建筑結構設計中BIM技術應用研究

摘 要：當前，BIM技術的廣泛應用使得其在建筑結構設計中成為不可或缺的一環。 BIM技術可實現建筑結構設計成果可視化、 信息共享化， 為建筑結構設計和建筑工程施工提供有力支撐。 本文在探討BIM技術概念、 應用優勢的基礎上， 深入研究了BIM技術在建筑結構設計建模、 建筑模型三維可視化、 結構模型自動生成、 建筑結構分析、 物聯網集成和施工過程協調管理等方面的應用， 旨在進一步促進BIM技術應用與推廣。

關鍵詞：BIM 技術應用；建筑；結構設計文章編號：2095-4085（2024）09-0122-03

0 引言

建筑結構設計是建筑工程項目建設中的關鍵環節，其質量直接影響建筑工程施工、運營維護。當前，建筑結構設計正迎來變革，傳統二維CAD設計的局限性日益凸顯，而BIM技術的廣泛應用為設計領域帶來了創新性、革命性的變革［1］。基于BIM技術應用，設計團隊可創建三維建筑工程信息模型，整合、管理和分析建筑結構相關數據，實現建筑結構幾何形態、材料屬性、施工工藝及成本預估等數據集成［2］，為建筑工程項目投資決策、設計、施工及圍護提供全方位信息支持和決策依據。同時，基于BIM技術進行建筑結構設計，可實現建筑工程不同專業間協同合作、數據共享［3］。實現了建筑工程各階段信息無縫銜接，有助于提高建筑結構設計質量，降低因建筑結構設計疏漏、錯誤導致的風險。

1 BIM技術概述及特點

1.1 BIM技術概述

BIM（Building Information Modeling）技術最早由AutoDesk公司提出，是一種借助信息技術實現建筑信息集成于三維模型信息數據庫中的新型技術。BIM技術核心即通過集成建筑物構件信息（幾何信息、 專業屬性、 狀態信息等）和非構件信息（空間、 時間、 運動行為等）在三維模型信息數據庫中，實現BIM信息模型中集成整合各類信息、三維展示建筑工程整體效果、構件樣貌、仿真施工過程等。設計團隊、施工單位、運營維護單位可基于BIM信息模型進行協同工作，進而有效提高建筑結構設計效率和質量，降低因建筑結構設計不到位而出現的設計變更、施工錯誤等問題，從而達到優化建筑結構設計、降低施工成本、縮短工期的目的，并為建筑工程項目相關方提供工程信息交換與共享平臺。

2020年7月份，《住房和城鄉建設部等部門關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》（建市［2020］60號）中強調，在建筑工程領域加快建筑信息模型（BIM）、物聯網、大數據、云計算等新技術集成與創新應用。2020年8月份，《住房和城鄉建設部等部門關于加快新型建筑工業化發展的若干意見》（建標規［2020］8號）中指出，大力推廣建筑信息模型（BIM）技術，加快推進BIM技術在新型建筑工業化全壽命期一體化集成應用，實現建筑工程設計、采購、生成、建造、交付、運行維護等階段信息互聯互通和交互共享［4］。

1.2 BIM技術特點

BIM技術具有協同設計、信息集成、信息傳遞、提高設計效率、優化施工過程等特點。

（1）協同設計。當前，建筑結構設計正向協同設計方向發展。即建筑結構設計人員能夠借助BIM信息模型平臺進行交流，可避免因溝通過程不順暢、溝通不及時而造成的設計疏漏、錯誤等問題。同時，基于BIM協同設計平臺，設計人員可迅速響應設計深化設計、設計變更需求。BIM平臺具備自動檢測結構設計碰撞，設計人員可根據設計需求、系統檢測問題進行協同設計，進而顯著提高了建筑結構設計質量。

（2）信息集成。信息技術的發展帶動了建筑結構設計創新，傳統的結構設計弊端日益凸顯。借助BIM技術構建BIM信息模型，可將建筑結構相關數據信息集成到模型中，設計人員基于模型進行建筑結構設計、構件設計，顯著提高了建筑結構設計效率。

（3）信息傳遞。建筑結構設計人員基于BIM技術進行建筑結構設計時，由于建筑結構設計并非一蹴而就，而是反復設計修改、變更、完善的過程。而BIM信息模型能自動記錄反饋修改記錄，有助于后續建筑結構設計人員充分了解和掌握修改、變更設計意圖，實現了建筑結構設計信息的傳遞作用。

（4）提高設計效率。在建筑結構設計中，設計人員基于BIM技術構建三維信息模型，為建筑結構設計師提供了強大的工具與平臺，能夠突破傳統建筑結構二維圖紙設計過程繁瑣、易出錯等問題。結構設計人員可基于構件信息庫快速生成準確的結構模型，可與機電、暖通、電氣等專業進行信息交流、協同設計。BIM信息模型將不同專業設計信息整合到同一模型中，實現了跨學科協同設計和沖突檢測，能夠及時發現和處置潛在設計沖突及錯誤，提高了建筑結構設計的一致性和協調性。系統可自動輸出工程設計圖紙和相關文檔，進而顯著提高了建筑結構設計效率。

（5）優化施工過程。將BIM技術應用于建筑結構設計，能夠解決傳統建筑結構設計時信息傳遞不暢、誤差累積等問題。施工單位基于BIM信息模型可開展施工圖審查、技術交底、施工過程模擬、設計變更反饋等工作［5］。便于施工單位根據施工過程仿真預覽、評估，提前、準確地發現施工難點問題并進行施工技術方案論證及決策。從而實現建筑工程施工資源優化配置、調度，提高了建筑工程資源利用率和施工效率。

2 建筑結構設計中BIM技術應用

在建筑結構設計中，BIM技術應用主要體現在建筑模型三維可視化、結構模型自動生成、建筑結構分析、物聯網集成和施工過程協調管理等方面。

2.1 建筑結構設計建模

在建筑結構設計中，設計人員可根據設計流程進行建筑結構設計與模型分析，并在軟件中對建筑結構力學特征、構件參數進行設計與分析。然后，基于設計成果進行交流和反饋，對建筑結構設計問題進行設計調整與完善，以達到建筑結構設計優化的目的。如在進行混凝土構件設計時，設計人員基于BIM技術和建筑工程相關信息和要求建立信息模型，并通過BIM技術對混凝土構件力學特征進行分析。針對混凝土構件常見裂縫、收縮、變形等通病進行內力分布有限元分析，可根據分析結果進行設計模擬干預。基于模擬分析結果優化混凝土構件設計參數，實現建筑結構設計優化。同時，基于BIM信息模型中的構件基本信息和建筑結構產品數據技術標準進行比對、耦合。還可基于BIM信息模型進行修改、增減、算量統計、圖檔管理惡化規范校驗等操作。

2.2 建筑模型三維可視化

在建筑結構設計中，BIM技術應用日益廣泛，其主要原因是BIM技術可將二維的建筑結構設計圖紙轉化為三維、可視化設計模型，能夠清晰展示建筑結構設計空間布局和外觀效果。基于三維可視化BIM信息模型，建筑結構設計人員和相關方可對建筑結構設計成果進行評估，有利于全面理解感知設計成果空間布局、比例及形態，實現建筑結構設計方案的及時溝通、反饋和修改，進而減少信息傳遞誤差和理解錯誤造成的問題，便于提高建筑結構設計質量。

同時，BIM信息模型可選擇三維展示建筑結構模型的材質、紋理，而傳統的設計圖紙往往無法直觀展示、表達建筑結構設計意圖與構造細節。業主、監理、施工單位可借助BIM信息模型進行設計溝通，提前發現和解決施工難點問題，以避免施工階段因建筑結構設計問題造成的施工材料浪費、工期延誤等問題，進而提高建筑工程施工效率和質量。

2.3 建筑結構設計模型自動生成

傳統的建筑結構設計依賴人工計算，易產生錯誤和疏漏，導致設計準確性不足，并需耗費大量時間進行校驗和修正。而采用BIM技術的建筑結構設計，則通過信息模型集成豐富的構件和參數信息，使設計人員能基于已有構件或輸入參數直接進行設計，系統自動完成計算、生成和更新，極大地提升了設計效率和準確性，減少了人工計算的負擔。

建筑結構設計完成后，系統可輸出施工圖、設計圖。裝配式構件廠家可根據參數化設計成果進行預制構件生產加工；各專業施工單位可根據施工圖紙審圖、施工。針對業主方、施工方提出的設計申請，設計人員變更設計后系統會自動變更相關方設計圖紙，防止了因建筑結構設計成果版本控制延誤而造成的不利影響，提高了建筑結構設計變更響應速度。

2.4 建筑結構分析

BIM技術不僅可用于建筑結構設計，還可用于建筑結構分析。建筑結構分析是建筑結構力學性能和穩定性評估的重要環節。傳統的建筑結構分析主要依賴于人工繪制圖紙和人工計算，往往存在人為計算誤差、結構分析結果不準確等問題。而基于BIM技術的建筑結構分析，可建立三維可視化信息模型，建筑結構分析人員可直觀捕捉、分析建筑結構形態、構件尺寸、連接關系等信息，能為建筑結構分析提供準確的基礎數據。

同時，基于BIM技術構建的三維信息模型可實現各專業信息集成，將高度離散的建筑結構信息集成化。依托各種不同分析工具分析建筑結構力學特征、抗震性能等，如結構動力分析、有限元分析、風載荷分析等，實現了不同分析結果的相互印證、優化，進而提供更為準確、全面的評估結果，在很大程度上簡化了建筑結構設計工作量和過程。

2.5 BIM技術與物聯網集成

當前，隨著信息技術的發展，建筑工程建設與信息技術深度融合，可依托物聯網、智能化技術實現智能建造、智慧建筑設計建設。通過將建筑結構設計與物聯網技術融合，在建筑設計、施工中部署物聯網傳感器，能實時獲取建筑結構力學性能、溫度、濕度、振動等參數信息。綜合建筑結構相關信息，可建立建筑結構數據分析和預測預警模型，如出現建筑結構異常情況時，系統會自動報警，從而保證了建筑結構的穩定性和安全性，實現了建筑結構監控的自動化及系統化［6］。

同時，在建筑工程機電、電氣設備管理維護中，借助數字化儀表、傳感器、監測系統等設備，BIM信息模型可根據預先設置監測策略，能夠實現建筑工程能耗監測、運行狀況監控，可為建筑機電設備運行維護決策、建筑能耗分析與節能降耗決策提供依據。

2.6 施工過程協調管理

在建筑工程施工過程中，基于BIM技術構建的信息模型，建筑結構設計人員可交付完整、全面、準確的設計成果，為建筑工程施工、協調提供有力支持。由于BIM信息模型集成了各專業設計信息、構件參數等信息，分部分項工程施工單位可根據模型進行三維可視化圖紙會審，檢查和發現設計圖紙中存在的管線交叉、碰撞、沖突等問題，并協調相關專業、設計等單位進行設計變更調整和優化，進而有效預防和解決施工沖突問題。

在建筑施工進度計劃的制定與實施中，利用BIM信息模型模擬施工過程，施工單位能直觀把握施工流程，明確工序間的協調與依賴關系。據此，施工單位可靈活調整施工順序，優化資源配置，確保關鍵工序資源充足，從而保證施工進度計劃順利執行。同時，將施工進度計劃與物資采購緊密關聯，編制精準的物資采購計劃，可實現材料采購與施工進度的高效協調，以避免材料過早或過晚到場導致的場地占用或停工等問題，從而確保施工過程各環節順暢溝通。

3 結語

當前，BIM技術的廣泛應用驅動了建筑結構設計模式的創新變革，顯著提升了設計的有效性、準確性和系統性。它不僅彌補了傳統二維圖紙直觀性不足的缺陷，還解決了跨專業設計交叉檢查的難題，大幅減少了設計錯誤和沖突，從而提高了設計方案的可行性和合理性。此外，BIM技術還能促進建筑結構設計成果與施工建造過程的數字化、自動化融合，實現各階段信息的無縫共享和協調銜接，為提升建筑工程結構設計質量和施工質量提供了強有力的技術支持。

參考文獻：

［1］黃馥萱，丁華標，王鵬，等.BIM技術在異形曲面建筑結構設計中的應用［J］.廣東土木與建筑，2023，30（12）：19-21.

［2］房靖超.建筑結構設計中的BIM技術探究［J］.中國住宅設施，2023（11）：160-162.

［3］葛宏亮.BIM技術在裝配式建筑結構設計中的應用［J］.中國建筑金屬結構，2023，22（7）：123-125.

［4］楊茜.基于BIM的可視化技術在超高層建筑結構設計中的應用［J］. 智能建筑與智慧城市，2023（7）：75-77.

［5］余進.BIM與多層次模糊數學法在裝配式建筑結構設計中的應用——以濱湖花園（二區）項目為例［J］.安徽建筑，2023，30（6）：78-80.

［6］陳云鵬.基于BIM技術的高層建筑結構設計應用［J］.住宅與房地產，2023（14）：68-70.