu)柱→添加混凝土樓板→添加基礎(chǔ)[5]。

3.3 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

通過應(yīng)用BIM技術(shù)創(chuàng)建建筑工程三維模型，有利于對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提升建筑工程安全性、經(jīng)濟(jì)性以及舒適性。關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)如下：

（1）碰撞檢測(cè)分析。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，Revit的各類文件均可鏈入多個(gè)Revit模型，將各類專業(yè)相整合，據(jù)此進(jìn)行碰撞檢測(cè)。在該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用Revit鏈接、碰撞分析功能，對(duì)結(jié)構(gòu)模型以及機(jī)電模型設(shè)計(jì)效果進(jìn)行檢查，根據(jù)碰撞檢查結(jié)果制定沖突報(bào)告，為不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)調(diào)整提供參考。通過對(duì)碰撞沖突檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行分析，在該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，水電井間梁的寬度比較大，可能會(huì)對(duì)電井造成不良影響；在上部剪力墻設(shè)計(jì)中，沒有綜合考慮首層入口開門的實(shí)際需要。對(duì)此，可圖元ID對(duì)圖元位置進(jìn)行自動(dòng)化定位，然后結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行修改；刷新界面，并開展二次檢測(cè)，判斷是否解決沖突問題。

（2）材料統(tǒng)計(jì)。利用BIM技術(shù)創(chuàng)建建筑工程結(jié)構(gòu)模型，可發(fā)揮“材質(zhì)提取”功能，對(duì)不同對(duì)象的材質(zhì)用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。比如，通過創(chuàng)建BIM結(jié)構(gòu)模型，即可自動(dòng)化生成混凝土用量；在“管理”選項(xiàng)中，可填寫成本信息、制造商信息等，確定預(yù)算。根據(jù)建設(shè)單位要求，對(duì)于該建筑工程剪力墻邊緣構(gòu)件、梁的箍筋，均采用HPB235級(jí)鋼筋，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為210N/m2，如果構(gòu)件受力比較大，則可采用Φ10mm鋼筋或者Φ12mm鋼筋。另外，通過市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，Φ10mmHPB235鋼筋與三級(jí)鋼HRB400鋼筋的價(jià)格大致相同，在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，采用Revit對(duì)鋼筋用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)鋼筋采購(gòu)成本進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算分析，如果采用Φ10mm及以上的HPB235級(jí)鋼筋，可直接更換為三級(jí)鋼，可顯著降低鋼筋應(yīng)用成本。在制定配筋方案后，即可繪制施工圖。

4 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)例，對(duì)BIM技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式進(jìn)行了詳細(xì)探究。在工程項(xiàng)目建設(shè)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分重要的內(nèi)容，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性會(huì)對(duì)建筑工程施工的可行性、經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大影響。對(duì)此，可將BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，創(chuàng)建建筑工程三維模型，對(duì)不同專業(yè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢測(cè)分析，對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提升建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率，對(duì)施工成本進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)為實(shí)際施工提供指導(dǎo)。