基于BIM 技術的建筑項目數字化設計與仿真研究

宋 怡

（江蘇省淮陰商業學校，江蘇 淮安 223003）

我國經濟持續快速發展，給建筑行業創造了一個非常好的發展機遇。隨著各個城市的興起和擴建，各類建筑如雨后春筍拔地而起，為工業生產、市民生活、商業經營和娛樂活動提供了必要的場所。隨著建筑項目的規模和工程量不斷擴大，繼續使用原有的施工技術，不僅會導致工期無法滿足要求，還可能導致更多的資源浪費、建筑成本增加、工程收益降低[1]。BIM（Building Information Modeling）技術是一種新型的建筑施工技術，運用計算機技術對建筑工程各種相關信息進行建模并形成數字化存儲，運用相應的數據挖掘方法、信息處理手段、計算仿真技術，可以可視化地展示建筑項目的三維結構、參數優化過程、成本合理性分析和施工進度模擬過程等，可以大大提升建筑項目的施工進度、大大優化建筑項目的資源配置、大大降低建筑項目的施工成本[2-3]。因此，進行基于BIM 技術的建筑項目數字化設計與仿真研究，具有十分重要的意義。

1 建筑項目仿真樣例與BIM 軟件選擇

為了便于闡述BIM 技術如何在建筑項目的數字化中進行應用，首先設定一個建筑項目的仿真案例。這個案例以某城市主干街道的一個人行天橋為假想設計對象，相關結構要求和參數要求均以此為背景產生。從這個人行天橋的結構來看，采用鋼拱結構為主體，對主干街道形成南北向跨越，具體參數指標見表1。

表1 本文中建筑項目仿真樣例的相關參數

為了實現主干街道人行天橋這一建筑項目樣例的BIM 仿真設計，需要選擇合適的BIM 軟件。BIM 技術本身是一種理念、模式或者框架，能實現BIM 設計的軟件和平臺有很多。而完整BIM 設計包括很多流程，并不是只完成建筑項目的三維數字化設計即可，還需要配合數據庫軟件、優化軟件等共同完成建筑項目的設計、施工、后期管理等綜合任務。所以，一個建筑項目的完整BIM 數字化設計，需要多個軟件的協同配合。

這里，主要明確主體軟件的選擇。在橋梁類建筑項目的BIM 設計中，Revit 軟件、Tekla 軟件、Bentley 軟件都是可供選擇的軟件。3 款軟件相比較而言，Revit 軟件操作簡單、數字化設計結果精確，但對于特別復雜的模型構建存在一定不足；Tekla 軟件不容易操作，并局限于某一類的結構建模；Bentley 軟件可以實現復雜結構建模，但建模過程復雜煩瑣。對于本文中的主干街道人行天橋，其結構并不復雜，因此選擇Revit 軟件作為BIM 設計的主體軟件。為了完成主干街道人行天橋的完整BIM 設計，除了選擇Revit 軟件用于建筑項目結構的三維數字化設計，還分別選擇了Lumion 軟件用于Revit 軟件設計結果后期的可視化渲染，Project 軟件用于人行天橋施工進度的規劃測算，Navisworks 軟件用于人行天橋施工進度的仿真模擬，Bimfilm 軟件用于人行天橋施工工序的演示和視頻剪輯等。

2 建筑項目的BIM 參數化設計

人行天橋這個建筑項目的結構雖然不復雜，但也包含了非常多的設計內容，如果每一個局部、每一個組成單元都單獨設置，會導致BIM 設計過程中出現非常大的工作量。因此，對于各個局部、各個組成單元中具有共同屬性的參數進行統一設置，在進一步地修改中統一進行更新，就會大大加快BIM 設計和優化的過程。因此，參數化設計是BIM 數字化設計中非常重要的內容。

通過參數化設計，可以大大減少設計工作量和BIM 軟件的運算量。尤其是，BIM 技術可以通過族概念的參數化設計，對同一族內的構件進行統一的幾何形態設置和屬性配置，真正達到了“一處修改全局更新”的效果。本文中，應用到的參數化設計類型結構和組成情況，如圖1 所示。

圖1 人行天橋BIM 設計中的參數化結構和組成

從圖1 中可以看出，人行天橋BIM 設計中的參數化設計包含3 個層次，第一個層次中包含了常規參數、項目參數、族參數和共享參數4 個子項。其中，常規參數這一子項可以拓展到第二層次，其第二層次又分為文字類型的參數、數值類型的參數、整數類型的參數和材質類型的參數；項目參數這一子項沒有到第二層次的拓展；族參數這一子項可以拓展到第二層次，其第二層次又分為族類型參數、族實例參數，其中，族類型參數這一子項可以拓展到第三層次，其第三層次又分為幾何參數、非幾何參數，而族實例參數這一子項也可以拓展到第三層次，其第三層次也分為幾何參數、非幾何參數；共享參數這一子項可以拓展到第二層次，其第二層次又分為幾何參數和非幾何參數。

通過圖1 所構建的參數化設計樹，可以將總體設計任務沿著參數維度進行逐步的拆分和細化，最終具體到一個個參數化設計的具體內容，從而完成BIM 數字化整體的參數化設計。

3 建筑項目BIM 三維建模

運用BIM 技術進行建筑項目的數字化設計，主要是為了視覺上直觀地看到建筑項目設計好之后的三維展示效果。因此，對于本文中主干街道人行天橋的BIM設計，要給出其三維的數字化模型及其相關參數。而這一部分的數字化模型，在人行天橋建成后也會在真實世界中一直存在，所以稱之為永久結構模型。除了進行人行天橋實體的三維模型數字化設計，BIM 技術還希望通過數字化處理模擬仿真出天橋的施工工序和整個施工過程，以便對人行天橋的實際建造給出最為直觀的展示，進而判斷其合理性并改善其中的不足。所以，除了永久結構模型的數字化設計，還需要對施工過程中的臨時模型進行數字化設計，以便形成后續的施工過程動畫展示。

對于主干街道人行天橋的永久結構模型數字化設計，主要包括主拱結構部分的數字化設計、橋主梁結構部分的數字化設計、拱橫梁結構部分的數字化設計、橋面橫梁結構部分的數字化設計、橋面挑梁結構部分的數字化設計、吊桿結構部分的數字化設計、橋面支撐結構部分的數字化設計和橋墩結構部分的數字化設計。對于主干街道人行天橋的臨時施工模型數字化設計，主要包括安裝支架結構部分的數字化設計、生活區域結構部分的數字化設計、施工機械結構部分的數字化設計。除了臨時施工所用的器具，還需要對臨時施工的場地進行數字化設計。

據此，得到建筑項目BIM 三維建模的主要單元組成，如圖2 所示。

圖2 人行天橋BIM 三維建模的主要單元組成

如圖2 所示，在進行各個單元的三維建模過程中，除了數字化的模型結構，還要將每一個單元的參數信息添加于其中以滿足前述的參數化設計要求，如各個單元的屬性參數、標高參數、坐標軸參數和參照平面參數等。這樣，每一個數字化結構單元就擴展成了族信息包，分別是主拱結構部分的族信息包、橋主梁結構部分的族信息包、拱橫梁結構部分的族信息包、橋面橫梁結構部分的族信息包、橋面挑梁結構部分的族信息包、吊桿結構部分的族信息包、橋面支撐結構部分的族信息包、橋墩結構部分的族信息包、安裝支架結構部分的族信息包、生活區域結構部分的族信息包和施工機械結構部分的族信息包。

至此，本文得到主干街道人行天橋的三維數字化設計效果，如圖3 所示。

圖3 主干街道人行天橋的三維數字化設計效果

從圖3 可以看出，運用BIM 技術得到的三維數字化設計效果，直觀地展示出了人行天橋設計出來以后的結構和外觀。橋面橫架在兩側橋墩之上，橋面兩側有主拱護衛和支撐，2 個主拱之間通過均勻排布的橫梁連接。

4 建筑項目BIM 施工分解

根據BIM 技術完成主干街道人行天橋的三維數字化設計以后，可以借助BIM 技術進一步進行施工階段的分解，分解結果見表2。

表2 人行天橋的BIM 施工階段分解

從表2 中可以看出，第一列是人行天橋項目BIM 數字化模型的版本，第二列對應了每一個模型完成的施工內容，第三列對應了每一個模型完成所用的施工工期，第四列對應了施工的起始時間，第五列對應了施工的完成時間。可見，在BIM 數字化技術之下，人行天橋項目的每一個施工階段和內容都變得非常明確。

5 結論

BIM 技術是建筑項目數字化設計和施工仿真的重要手段。本文以主干街道人行天橋建筑項目為研究案例，在給出其具體的工程參數要求之后，選擇了BIM技術的實現軟件。在人行天橋建筑項目BIM 參數化設計中，將整個內容細化為常規參數、項目參數、族參數和共享參數4 個子項并逐級細分。對人行天橋建筑項目的永久結構模型、臨時施工模型，進行了三維數字化設計并給出了視覺展示效果。依托BIM 設計過程和結果，對人行天橋建筑項目進行了施工周期的分解，明確了每一個階段的施工內容。