BIM技術在現代建筑工程結構設計中的應用研究

劉 威

傳統建筑工程結構設計多以圖紙形式展示建筑模型，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術突破了此種局限，其使用三維數字技術將建筑信息模型立體化呈現出來，同時建筑工程的各項參數信息與細節也直觀可見。不僅如此，BIM 技術還能完整儲存建筑工程設計、施工、拆除以及改造階段涉及的數據信息，為以后的工程管理提供有價值的參考依據。目前，BIM 技術除了應用在建筑工程領域，還廣泛應用于橋梁、道路、城市排水等領域。

1 BIM 技術在現代建筑工程結構設計中的應用優勢

1.1 減少設計與施工誤差

BIM 技術在建筑工程結構設計中的應用，首先，要在施工前用計算機繪制出與建筑工程一致的虛擬模型，將建筑工程的墻體結構、鋼筋分布、骨架結構等直觀立體地呈現出來。其次，動態測試建筑工程的相關數據信息，并將測試結果輸入模型中，觀察數據輸入后建筑模型產生的變化。最后，結合模型變化規律提出調整工程結構設計方案[1]。通過此種技術手段有利于減少設計方案與實際施工之間存在的誤差。

1.2 提升施工效率與質量

建筑工程施工單位以往都是根據計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）圖紙來確定施工要求，然而建筑工程實際施工情況與平面設計圖紙的設計標準存在一定差距，無法切實保障工程施工的整體質量。且后續還會涉及CAD圖紙、結構設計方案的調整，無形中增加了人力與資金的投入，延長了施工周期，無法保障建筑工程的經濟效益[2]。應用BIM 技術能夠靈活調整建筑模型中的各項數據，確保數據信息的統一性，也可間接提升建筑工程的施工效率與質量，促使施工單位收獲預期的經濟效益與社會效益。

1.3 實現工作的自動交接

在傳統的建筑工程施工模式中，其中任何一個環節的數據或設計圖紙發生變化，均會不同程度影響建筑工程整體的施工進度。另外，設計圖紙與施工現場存在出入的情況也時有發生，必然會增加工程的安全隱患，嚴重時甚至會導致停工。將BIM 技術應用到建筑工程結構設計中，可使各項工作自動完成交接，因為系統中任意一項建筑虛擬模型的數據發生變動，其他相關數據也會隨之發生改變。工作人員核實所有數據信息無誤后，便可將建筑模型的設計圖紙打印出來，作為后續施工的依據，從而達到提高建筑工程施工測量的準確性、確保工程質量以及提高經濟效益的目的[3]。

2 BIM 技術在建筑工程結構設計中的應用要點

BIM 技術以3D 數字技術為基礎，通過采集建筑全生命周期的數據，完成建筑三維立體模型的構建。相對于傳統建筑結構設計，BIM 技術的應用更為高效，通過建立信息模型在施工、維護等過程中進行信息化交流，保證決策的科學性和有效性。

由此可見，BIM 技術構建了一個集成化的管理體系，將其應用到現代建筑工程結構設計環節，能夠大幅減少規劃、建設、監理的工作量，有效保證監理工作質量，將工程風險降到最低。

2.1 結構整體設計中的應用

在建筑工程結構整體設計中，BIM 技術的運用集中體現在平面布局、施工方案兩個方面。首先，積極引入Revit Architecture 軟件系統（下文簡稱RA），通過模擬三維場景進行場景平面布局。其次，采用多種材料構建建筑的不同結構形式，待完成三維建模后，便可結合模型形態與設計意圖反復推敲其中的參數，最終得到有價值的數據[4]。以工業建筑裙樓為例，在利用BIM 技術實施結構設計的過程中，可以嘗試安裝玻璃幕墻，設計為六邊形、不等邊矩形，使建筑立面具有現代化特色。考慮到裙樓是對塔樓的擴展，可采用3層弧形結構，利用RA 系統的可視化功能完成整個建筑的整體布局。

2.2 碰撞設計中的應用

在建筑工程空間位置的碰撞設計過程中，利用BIM 信息模型可以完成草圖模型的精細化加工，切實保證所建信息模型的完整性。

在實際應用中，由于碰撞方案模型涉及大量的基礎信息，因此在設計時要注意層數的設定，并通過創建柱圖和制作墻體來生成梁、柱、板。采用RA 設定建筑的最大疊加層數，保證層數設定科學可靠的同時，通過構建柱狀網絡進一步完善柱圖體系。在繪制墻面時，需要將對應參數輸入墻壁設置模塊中。幕墻制作中采用RA 工具包，通過選擇參照線的方法構建幕墻的平面、豎直度以及室內標高。

此時，BIM 模型的主題內容已經基本設計完成，梁柱、板件等建筑主體結構的參數也在模型中逐一得到優化。在工業建筑設計時，應充分考慮其高承壓、高強度等特性，此類結構的截面要大于普通截面[5]。采用BIM 技術的目的就是要合理控制鋼筋混凝土構件的截面高度，減少配筋率，避免梁柱交接位置的鋼筋過于集中，為工程施工提供便捷條件，從而提高混凝土梁柱節點的施工質量。

2.3 結構參數設計中的應用

在結構參數設計中應用BIM 技術，要求與已有的三維建筑信息模型相結合，依托Revit Structure 構造出結構分析模型和鋼筋信息模型。對管線設備來說，在工業建筑工程結構設計中運用Revit MEP，需要增加參數設計，將建筑工程建設目標以參數化形式體現在BIM 模型中，并建立統一的連接。

然而，考慮到建筑工程中包含的專業、項目繁多，需要通過BIM 技術協調各項工作，特別是設備管線設計的碰撞檢測環節更是必不可少。因此，在結構參數的優化中要著重拓展碰撞檢查的覆蓋面。對于一些重要部位，應將管道布置圖輸入信息模型中，然后按照設計圖生成建筑結構和設備專業的三維模型，以便實施不同專業的碰撞測試，并出具碰撞報告[6]。

現代建筑工程內部結構復雜，可以嘗試利用四維動畫模擬施工，或者進行結構建造和其他方面的工作。以復雜節點設計為例，由于工程結構中的節點位置比較復雜，鋼筋數量較多，因此可以利用BIM 進行空間實體建模，并按照設計圖紙加固復雜節點，然后在鋼筋錨桿上定位三維位置。利用三維模型可以迅速獲取隱藏信息，防止鋼筋在交叉和碰撞時出現空間不足的情況，同時也能顯示出錯綜復雜的節點施工工藝，做好現場施工指導與管理工作，全面推進精細化管理，降低質量與安全隱患，有效提高建筑施工技術的管理水平。

2.4 不同階段視圖設計中的應用

BIM 技術在不同階段視圖設計中的應用各有側重點。在建筑工程三維透視效果圖生成階段，利用BIM 技術能夠輔助生成透視圖，并通過應用構造工具協同完成建筑結構的建模與透視圖的構建。在建筑工程平面圖生成階段，采用平面圖窗口進行編輯，通過三維建模的方式繪制出頂視圖，虛擬呈現二維建筑圖形，并在此基礎上設定多次剪切面方位，即可繪制出各樓層的平面圖。

在建筑工程剖面圖與立體圖生成階段，各項要素都基于三維建模生成，并以此為基礎構造出新的模型，而且支持實時查看、編輯、修改。其關鍵在于保證剪裁面的設置科學合理，以二維圖形的形式進行編輯、修改、處理，與平面圖方案相配合實施自動調節。例如，有辦公區域、加工區域、員工宿舍等的工業樓宇，采用板式樓梯結構，既能保證建筑美觀，又方便現場施工。但在設計時，必須保證梯梁下部的空間滿足設計要求，要利用BIM 技術進行視圖設計，避免因高度不足而發生碰撞。

3 BIM 技術在現代建筑工程結構設計中的具體應用策略

構件之間、構件與設備之間、設備之間的科學設置，以及構件與電纜開槽關系調節等均屬于現代建筑工程結構設計所要關注的內容，且建立建筑模型、構件荷載、剪力墻計算以及施工程序優化等也是結構設計階段的重點。將BIM技術應用到上述工作內容中，不僅有助于降低工作人員的設計難度，而且可以很好地解決構件碰撞問題，切實保障建筑結構的科學穩定性。

3.1 建立建筑模型

由于建筑工程內部結構復雜，難度系數高，因此在正式施工前需要構建一個完善的模型，用作建筑工程的研究依據。BIM 技術的三維化功能主要體現在三維立體模型的構建方面，通過將建筑內部結構要素之間的關聯性直觀呈現在模型中，工作人員可以認真研究其中的細節，這樣既能確保審核工作質量，同時也讓工程結構最終的設計結果與現場環境、施工要求、客戶需求相契合，為后續工程施工奠定堅實基礎。

3.2 結構部件碰撞試驗

建筑由墻、柱、梁、板等多種結構部件組成，而建筑工程又具有復雜性特點，構件之間、構件與設備之間、構件與線纜布局之間的影響必不可少，若不注意則會造成嚴重后果。以地鐵建筑工程為例，構件間的碰撞、構件與車輛間的碰撞都是造成安全隱患的重要因素。一般情況下，結構構件的碰撞實驗都是以二維平面圖作為推算依據，推算盲區的問題無法避免。BIM 技術利用多種參數反復驗算構件，可以清晰發現潛在的沖突，讓工作人員直接觀察到構件之間的關聯，將盲區范圍控制到最低。例如，上海國家會展中心考慮到構件、設備的復雜特點，積極引進BIM 技術開展綜合碰撞實驗，促使建筑施工得以順利有序推進，有效規避了后續返工、施工變更等問題。

3.3 構件荷載計算

BIM 技術模型中，不同類型構件的荷載都有計算公式，工作人員僅需按照要求將構件尺寸、材料配比、材質標準以及質量標準等數據信息輸入模型中，便可直接得出梁、墻、頂、板的具體荷載，進而保證構件更加可靠且穩定。在BIM 技術系統內，Revit 屬于較為普遍的軟件之一，該軟件操作簡單、計算便捷，大大降低了設計難度。

例如，北京商務中心區的“中國尊”，該工程的外部幕墻工程非常龐大，在實際施工階段正是利用BIM 技術進行幕墻荷載的精準計算，才最終呈現出壯觀別致的建筑外部造型，成為我國一項經典的精品工程。上海中信大廈也是將BIM技術應用到工程結構設計階段，綜合計算地基承載力、地基荷載。

3.4 剪力墻計算

在建筑整體結構中，由于剪力墻具備抗震、抗風荷載、抗變形等性能，能夠抵御地震、颶風等產生的剪切力，因此成為保證建筑結構穩定與品質的重要因素。

剪力墻構造施工前，應提前計算混凝土與鋼筋配比，這樣才能確保剪力墻的剛度。常規計算方式中，需要將已知因素逐一代入公式中，計算流程煩瑣、難度高、耗時長。BIM 技術則截然不同，程序已設定好計算公式，僅需直接輸入參數即可輕松獲得剪力墻的相關數據。

3.5 規劃建筑空間

精心規劃建筑空間的目的是確保建筑工程施工成果與實際情況相適應，最大程度利用有限空間。建筑空間受地形地貌、土壤構成等多種因素影響，因此在實施規劃前需要現場勘查與科學分析地形特征，綜合考量地形的坡度、坡高、斜率等參數。通過利用信息化技術功能，以BIM 模型為載體直接輸入參數，然后結合模型計算結果針對性規劃建筑空間，并以三維立體形式呈現建筑內外結構與周圍空間，最后測試調整空間規劃方案。此種方式能夠有效避免后續施工階段因空間不足問題造成不必要的經濟損失。

3.6 優化結構施工程序

建筑工程結構設計要求工作人員梳理清楚結構構件的施工順序，將安全、質量、成本、進展等問題納入考慮范疇，演示施工工序后便可生成切實可行的施工方案，為后續的施工管理提供重要依據。以江蘇省蘇州市的中南中心為例，該建筑高達729 m，施工難度系數很大，建筑結構主體較多，使得結構設計難度增加。因此，在確定施工事宜之前便引進了BIM 系統，通過技術加持來模擬構件施工程序，有效保證了工程質量。

4 結語

在建筑工程結構設計過程中，為進一步保障設計過程的科學合理性，需要積極引入BIM 技術，大幅提升建筑工程的設計效率、質量以及精準度，有效控制資金成本投入，將設計周期縮減到最短。因此，需要掌握BIM技術的應用要點，有意識、有規劃地將該項技術應用到建筑模型構建、結構部件碰撞試驗、構件荷載計算、剪力墻計算、規劃建筑空間以及優化結構施工程序等環節，提高建筑結構的設計水平，使建筑的功能更加完善。