BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

劉杭杭，項炳泉，安東兵，劉勇，樂騰勝

（1.安徽省建筑科學研究設(shè)計院，安徽 合肥 230032；2.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230032）

1 引言

2017年4月26日住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，明確要求加大BIM應(yīng)用和加強國產(chǎn)BIM軟件開發(fā)。BIM（Building Information Modeling）是建筑行業(yè)全過程管理的智能控制系統(tǒng)。設(shè)計階段BIM應(yīng)用能夠提升設(shè)計質(zhì)量，減少設(shè)計錯誤，獲取、分析工程量成本數(shù)據(jù)，并為施工建造全過程提供技術(shù)支撐，為項目參建各方提供基于BIM的協(xié)同平臺。BIM設(shè)計階段是全壽命周期內(nèi)的關(guān)鍵階段，本文依托安徽省建筑科學研究設(shè)計院建筑檢測大廈三星級綠色建筑為工程實例，通過在BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐，淺談BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)勢以及存在的障礙。

2 BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的應(yīng)用

目前，傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是采用PKPM、YJK、MADAS、SAP2000等有限元結(jié)構(gòu)分析軟件進行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計和受力變形分析，然后再將計算結(jié)果導(dǎo)入到CAD中進行結(jié)構(gòu)施工圖的繪制。BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是采用Autodesk Revit Structure軟件建立實體物理模型，然后將實體物理模型導(dǎo)入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析軟件進行結(jié)構(gòu)分析計算，再從分析軟件中導(dǎo)出分析設(shè)計信息，更新實體物理模型和施工圖設(shè)計，BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的目的是為了將結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工圖的繪制二者相統(tǒng)一，實現(xiàn)無縫連接[2]。但是現(xiàn)在市場上宣傳的接口軟件，都是雙向互連的模型中的構(gòu)件必須是常規(guī)的，復(fù)雜的構(gòu)件會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失或不全。所以，在將BIM技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程當中，BIM模型與有限元結(jié)構(gòu)分析模型實現(xiàn)雙向無縫互連問題是影響結(jié)構(gòu)工作者采用BIM的最大的阻力。

3 BIM技術(shù)的應(yīng)用

3.1 項目概況

安徽省建筑科學研究設(shè)計院建筑檢測大廈位于合肥市蜀山區(qū)山湖路567號，總建筑面積為27859 m2（地上建筑面積22265m2，地下建筑面積5594 m2）。建筑高度為88.35m。主要功能：辦公、實驗等，如圖1所示。本項目進行了BIM綠色建筑分析、BIM三維建模、BIM內(nèi)裝設(shè)計、BIM幕墻設(shè)計、可視化展示、4D模擬（3D+進度模擬），不僅深化了設(shè)計、提高了設(shè)計質(zhì)量及工作效率，還減少了后續(xù)施工期間的返工，保障了施工周期，節(jié)約了項目資金。本項目通過了綠色建筑三星級標識，2014年安徽省綠色建筑示范項目，安徽省建筑科學研究設(shè)計院建筑檢測大廈BIM技術(shù)應(yīng)用研究獲得了第二屆中國建設(shè)工程BIM大賽單項獎三等獎。

圖1 項目總平面圖及建筑方案效果圖

3.2 BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用

3.2.13 D參數(shù)化模型的建立

本項目采用Autodesk Revit Architecturer軟件建立了3D參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型。主要步驟有：①根據(jù)樣板文件和結(jié)構(gòu)方案，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)標高；②根據(jù)《建筑工程設(shè)計信息模型交付標準》的相關(guān)規(guī)定建立基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)模型（包括基礎(chǔ)、梁、板、柱、剪力墻、樓梯等構(gòu)件）；③鏈接到各專業(yè)綜合模型中。如圖2、圖3所示。

三維可視化模型，形象地表達了各構(gòu)件之間的空間關(guān)系，每個構(gòu)件信息不僅包含了幾何形狀信息，還包含了大量的非幾何信息，如材料信息、邏輯信息等。鏈接后的Revit三維模型，通過動態(tài)漫游演示可以檢查結(jié)構(gòu)構(gòu)件與設(shè)備構(gòu)件是否發(fā)生碰撞，形成了問題報告，可以更加精確地找出問題點，達到深化設(shè)計的目的，從而優(yōu)化空間設(shè)計，使布局更合理化。如圖4所示。

圖2 結(jié)構(gòu)標高

3.2.2 異形構(gòu)件

BIM族也稱構(gòu)建族，族有著舉足輕重的地位。族分為常規(guī)構(gòu)件族和特定構(gòu)件族。在一個項目模型中，常規(guī)構(gòu)建族可以通過設(shè)定現(xiàn)有的參數(shù)進行控制，從而實現(xiàn)在項目中的獨特性與適用性。而往往項目中無法通過常規(guī)族進行搭建的就必須找到特定族，如果在族庫中存在特定的族庫可以直接調(diào)用，然后進行參數(shù)控制以滿足項目所需。當然族庫不是萬能的，有些項目上需要的族在族庫中可能無法找到直接調(diào)用，那么就需要我們自行創(chuàng)建一個符合項目所需的特定族。本工程項目建模時，有大量的異形構(gòu)件，筆者創(chuàng)建了異形構(gòu)件族，此族可以共享給其他項目直接調(diào)用，節(jié)約了建模時間，提高了設(shè)計效率。如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)異形柱族庫

3.2.3 鋼筋3D可視化

由于BIM技術(shù)“所見即所得”的三維可視化特性和模擬性，鋼筋3D可視化（圖6所示）可以較為詳細的展示鋼筋節(jié)點的細節(jié)部分，對于實際工程中，梁柱截面變化位置，鋼筋搭接長度，箍筋間距變化等細節(jié)情況，在現(xiàn)場施工中，通過附著于整體模型上的三維鋼筋模型指導(dǎo)施工，更容易把握復(fù)雜節(jié)點的鋼筋的空間搭接關(guān)系[1]。這些技術(shù)細節(jié)問題，在設(shè)計方向施工方技術(shù)交底時，施工方能從以往的二維圖紙的理性認識上升到三維實體模型的感性認識上，直觀地認識整個項目的設(shè)計情況，更加有助于施工方對圖紙的理解和對設(shè)計意圖的領(lǐng)會。

圖6 三維鋼筋實體模型

4 BIM在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要問題

4.1 結(jié)構(gòu)計算分析

本項目的初期結(jié)構(gòu)設(shè)計工作在建筑初步方案確定后才開始介入?yún)⑴c工作，使用PKPM軟件結(jié)構(gòu)建模并進行結(jié)構(gòu)分析。BIM中Revit核心建模平臺建立的結(jié)構(gòu)物理模型只是提供示意空間構(gòu)件和協(xié)同其他專業(yè)的三維模型，不能夠進行結(jié)構(gòu)分析及計算，結(jié)構(gòu)分析計算需要依靠其他結(jié)構(gòu)有限元計算軟件的配合來完成，第三方軟件必須要完全實現(xiàn)與Revit模型的完美鏈接。本模型后期采用了完全國產(chǎn)的YJK1.70結(jié)構(gòu)計算軟件進行結(jié)構(gòu)分析計算，但是計算結(jié)果和PKPM計算結(jié)果還是有出入。

4.2 三維鋼筋模型

通過三維實體的形式進行鋼筋的表達其缺點還是有的，由于這種設(shè)計方案需要逐根鋼筋的定位和長度等信息的處理，一些復(fù)雜節(jié)點，就要求結(jié)構(gòu)工程師畫圖需細心，而且工作量很大的，另外，鋼筋信息的增多對電腦顯卡和CPU的要求也比較高。

5 總結(jié)

本項目BIM三維可視化設(shè)計和協(xié)調(diào)，使各專業(yè)工程師從三維的角度去溝通，提高了工作效率及設(shè)計準確度，指導(dǎo)了施工，提高了施工進度，但是本項目在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的最大的阻礙BIM結(jié)構(gòu)物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型沒有實現(xiàn)真正雙向鏈接，沒有最大地發(fā)揮BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)勢。下一步將在結(jié)構(gòu)物理模型與結(jié)構(gòu)分析軟件鏈接方面做進一步研究。BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的發(fā)展將會加速促進BIM技術(shù)進入一個新的時代。