建筑結構設計中BIM技術的應用分析

文／陳朗道 金斯嘉 浙江省工業設計研究院有限公司 浙江杭州 310000

引言：

建筑結構設計所面臨的作業流程相對復雜，部分建筑現場所面臨的不穩定因素較多，導致建筑結構設計期間易出現缺漏問題，易引發后續設計變更問題。近些年來，為全面增強建筑結構設計水平，設計單位將BIM技術應用于建筑結構設計工作當中。與傳統技術手段不同，BIM技術所具備的模擬化、可視化以及參數化功能可以消除傳統設計方式存在的信息共享效率不高等短板問題。最重要的是，基于BIM技術的建筑結構設計工作可以提前識別施工風險問題并加以應對處理，有效減少施工風險問題，保障建筑結構現場施工質量安全。

1、BIM技術內容及優勢分析

BIM主要針對建筑信息模型而言，技術應用過程中主要以建筑工程項目各項相關信息數據為核心基礎，以數字信息仿真模擬以及相關技術為實現條件，通過科學構建建筑模型，確保建筑物所具有的真實信息可以仿真模擬出來。與傳統CAD技術不同的是，BIM可以對建筑工程各個階段進行模擬分析以及完整表達，提前識別現場施工作業可能出現的風險問題，采取切實可行的技術手段以及方法措施，全面調整與優化設計方案，減少現場設計變更問題。結合實際應用情況來看，BIM技術所表現出的優勢特點主要如下。

1.1 可視化

可視化基本上可以視為BIM技術的重要特點體現。其中，所謂的可視化可以理解為所見所得的一種技術形式。對于建筑行業而言，實現可視化操作管理可進一步對建筑工程項目全過程流程進行梳理優化，提前識別風險，保障工程項目建設質量安全。結合以往的管理經驗來看，傳統建筑工程項目管理工作更加依賴于人工管理。在管理過程中，容易受到管理人員資質能力以及專業素養的影響，可能會出現管理效率不高或者風險問題。

通過依托于BIM技術的可視化管理功能，可將傳統二維平面設計轉化為三維立體實物圖形，讓建筑結構設計人員以及施工人員可以在三維模型上對建筑各工序以及設計要點內容進行可視化表達。可以說，基于BIM技術的可視化功能可以滿足同構件之間的互動性與反饋性可視要求。最重要的是，可視化反饋結果除了可以生成效果圖以及報表內容之外，還可以在項目設計以及建造運營中發揮良好的功能作用，如建筑工程項目全周期都可以在可視化狀態下進行。

1.2 協同性

協同性作為BIM技術的重要特征表現，區別于普通的技術手段，BIM技術所具備的協同性特征可協調各類施工問題，并提出解決方法，保障建筑工程項目建設質量安全。最重要的是，BIM技術所具備的協同性功能可以加強各參建部門之間的互動聯系。如各參建部門可以在BIM建筑模型中對各工種所涉及到的技術流程以及風險問題進行提前掌握，并采取科學合理的措施手段提前規避風險并加強應對。

在前期規劃設計過程中，專業設計師可通過利用BIM技術所具備的協同性功能特征，對建筑工程項目施工作業流程所涉及到的專業矛盾問題以及碰撞問題進行提前把握。以暖通專業管道布置優化為例，可利用BIM技術的協同性特征提前識別暖通專業管道布置期間可能遇到的風險問題，如識別當前結構位置是否存在梁等構件的碰撞問題。除了可以解決各專業間的碰撞問題之外，BIM技術的協同功能還可以加強各專業設計之間的協調性與關聯性，如保障地下排水布置與其他設置布置協調等。

1.3 模擬性

BIM所具備的模擬性特征基本可以實現對建筑工程項目全周期運作流程的模擬分析，管理人員可根據模擬分析反饋結果，對建筑工程項目各階段流程所涉及到的重難點問題以及風險管控問題進行重點強調與科學部署。在前期規劃設計階段，設計人員可利用BIM技術對重點設計內容進行模擬實驗。如可以通過開展節能模擬以及緊急疏散模擬等，對設計關鍵點問題進行重點把握。

在招投標以及施工階段，可通過利用4D模擬技術手段對當前施工方案所存在的不足之處進行及時改進。在具體實現過程中，需要利用施工組織設計對實際施工情況進行模擬分析，根據分析結果，適當改進施工方案以及管理內容。在此過程中，也可以通過利用5D模擬技術完成對工程項目造價成本的控制管理。除此之外，在后期運營階段，可通過利用BIM技術的模擬化功能對日常緊急情況處理方案以及具體流程進行動態模擬分析。如可重點針對消防人員疏散模擬問題進行動態模擬與分析。

1.4 優化性

從客觀角度上來講，建筑工程項目全周期階段基本上可以理解為一個不斷優化、不斷改進的過程。其中，通過合理運用BIM技術可以達到更好的優化效果。舉例而言，BIM模型可以為相關人員提供建筑物幾何信息、物理信息以及規則信息等重要參數信息。在具體拓展應用過程中，相關人員可利用BIM及其配套的優化工具完成對復雜項目流程的優化調整。同時，基于BIM技術的優化功能可初步完成下述工作內容：

（1）完成項目方案優化工作。在具體優化改進過程中，相關人員可利用BIM技術的優化功能，結合項目設計與投資回報分析內容。其中，相關人員可結合重要參數信息對設計變化所產生的影響內容進行實時計算，尤其是對于投資回報的影響。這樣一來，業主可以更加明確設計方案是否可行，并通過多方對比與研究，選擇更符合實際情況的項目設計方案。

（2）完成特殊項目設計優化工作。近些年來，隨著高層建筑以及超高層建筑的深入發展，異型設計屢見不鮮，像某些裙樓、幕墻等均可以看到異型設計內容。與常規建筑相比而言，異型設計所表現出的施工難度以及施工問題更多。如果單純利用傳統建筑結構設計方式，則難以達到預期效果，建議設計人員可通過利用BIM技術的優化性功能，對施工方案以及設計方案進行全方位優化調整，保障最終設計效果達到預期。

1.5 可出圖性

BIM所具備的可出圖性特征并不是傳統意義上理解的建筑設計圖紙或者某些構件加工圖紙。而是通過利用BIM技術所具備的功能優勢實現可視化展示以及協調模擬過程，保障建筑設計圖紙更具真實性、動態化特征。結合以往的經驗來看，基于BIM技術的可出圖性特征可以幫助業主出如下圖紙內容：

（1）綜合管線圖。利用BIM技術的碰撞檢查以及設計修改等功能可對最初綜合管線圖所存在的錯誤問題進行有效消除，減少現場可能出現的設計變更問題。

（2）綜合結構留洞圖，也就是預埋套管圖。

（3）碰撞檢查偵查報告以及相關建議改進方案。

與常規出圖方式不同，傳統以人工繪制為主的出圖方式所表現出的錯誤性以及風險性特征明顯。而通過基于BIM技術的可出圖性特征可通過融合各項參數數據，繪制出安全可靠的施工圖，進一步為后續施工作業提供安全保障。

2、BIM技術在建筑結構設計領域中的應用可行性分析

2.1 建筑結構設計重難點問題分析

建筑工程項目建設期間容易受到人為操作因素、管理因素以及氣候因素等條件影響，導致現場施工作業期間出現風險隱患問題。再加上現場施工工序流程較多，如果協調不當，就很容易出現專業施工矛盾、安全隱患等風險問題。其中，建筑結構設計作為建筑工程項目建設的難點問題，因其所表現出的協調性以及專業性特點相對明顯，要求設計人員必須主動結合建筑工程項目特點以及設計要求，對設計圖紙進行合理調整與優化。

在前期設計階段，設計人員必須加強對隱蔽問題的妥善處理，尤其要重點加強機電專業設備以及管線碰撞問題的嚴格把控，以防止各專業在后期運行使用過程中出現風險問題。結合上述內容不難看出，建筑結構設計所表現出的復雜性、專業性特點比較明顯。強調設計人員必須依托于建筑工程建設要求以及特點，做好協調設計工作，保障現場施工質量安全。

2.2 應用可行性分析

2.2.1 突破并解決建筑結構設計信息化難題

傳統建筑結構設計比較依賴于人工完成數據采集以及圖紙設計等一系列工作內容。在這一過程中，所表現出的效率性以及精確性明顯不高。再加上相關因素的干擾影響，導致設計人員難以預測施工作業期間可能出現的風險問題，甚至會出現結構缺陷以及材料資源利用效率不高的問題。而BIM的推廣應用無疑是顛覆了傳統建筑結構設計局面，建筑結構設計人員可通過利用BIM技術的可視化以及虛擬化等特征優勢，對設計圖紙進行三維化設計分析。如此可直接增強結構設計完整化程度以及可視化程度，可有效規避傳統以人工為主設計理念存在的弊端問題。

2.2.2 增強建筑結構設計效能

傳統建筑結構設計更加側重于強調以圖紙數據為設計標準，在對工程內部缺陷以及施工過程能耗分析方面存在落實不到位的問題。因數據獲取有限，導致設計人員難以對建筑結構碰撞承載力極限值進行科學計算。而一旦缺乏上述數據的支撐，建筑結構設計方案所表現出的安全性以及效率性將會明顯降低，容易對后續現場施工作業實施過程構成安全威脅。而通過高效應用BIM技術基本上可以實現對各專業設計數據的共建共享，并保障不同領域人員可以利用BIM技術的協同性特征優勢，加強對各專業流程運作特點以及風險問題的識別管控。對于設計錯誤或者矛盾問題，應進行及時調整，以保障工程項目順利開展。

2.2.3 實現科學高效施工管理過程

依托于BIM技術的建筑結構設計可通過利用虛擬化以及可視化管理優勢，對施工作業期間建筑結構情況進行模擬分析，根據分析反饋結果對可能出現的問題進行提前識別，并通過預演以及計算等一系列操作方法對結構設計方案進行健全優化。除此之外，BIM技術可通過利用計算機模擬以及三維模型分析等功能優勢，對施工作業期間所涉及到的各類資源進行優化配置與高效利用，保障建筑結構施工作業水平得以全面增強。

3、BIM技術在建筑結構設計領域中的應用實踐及策略方法

3.1 輔助設計

在輔助設計期間，設計人員可利用BIM技術的模擬化以及可視化功能優勢，對建筑結構方案協同設計內容進行全過程梳理與優化調整。在此過程中，設計人員可利用BIM模型構建特點完成對建筑本體的真實展現。同時，可利用3D立體模型實現對建筑物外觀以及框架結構的真實分析。根據分析數據結果，對當前建筑物外觀以及框架結構所存在的不足之處進行及時調整。關于建筑物建設環境以及施工方案的部署優化問題，設計人員也可以利用BIM模型完成輔助設計操作。

在具體設計過程中，可根據BIM模型所反饋的數據信息以及模擬流程結果，對各施工工序以及操作節點、重難點問題進行科學把握。在此基礎上，設計人員可對預先選定好的施工計劃進行模擬分析與綜合對比。經流程模擬以及可視化管理之后，選擇最優的方案進行施工建設。除此之外，設計人員也可以利用數字模型對具體參數進行調節優化，確保參數數據可以控制在標準范圍之內，避免后續施工出現設計變更問題。

BIM技術的輔助功能也體現在圖紙結構修改過程中，由于建筑工程施工環境較為復雜，設計方案會出現參數及細節變動問題。傳統建筑結構設計工作有修改一小部分內容的情況，也需要在其他關聯地方修改環節投入大量的時間與精力，導致設計效率及質量不能得到基本保障。借助BIM技術的輔助功能，自動更改相應參數，切實提升了初試修改工作效率，節約工程設計時間。

借助BIM技術構建起的建筑結構三維模型，也可以從根本上提升圖紙修正效率，其他圖紙信息可在BIM系統的輔助下自動修正，使修正后的設計圖紙質量及精準度更高。設計人員可以對圖紙內涉及到的數據及信息進行細致分析，確保設計方案科學合理，切實滿足建筑工程后續施工及運行要求。

BIM系統內的參數共享功能也可以輔助設計工作高效開展。如在建筑物內螺栓數量與間距設計過程中，通過調節設置參數，可形成新的連接件。加強件及連接件的設計人員只需要繪制大樣，技術人員對相應位置進行參考，就可以找到精準的構件設置位置。

3.2 可視化設計

可視化功能基本上可以視為BIM技術的重要功能體現，應用于建筑結構設計工作當中可實現對三維立體模式的構建與傳達。與此同時，BIM技術可以主動與VR技術進行融合應用，讓設計人員可以在三維立體模型中觀看管線設計情況以及管線碰撞情況，根據實際情況對當前施工建設方案進行適當調整與優化。最重要的是，通過依托于BIM技術的可視化功能可以保障建筑工程項目整體建設流程都處于可視化狀態，除了建筑結構設計之外，還可以體現在施工建造以及運營管理等環節當中，能夠有效增強施工透明度。

以建筑給排水結構設計為例，可視化技術可以在消防泵房以及給水泵房中體現出良好的應用優勢。在具體應用過程中，設計人員可利用可視化功能對未知區域管線布設情況進行可視化分析，根據分析反饋結果，對管線布設所存在的重難點問題進行提前掌握。并按照精細化布設原則，有效控制泵房層高，減少風險隱患問題出現。除此之外，設計人員也可以利用可視化技術功能對給排水施工階段作業流程中的難點問題進行提前識別，通過布置科學合理的應對方案，保障現場施工質量安全。

3.3 碰撞檢測

實現碰撞檢測基本上可以視為BIM技術在建筑結構協同設計中的重要應用表現。與傳統2D圖紙設計明顯不同，設計人員可通過依靠BIM模型對施工環節所隱藏的安全問題以及隱患問題進行重點識別。通過及時查找碰撞問題存在的不足，利用科學合理的方式手段加以排除。與此同時，設計人員可利用BIM模型的可視化特點對重要施工位置如工藝管線以及管道安裝等，提前開展碰撞檢測。根據檢測結果對當前所存在的缺陷問題進行完善處理，盡量將誤差控制在合理范圍內。在管線結構完善方面，設計人員可采取碰撞以及調節等技術方法，對當前管線結構模型的可操作性進行深度研究與分析，盡量減少模型與實際存在的誤差問題。

為確保結構設計與建筑專業方案匹配程度可以達到預期效果，設計人員也可以利用碰撞檢測功能進行檢測分析。在開展碰撞檢測工作期間，設計人員應結合設計方案內容，加強對機電專業設備以及管線布置沖突問題的關注程度。結合以往的經驗來看，如果設計人員要在Revit環境下實行碰撞檢測工作，就必須利用Navisworks軟件作為應用支持。在具體實現過程中，技術人員需要提前構建結構模型機電模型。并將相對應的數據導入到軟件當中，在軟件當中完成碰撞檢測操作。操作完成之后會自動生成檢測報告，根據檢測結果，對機電專業設備以及管線布置沖突問題進行詳細了解。

3.4 參數化設計

基于BIM技術的參數化設計功能對建筑結構設計過程中所涉及到的要素內容進行深度研究與分析。在具體分析過程中，可通過運用函數以及各類算法對全部設計要素所涉及到的參數數據進行整合應用，并生成相應模型。結合當前應用情況來看，可通過運用Revit參數化建模插件方式選取節點，并利用可視化編程方式完成對操作模型各節點參數的控制管理。同時，也可以運用Dynamo軟件，實現對管道穿梁以及墻體開洞過程的控制管理，尤其要重點加強對開洞尺寸的嚴格控制。除此之外，在參數化設計過程中，還可通過運用RevitAPI二次開發功能，對管網損失情況進行重點研究與分析。根據分析結果合理布設管徑，保障管材利用效率得以全面增強。

結語：

總而言之，以BIM技術為核心健全優化建筑結構設計體系已經發展成為當前建筑設計行業予以重點關注的問題。針對于此，在今后的發展過程中，建筑設計行業內部人員應加強對BIM技術以及相關軟件的深度開發與利用強度，保障建筑結構設計水平以及管理決策效果得以深化加強。與此同時，建筑設計人員應該主動立足于建筑智慧建造目標要求，對當前BIM技術在建筑結構設計中所存在的短板問題進行及時補齊。并主動結合BIM技術的前沿發展趨勢，積極將最新技術以及理論方法應用于建筑結構設計當中。相信在建筑設計行業人員的不斷努力下，BIM技術在建筑結構設計領域中所發揮的功能作用將會越來越強。