關于建筑結構設計中BIM 技術的應用

倪靜

（安徽寰宇建筑設計院，安徽 合肥 230000）

0 引言

改革開放以來，我國建筑行業隨著經濟的飛速增長在持續快速發展，但建筑行業的結構設計過程中仍然存在很多的問題和缺陷，這些問題和缺陷主要體現在設計軟件不夠完善、建筑結構設計的程序不夠規范。第一個問題主要體現在建筑行業在使用BIM 技術的同時會用較多輔助軟件，但因為BIM 技術進入我國時間尚短，很多的軟件使用的是盜版或者簡化版本，不能很好地輔助BIM 技術發揮作用，應用效率不高。另外，建筑結構設計程序不夠規范的問題，主要是因為我國建筑設計行業起步較晚，設計流程不夠科學。在我國建筑結構設計各個子項目中，大多都是不同專業的人單獨完成自己的領域，子項目之間缺乏合理溝通，在遇到一些疑難問題時不能統籌解決，造成項目滯后、浪費項目資金的后果。且即使保證了各個子項目之間的進度統一性，也無法保證各個子項目之間的工作人員能夠進行有效技術信息交流，進行聯動設計，極易導致施工項目返工，使得項目整體的難度系數加大[1]。

1 BIM 技術概述

20 世紀90 年代末，CAD 技術在我國快速推廣，改變了傳統圖板手工繪圖的設計方法與生產模式，將設計人員從傳統設計計算、反復手工改圖中解放出來，將更多精力放在專業問題處理與設計方案優化上。但是，21 世紀以來隨著建筑結構種類與構件構造形式的變化，二維表達方式的局限性凸顯，目前BIM 技術的推廣應用為建筑工程設計、施工與管理提供了新的技術思想。BIM，中文翻譯為建筑信息模型，是信息技術在建筑行業發展的必然結果，結構設計作為建筑設計階段的重要環節，傳統設計方式已經無法滿足設計需求，BIM技術的推廣應用既是機遇也是挑戰。

從建筑結構設計流程來看，主要分為4 大階段，分別為方案設計、結構計算、施工圖繪制以及碰撞檢查，基于CAD 的二維設計方法下，上述4 大階段是相互獨立的，各階段之間缺少必要的配合，以至于結構設計專業內容無法實現協同設計，缺少必要的溝通交流。同時，由于CAD 是基于二維點、線、面的幾何組成，無法承載構件材料屬性、空間位置、鋼筋直徑、混凝土保護層等建筑結構構件基本數據信息，對此設計各參與方必須根據二維圖紙構想三維空間模型，且需手繪各種視圖（平立剖），此過程需耗費大量的精力，且容易出現錯誤，后期修改過程長、難度大，存在設計周期長、效率低下等問題，甚至影響后期正常施工。現代建筑結構設計中，通過BIM 技術的應用可發揮共享性、可視化、模擬性、協調性等作用，具體優勢可歸納為如下4 點。

（1）共享性?；贐IM 技術在建筑結構設計中的應用，可充分利用信息化的手段消除傳統意義上的信息壁壘，協同各方同時參與設計。同時，通過信息數據的實時共享與修改，有利于減少變更，提高設計效率，縮短設計周期。

（2）可視化。建筑結構設計中，借助BIM 技術可通過建模將結構設計方案立體展示出來，設計人員可直觀查看結構設計單元，尤其是管道、走線等可實現跟蹤觀察，切實減少安全、質量隱患。

（3）模擬性。建筑結構三維建模的同時可推演建筑結構的預處理，對所有的建筑結構單位相關數據加以演算，提前預檢測施工過程中出現的碰撞問題，并模擬關鍵工序，全面把握施工進度與質量管理工作，同時還可渲染建筑施工效果，統一組織框架構圖。

（4）協調性。與CAD 技術相比，BIM 技術不僅實現了建筑結構的可視化，還可動態展示建筑模型成型過程，設計人員可據此調整結構設計方案，同時各個部門可將工程相關信息輸入BIM 軟件，實現設計方案優化與協調管理。

2 BIM 技術在建筑結構設計中的應用

2.1 建筑結構和場地環境分析

企業在對建筑的結構進行設計的過程中應遵循一定的原則，其中的原則主要體現在安全性和穩定性兩個方面，目的是滿足人們對于房屋建筑安全性的需求。在建筑結構設計時利用BIM 技術衡量建筑結構的合理性，能有效提高建筑的穩定性和安全性。同時，利用BIM 技術對建筑工程施工地周圍的地形進行分析，對比先前設計的建筑結構方案，能找到雙方在某個設計點出現的屬性沖突，并以此優化設計方案。企業有條件的情況下也可以將施工工地周圍的地質結構、地質情況等信息輸入BIM 系統，利用BIM 系統綜合分析施工條件、地質影響、氣候影響等客觀因素，用長遠的眼光看待建筑結構設計和施工場地環境之間的內在聯系，確保在施工過程中不出現意外，保障施工的安全和效率。除此之外，BIM 技術也可以分析項目對于環境的總體影響，將項目對施工工地周邊的生態環境污染降到最低[2-4]。

2.2 結構可視化設計

BIM 技術的三維技術能將各種抽象的設計信息匯總并生成較為具體的三維圖像數據。這種三維圖像能為建筑結構設計人員全方位展示設計成果，將各種細節問題放大。如設計人員可以對建筑構件的大小、方位以及采用的材料進行追溯，并對發現的問題進行綜合性分析。同時，BIM 可視化的技術特點也能讓設計師用肉眼觀察建筑結構設計中可能存在的漏洞，利用BIM技術觀察建筑結構的總體結構布局，使設計師在進行結構設計時更加富有張力，幫助設計師更好地發揮自己的實力。

同時，可視化特點能夠更好地確保制定出的結構設計方案更加符合實際情況，能在發現不合理的因素后快速對問題原因進行調查，并對設計中不合理的部分進行及時補救。由此可見，BIM 技術在建筑結構可視化中發揮著巨大作用，利用BIM 技術進行建筑結構設計，不僅能提升設計效率，也能規避大量設計風險，提高設計總體質量[5]。

2.3 準確計算結構設計參數

設計人員在對建筑結構進行設計的過程中往往涉及大量的數據計算和數據分析，BIM 技術能將各種相互關聯的數據進行串聯，并主動提醒設計者哪些設計的數據存在異常，幫助建筑結構設計者找到設計中存在的問題。為了提升設計的質量，建筑結構設計人員可以利用BIM 技術對數據進行宏觀聯動更新，避免在人為修改設計內容過程中造成修改誤差，更大程度上保證工程設計的內容和設計要求一致。

建筑結構設計人員可以通過建立BIM5D 關聯數據庫，準確快速計算工程量，提升施工預算的精度與效率，將BIM 應用在算量中。對于建筑結構設計而言，為保障設計成果的最終質量，設計人員可以采用BIM 技術對要計算的數據進行變量控制，對各種不同的數據按照設計要求進行梳理，以增強結構設計的合理性。以預制結構為例，為了避免設計結果和后期施工過程中發生建筑結構變形和結構裂痕，應對預制材料各方面的物理數據進行科學計算，預測形變量的范圍，從而滿足各種設計要求[6]。

2.4 優化房屋建筑形體結構

建筑結構的設計優化不僅僅是對房屋的結構進行優化，同時也要對建筑的外形形體進行合理化設計，從而達到更高層次的設計要求。就此而言，BIM 技術能在對建筑結構優化設計的同時提高建筑的穩定性和安全性，并根據要求對建筑的布局、外觀進行合理化設計指導，確保建筑外形既符合當下人們對建筑審美的要求，又能通過建筑的外形對房屋結構設計進行補充。設計人員可以利用BIM 技術科學地調整建筑內部的創新設計，在原有結構優化的基礎上對建筑內部的布局和形狀進行調整，提高設計完整性。設計人員還可利用BIM技術收集建筑選址、建筑布局、周邊環境、氣象條件等綜合信息，讓設計人員通過這些信息重視建筑外形對整體結構設計的影響，利用建筑的外形解決一些結構設計中存在的問題和困難。同時，BIM 技術也能對一些特殊結構進行設計調整，如對連續性結構以及桿系結構BIM 優化設計，保障其發揮設計預想功能的同時不破壞房屋外形的美觀性，增強房屋外觀和結構設計之間的緊密性。

2.5 實現建筑節能設計

建筑節能設計是結合建筑本身的結構特點，對建筑周圍自然資源進行合理的運用。建筑節能設計主要有室內采光設計、室內通風設計等方面，在建筑節能設計的過程中，通過BIM 技術的有效應用，可以更加清晰地掌握信息數據庫，同時也能呈現出可視化的動態設計圖，利用BIM 技術實現建筑與自然環境的有機結合，充分利用自然采光環境優化建筑物的采光，實現建筑物在采光方面的節能效果。另外，建筑物會受到本身的建筑結構、所處環境以及建筑物朝向等因素影響室內的通風設計，而若在設計過程中應用BIM 技術進行模擬，可以對影響建筑物室內通風設計的因素進行充分的掌握和分析，建筑設計人員將周邊環境數據通過BIM 技術輸入系統數據信息庫，然后再根據當地的自然環境狀況，如日照、氣候等環境的分析，從而設置出建筑參數值，結合數據對建筑設計進行分析調整，使得建筑物周邊環境得到有效的利用，以最優質的設計結構與設計比例實現建筑無采光節能設計，并有效提升建筑工程結構設計質量與水平。

3 建筑結構設計中BIM 技術的功能要點

多專業一體融合的BIM 設計功能能為設計人員帶來建筑外形、結構、內部設備等具體參數的直觀化體驗。其所建立的建筑結構三維立體模型能最大程度地避免因結構問題導致的建筑安全隱患。各專業的設計人員可以通過服務器或者其他可移動終端對設計文件進行權限內編輯，滿足建筑、結構、設備等不同專業的跨專業的相互獨立又互為整體的施工需求。在建筑結構設計過程中，BIM 技術通過匯總設計子方案提供的設計信息，組合成專業的綜合數據模型，方便各專業設計人員對不同領域信息進行了解，為各專業設計人員能更高效地進行溝通和協調提供必要條件。在整個過程中，設計人員也能根據BIM 技術生成的各種回饋信息發現專業設計中的錯、漏處和不足，優化設計圖紙，減少設計中的不可預測性。

同時，BIM 技術作為現代互聯網科技的衍生產品，其在從業者的不斷開發下逐漸具備了同時接收多終端信息，并對不同種類的信息進行實時匯總并處理的能力。這一能力能在如計算工程量之類的BIM 數據模型時最大限度優化資源配置，有效縮減各專業人員數據統計的時間，從而提高房屋結構設計的效率。設計人員通過BIM 技術將相關的數據錄入數據庫，為自己工作提供便利的同時，別人也可以通過訪問數據庫查詢的方式獲得自己想要的數據信息，實現了數據信息資源的共享，設計人員可以通過參考數據庫提供的數據信息及設計成果等得到建筑設計方面的啟發，從而不斷優化自己的設計方案，使得建筑設計方案更加的科學、合理、全面，這也在一定程度上促進了我國建筑設計水平的提升。在互聯網快速發展的大背景下，大數據及云計算等技術的出現，也為BIM 技術的信息管理及功能的提升提供了更大的空間，BIM 技術在建筑設計中的應用，以及設計數據信息共享功能的實現，有效地促進了我國建筑結構設計水平及設計效率的提升。此外，通過軟件之間的數據傳輸，可以實現多個設計項目之間的聯動，有力保障了諸多大型建筑及其配套設施的建筑結構設計工作。

4 結語

BIM 技術作為當前建筑結構設計中的新興技術，還有很多細節需要不斷地進行優化。但就目前BIM 技術在我國建筑設計領域的應用而言，能較大程度地提高建筑工程的整體設計效率和設計質量，并能借助BIM 技術可視性、綜合性的特點，優化建筑內部結構布局以及外部形體，優化建筑結構，提升建筑安全性和穩定性。對整體提升我國建筑行業生態環境，發揮著不可替代的積極作用。因此，建筑設計人員要提高對BIM 技術重視程度，不斷提升BIM 技術在建筑結構設計中的應用水平，促進我國建筑行業的健康發展。