BIM技術在建筑工程結構設計階段的應用研究

倪超杰 鐘冬冬

（1.浙江工程設計有限公司，浙江 杭州 310000；2.中建八局第二建設有限公司，山東 濟南 250014）

設計階段是建筑工程建設全生命周期中的上游階段，此階段工作的合理性不僅可以為建筑后續施工打下基礎，還可以保證開發的項目在市場運營中達到預期收益[1]。為滿足設計階段的工作需求，提高建筑結構設計的合理性，本文結合BIM技術，以真實案例作為載體，對技術在設計階段的合理化應用給予幫助。

1 建筑工程概況

以某地區大型建筑工程企業承包的項目為例，對基于BIM技術的建筑結構設計工作展開分析與研究[2]。設計前，提取建筑工程項目信息，總結并整理項目概況，見表1。

表1 建筑工程概況

根據《建筑工程結構荷載規范》文件規定，設定此建筑工程項目所在場地的粗糙程度為A類，樓體相關結構（含樓面）為活荷載[3]。根據文件要求，設計建筑工程項目不同的荷載取值，見表2。

表2 建筑工程項目不同的荷載取值

2 BIM技術在建筑工程結構設計階段的應用

2.1 基于BIM技術的建筑工程結構模型建立

引入BIM技術，首先完成對建筑工程結構模型的建立。對于建筑工程項目而言，從一個階段到另一個階段時，結構模型的精度應當逐漸增加[4]。為了確保在每一個階段各個參與方都能夠明確自身職責，在工程結構設計階段，需要根據后續各階段要求，對模型的詳細程度進行不同等級劃分[5]。按照結構模型的詳細程度從低到高，依次定義為LOD100等級、LOD200等級、LOD300等級、LOD400等級和LOD500等級，每個等級對應的詳細程度依次為：模型元件可用符號或通用方式表示，利用圖形方式在BIM模型中表示預期相關聯的元件信息；構建的模型元件可作為通用對象或物件，并且BIM模型當中需要包含尺寸、形狀、位置等信息；構建的模型元件可作為特定對象或物件，BIM模型中同樣需要包含上述三種信息；元件可作為特定對象或物件，并包含上述三種信息，且能夠提供詳圖、制作和安全等具體內容；元件能夠與施工現場的尺寸、形狀、位置完全一致[6]。在對建筑工程結構模型進行建立時，可在Revit軟件當中，完成對模型類型創建，如圖1所示。

圖1 Revit軟件中BIM創建類型選擇

在完成對BIM模型創建類型的選擇后，按照創建標高→繪制軸網→布置結構構建→創建圖紙→出圖的流程實現結構建模。最后，完成對BIM結構模型的建立后，在Revit軟件中以DWG或PDF的格式將BIM模型文件導出。

2.2 建筑工程結構方案設計

在完成對建筑工程結構BIM模型的建立后，在設計階段還需要完成對工程結構方案的設計。在對結構方案進行制定時，其數據交換需要多個參與方的協調溝通和反饋，同時數據交換也會變得更加頻繁[6]。圖2為基于BIM技術的設計階段建筑工程結構方案設計業務流程圖。

圖2 設計階段建筑工程結構方案設計業務流程圖

按照圖2所示的方式對結構方案進行設計。在設計過程中引入IFD模式，實現各個參與方的提前介入，并通過協同管理模式，對碰撞和錯漏缺等問題進行快捷、高效地解決。

2.3 設計內容深化

在完成對建筑工程結構方案的設計后，根據結構專業、水、熱、電專業的修訂建議，對結構方案進行調整和優化，使設計內容更加深入。在此階段，要把建設項目的可行性、經濟合理性作為評價指標[7]。在對設計內容深化時，主要內容包括：擬定設計方案、設計準則，對結構、水、暖、電等專業設計方案作為重點。根據結構專業、水、熱、電專業的修改意見，進行結構方案的調整與優化，以加深對結構的理解[8]。在這一階段，要以項目可行性和經濟合理性作為評估的標準，同時還需要明確具體的投資金額和技術經濟指標。設計內容中的技術經濟指標主要包括結構面積系數、輔助面積系數、工程總造價等。其中，結構面積系數的計算公式為：

式中F代表結構面積系數；S代表建筑面積；S′代表結構面積。

除此之外，原有對機電施工圖的深化設計也可在這一階段完成。具體而言，在設計過程中，首先對上述構建的BIM模型進行載入，在此基礎上，采用BIM技術可視化的特性，在結構工程中引入或連接的模式。新的工程模板必須以結構分析-定義CHNCHS為基礎，以此根據建筑工程項目特點建立符合要求的項目樣板[9]。在此基礎上，對結構構件進行繪制。在平面視圖當中，若某一參數發生變化，則任何一個視圖中的參數都會同步發生改變，以此提高深化設計的效率。

2.4 二維圖紙與三維視圖關聯

在完成上述設計內容的深化后，在Revit軟件中完成對二維圖紙的編輯。將導入的BIM模型各個方向上的視圖以二維形式展現；對二維視圖圖紙進行匯編或編譯，并從Revit軟件中導出。將導出的文件載入到CAD軟件和Excel軟件當中，生成CAD圖紙和表格；最后，將得到的圖紙文件和表格文件進行發布和打印。生成的二維視圖需要送審報批，BIM模型及生成的二維視圖需要同時交付和歸檔[10]。按照上述方式獲得的每張圖紙都是由三維模型自動生成的，其平面與三維視圖都是相互關聯的。同時，在Revit軟件的支撐下，能夠進一步提高圖紙生成和管理的效率。

3 實證應用分析

在已知建筑工程項目相關技術參數后，使用Revit軟件，創建針對此建筑工程項目的幾何結構模型，創建過程中，對節點與板面之間的節點進行自動連接設計。并在創建過程中使用不同的族、元、類，建立針對建筑結構構件屬性的集合信息模型。參照上文內容，建立針對此建筑工程項目的基本結構模型，具體步驟為：①在操作界面選擇建筑工程模型結構樣本文件；②將樣本文件與建筑各個結構專業之間進行連接，創建基本的BIM結構；③在界面中進行軸網的創建；④在界面中進行標高數據的導入；⑤在文件夾中選擇適配的族樣本，將其導出后，制作對應的構件族文件；⑥在結構模型中布置混凝土柱；⑦在結構模型中布置混凝土結構梁；⑧創建建筑工程結構板；⑨檢查模型細部結構是否合理。

按照上述方式，完成對建筑工程BIM模型的初步構建，操作界面進行視圖樣板的調節，使視圖顯示成不同的樣式，通過此種方式生成一個模板結構圖。在Revit軟件中，對結構物理模型的展示形式進行導出，見圖3。

圖3 結構物理模型展示

在此基礎上，使用有限元建模軟件，根據工程設計需求，進行梁頂面中心位置參數的修改，修改界面見圖4。

圖4 結構梁參數修改界面展示

完成上述設計后，對結構模型賦予對應的屬性信息，根據《建筑工程結構荷載規范》文件規定，在Revit軟件中選擇對應的荷載與屬性類型，進行荷載的添加。操作界面如圖5所示。

圖5 荷載展示界面

在此基礎上，對建筑結構鋼筋進行建模，操作步驟為：①在操作界面中選擇本地文件或云端文件，選定項目所屬服務器后，在界面上設定可進行讀寫操作的服務器有效路徑；②將項目的Revit初始化文件復制到服務器中，將其作為鋼筋建模的中心文件；③由設計人員操作界面打開文件，完成對中心文件工作集的創建；④由設計人員在中心文件中創建多個子集，并劃分對應子集的所有者；⑤各個子集所有者將Revit用戶名修改為與中心文件中子集所有者一致的名稱；⑥子集所有者通過網絡路徑打開中心文件，將本子集的工作權限由“否”修改為“是”，再將中心文件以另存為的方式存儲到本地文件夾中，將其作為初始化子集；⑦完成中心文件與子集的創建后，將信息錄入結構模型。

完成上述設計后，將建筑工程中1～10層中的鋼筋、梁節點碰撞作為測試指標，檢查設計的圖紙是否存在此種問題，見表3。

表3 1～10層中的鋼筋、梁節點碰撞

表3可以證明本文設計的方法在應用中具有可行性。在上述內容基礎上，對比基于BIM技術的結構設計方案與傳統技術設計方案的實際應用效果，見表4。

表4 基于BIM技術的結構設計方案與傳統技術設計方案的實際應用效果

綜上，基于BIM技術的設計方案應用效果更佳。

4 結語

BIM技術作為建筑設計的主體技術，在工程建設的全過程中發揮了重要的作用，其中BIM的正向設計將直接影響到設計效果，然而，由于技術自身的特殊性原因，BIM在工程實踐中的應用仍處于初級階段，與實際推廣使用相比還有一定的差距。

在后續的工作中我們應當：①對BIM技術在建筑設計中的應用進行深入研究，以期為BIM在工程設計中的應用提供參考；②在BIM的設計中，完善BIM的建模規范和交付標準，并建立行業內外的BIM模型。