BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

李旭升

（廣東新長安建筑設(shè)計院有限公司，廣東 汕頭 515000）

1 引言

隨著我國現(xiàn)代化進程的不斷加快，很多先進的工藝技術(shù)被廣泛運用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，其中就包括BIM技術(shù)。該技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)層面的運用可以顯著提升結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和質(zhì)量，通過構(gòu)建三維虛擬模型的方式，便于設(shè)計人員開展后續(xù)的分析和決策。不僅如此，基于BIM技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，整體自動化水平比較高，可以顯著降低人工勞動力，同時避免人員設(shè)計存在的失誤情況，從而確保房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體質(zhì)量效果[1]。

2 建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀

目前，我國房地產(chǎn)行業(yè)發(fā)展十分迅速，很多建筑施工建設(shè)開始朝著高層及超高層方向發(fā)展。為了確保高層建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，在實際進行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要合理運用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法和手段，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計與成本管理二者的協(xié)調(diào)發(fā)展，在確保結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性的基礎(chǔ)上最大限度地降低成本投入。

相關(guān)調(diào)查研究顯示，近幾年我國房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用設(shè)計優(yōu)化方法，使得成本投入可以降低15%左右，這對于企業(yè)的經(jīng)濟效益提升是極為有利的。雖然設(shè)計優(yōu)化方法的運用可以達到降低成本的效果，但是在實際的運用過程中卻受到多方面因素的影響，導(dǎo)致設(shè)計運用難度較大，例如，部分企業(yè)在實際開展房屋建設(shè)以及設(shè)計中，為了有效縮短建筑施工周期，盲目重視施工進度管理，在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計中即便是發(fā)現(xiàn)了不規(guī)范、不合理的問題，也不采取相關(guān)的處理措施，在這種情況下繼續(xù)施工建設(shè)，不僅會造成嚴重的質(zhì)量問題，同時也容易埋下安全隱患。不僅如此，很多設(shè)計人員由于專業(yè)素質(zhì)有待提升，加之缺乏相關(guān)的設(shè)計優(yōu)化經(jīng)驗，在實際當(dāng)中無法實現(xiàn)對房屋建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

3 BIM技術(shù)的特點

通常而言，將BIM技術(shù)運用到實際結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，可以實現(xiàn)規(guī)劃、設(shè)計、施工以及維護等管理水平高效提升，達到促進企業(yè)快速發(fā)展的實質(zhì)性目的。具體而言，該項技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計層面所表現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢和特點如下。

第一，可視化。在以往的建筑結(jié)構(gòu)施工過程中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙的繪制一般都是通過CAD等二維技術(shù)工藝實現(xiàn)。其中，建筑內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)大都根據(jù)工作人員長期的經(jīng)驗以及腦力判斷。在特殊復(fù)雜的工程建設(shè)當(dāng)中，單純依靠腦力和經(jīng)驗顯然無法達到理想的效果，給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計造成巨大的阻礙。而BIM技術(shù)憑借可視化功能優(yōu)勢，可以將建筑內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)以一種直觀立體的方式呈現(xiàn)給作業(yè)人員，給后續(xù)施工決策提供科學(xué)合理的指導(dǎo)，同時也大幅提升了結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量水平。

第二，協(xié)調(diào)性。眾所周知，在建筑施工建設(shè)過程中尤其是結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，涉及諸多專業(yè)，各個專業(yè)配置相應(yīng)的部門開展施工作業(yè)。實際施工當(dāng)中，如果各個部門之間協(xié)調(diào)和溝通不到位，那么不僅會導(dǎo)致施工進度和效率受到影響，同時也會大幅降低結(jié)構(gòu)設(shè)計施工質(zhì)量水平，不利于結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的提升，同時產(chǎn)生的碰撞問題也會導(dǎo)致后續(xù)出現(xiàn)返工和變更問題。而BIM技術(shù)的運用可以有效彌補這一缺陷，其在實際運用當(dāng)中可以協(xié)調(diào)各部門及專業(yè)實施針對性的設(shè)計，一方面降低碰撞問題出現(xiàn)概率，另一方面也可有效提升結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。

第三，模擬性。借助BIM技術(shù)可以模擬建筑結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場的日照、節(jié)能以及熱傳導(dǎo)等情況，便于制訂相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案。

4 BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用要點

4.1 鋼筋表達

鋼筋表達實際上就是指將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中所使用的鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)，通過BIM技術(shù)以三維立體化的形式呈現(xiàn)出來，如此一來，設(shè)計人員可以更加直觀地獲取鋼筋外形尺寸以及位置等參數(shù)，提升設(shè)計整體水平。同時，還可以結(jié)合工程實際科學(xué)合理地計算出鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)用量，避免出現(xiàn)材料的過度浪費。

就目前而言，基于BIM技術(shù)下的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼筋表達主要包括兩種形式，即實體詳圖表達和平法注釋表達。其中，前者可以實現(xiàn)三維立體形式的表達，一方面可以明確鋼筋結(jié)構(gòu)的所處位置以及外形尺寸等參數(shù)信息，另一方面對于一些建筑結(jié)構(gòu)施工當(dāng)中隱蔽性比較強的鋼筋參數(shù)信息，也可以結(jié)合該項技術(shù)進行分析和明確。但是需要注意的是，該表現(xiàn)形式對于硬件條件的限制比較大，使用過程中還不可避免會占用較多的空間，相應(yīng)的設(shè)計工作量顯著提升；而平法注釋表達的原理在于對建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)鋼筋部件進行參數(shù)賦值，讓所賦值的參數(shù)信息與構(gòu)件相同，以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)調(diào)取和互換操作，最終達到合理表達鋼筋結(jié)構(gòu)參數(shù)的效果[2]。相對比前者來說，后者最大的優(yōu)勢在于可以從一張圖像中獲取多個鋼筋參數(shù)信息數(shù)據(jù)，但是缺陷在于表現(xiàn)形式比較單一，對于平面圖像的限制比較大。在實際當(dāng)中需要結(jié)合工程設(shè)計情況，對兩種表達方式進行合理選擇。

4.2 實體模型的可視化

BIM技術(shù)在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中可以充分結(jié)合工程實際而建立3D模型，將建筑復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過立體化的3D模型呈現(xiàn)出來，讓設(shè)計人員可以更加直觀立體地觀察各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)信息，包括空間相對位置、各部件情況等，便于設(shè)計人員從多角度、多層面進行觀測，結(jié)合觀測結(jié)果做出科學(xué)合理的設(shè)計方案調(diào)整，最終達到提升工程品質(zhì)的實質(zhì)性目的。就目前而言，BIM技術(shù)的可視化功能優(yōu)勢在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域發(fā)揮出顯著的功能優(yōu)勢，但是行業(yè)中該技術(shù)的應(yīng)用深度卻存在顯著差異，具體如圖1所示。

圖1 BIM應(yīng)用深度分布

由圖1可知，建筑設(shè)計行業(yè)中17%的企業(yè)尚元BIM推進計劃，基本開始實施該項理念的企業(yè)占比為23%，對BIM技術(shù)實施廣泛推廣和運用的企業(yè)占比56%，并且推廣過程中基本實現(xiàn)了規(guī)模化試驗，而還有少數(shù)企業(yè)在實際當(dāng)中雖然對該技術(shù)有所運用，但是沒有實現(xiàn)大規(guī)模推廣，占比為1%～3%[3]。

4.3 碰撞檢查

對建筑結(jié)構(gòu)進行碰撞檢查，目的在于防止后續(xù)因為碰撞而產(chǎn)生返工和變更問題。在實際進行碰撞檢查中，可以結(jié)合BIM技術(shù)構(gòu)建實際的3D模型，對前期設(shè)計階段進行碰撞因素模擬，結(jié)合該模型可以直觀立體地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)空間設(shè)計中是否存在相互干撫以及碰撞問題，然后以此為基礎(chǔ)進行優(yōu)化和改良，最終消除前期設(shè)計中存在的碰撞問題。在完成碰撞檢查和優(yōu)化設(shè)計之后，工作人員可以直接利用這一設(shè)計方案進行施工交底和工程模擬，以達到提升結(jié)構(gòu)設(shè)計施工質(zhì)量水平目的。

5 BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用實踐

5.1 工程概況

某區(qū)域棚戶區(qū)改造項目中，結(jié)合BIM技術(shù)的應(yīng)用組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 BIM技術(shù)組織架構(gòu)

5.2 構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型

在該建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于整體建筑以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，設(shè)計工作的要點在于提升連接部位的強度。在對結(jié)構(gòu)連接部位進行設(shè)計優(yōu)化中，可以充分結(jié)合BIM技術(shù)的功能優(yōu)勢，推理和測算出各個連接射線之間的可靠性程度，以便于進行合理有效的連接，提升結(jié)構(gòu)整體的強度和穩(wěn)定性。不僅如此，在實際開展設(shè)計工作中使用BIM技術(shù)，還可以構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，通過模型科學(xué)準確地分析建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各項參數(shù)和指標，然后結(jié)合實際的強度要求對參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化，同時對于相關(guān)部件還可以進一步完善，讓整體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量得到進一步的提升。在本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員首先利用BIM技術(shù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)的幾何模型，其中主要還運用到Revit軟件，結(jié)合該軟件的強大功能，對結(jié)構(gòu)模型進行合理化分析，包括建筑結(jié)構(gòu)的每一個節(jié)點位置，都需要確保連接設(shè)計的合理性和可靠性。與此同時，在進行模型構(gòu)建中，需要充分分析基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、梁體、板體等要素，并且還需要做好以下幾方面工作：第一，結(jié)合該工程實際選擇合適的樣本[4]，然后結(jié)合BIM模型進行可靠性連接；第二，結(jié)合計算機軟件進行軸網(wǎng)建立，同時精準定位標高；第三，科學(xué)合理地設(shè)置建筑結(jié)構(gòu)中的混凝土梁與混凝土柱，并且結(jié)合BIM模型進行全面檢查，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)問題要第一時間反饋和處理，防止隱患的進一步擴大；第四，對于一些特殊的結(jié)構(gòu)形式，在實際進行測算過程中難度較大，所以只需要將構(gòu)建的荷載信息與分析模型進行融合即可，無須進行測算同樣可以達到理想的設(shè)計效果。

5.3 結(jié)構(gòu)可視化設(shè)計

對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，不是一項簡單的工作，需要圖紙有效展示出建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及內(nèi)部各方面要素信息，但是基于CAD技術(shù)設(shè)計的圖紙屬于二維信息，無法清晰展示出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的詳細情況，所以在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中難以發(fā)揮出實質(zhì)性的效果。而將BIM技術(shù)運用到本次結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以構(gòu)建三維立體模型。

相對比二維信息模型，三維立體模型更加直觀，可以清晰地展現(xiàn)出建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置以及其他的參數(shù)信息，設(shè)計人員通過直觀分析，可以有效明確結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件存在的問題和弊端，然后及時進行優(yōu)化和改進，全面提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。不僅如此，在三維模型構(gòu)建完成后，相關(guān)設(shè)計工作人員還可以結(jié)合模型對建筑結(jié)構(gòu)布局進行調(diào)整，合理計算出建筑物體量，達到可視化設(shè)計的目的。

6 結(jié)語

綜上所述，BIM作為一項新型的技術(shù)工藝，同時也是信息化時代的主流產(chǎn)物，將其運用到建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，可以憑借其功能特點，顯著提升結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量和效率。基于BIM技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過構(gòu)建三維實體模型，可以有效將建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況進行展現(xiàn)，便于設(shè)計人員更好地開展后續(xù)工作，同時降低了人工設(shè)計層面存在的缺陷和較高的任務(wù)量，對于促進建筑行業(yè)的發(fā)展意義重大。