建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中BIM技術(shù)的應(yīng)用研究

趙志強

（貴陽市建筑設(shè)計院有限公司，貴州 貴陽 550000）

在傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計時無法看到設(shè)計結(jié)果的立體模型，所以其中存在的一些問題就無法及時被發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致在建筑工程施工過程中會出現(xiàn)各種各樣的問題，從而影響到建筑施工質(zhì)量。BIM技術(shù)的應(yīng)用，可使這些問題得到有效解決，能提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學合理性。

1 BIM技術(shù)簡介

社會經(jīng)濟的發(fā)展會帶動建筑行業(yè)的發(fā)展，而建筑行業(yè)的發(fā)展又會推動社會經(jīng)濟的發(fā)展。隨著人們對建筑物的性能要求越來越高，在建筑設(shè)計中，為滿足人們對建筑物的性能要求，就需要增加建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。要豐富建筑結(jié)構(gòu)形式，就需要做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)的工作。但是，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需要大量的信息，信息越全面，設(shè)計出的結(jié)構(gòu)功能越完善。BIM是規(guī)模很大的三維平臺，其能夠?qū)⑴c建筑工程有關(guān)的信息集成起來，并對信息進行傳遞。在建筑產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程中，都可以對此技術(shù)加以利用，既能縮短建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)周期，又能降低工程建設(shè)成本，使工程建設(shè)安排更加合理。BIM技術(shù)能將建筑結(jié)構(gòu)的二維設(shè)計轉(zhuǎn)化為三維設(shè)計，通過數(shù)字模型，還能對整個建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程進行監(jiān)管，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)及經(jīng)營環(huán)節(jié)的成本都得以降低，有利于促進建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 建筑結(jié)構(gòu)中BIM技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 可實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的可視化

在以往的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計師一般會借助CAD軟件來完成，但是CAD軟件只能建立二維形式的建筑模型，屬于平面模型，不具有立體模型的優(yōu)勢。通過對BIM技術(shù)的應(yīng)用，能夠構(gòu)建出建筑結(jié)構(gòu)三維模型，實現(xiàn)整個建筑結(jié)構(gòu)的可視化，比CAD軟件更具優(yōu)勢。并且，由于BIM軟件具有可視化功能，因此其能夠動態(tài)地展示建筑模型。設(shè)計師可根據(jù)數(shù)據(jù)的變化情況，實時調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，在現(xiàn)有方案基礎(chǔ)上，對建筑結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而達到更好的設(shè)計質(zhì)量。

2.2 可提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的協(xié)調(diào)性

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中通過對BIM技術(shù)的應(yīng)用，可提高設(shè)計工作的協(xié)調(diào)性。整個設(shè)計工作并不是單靠設(shè)計師就能完成的，還需要其他部門人員的參與。因此，各部門之間的協(xié)調(diào)工作就顯得十分重要，如果協(xié)調(diào)性不好，就會影響到設(shè)計質(zhì)量，BIM技術(shù)可使這一問題得到很好的解決。比如，各部門可將部門與工程有關(guān)的信息錄入到BIM軟件中，通過軟件的共享功能，設(shè)計師就可看到這些信息。而動態(tài)地展示建筑結(jié)構(gòu)模型，能幫助設(shè)計師在此基礎(chǔ)上適當?shù)卦黾右恍┡渲?。與此同時，參與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的人員，可通過移動終端，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行調(diào)整，使其更加符合設(shè)計需要，從而確保整個設(shè)計工作能夠順利地進行。

2.3 可實現(xiàn)對建筑模型的碰撞檢查

傳統(tǒng)的二維圖紙無法反映出建筑結(jié)構(gòu)中個體與個體之間的碰撞，以致有的設(shè)計人員在對建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，會直接忽略碰撞問題。BIM技術(shù)能夠呈現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的三維圖像，以便設(shè)計人員進行碰撞檢查，使建筑結(jié)構(gòu)中存在的硬碰撞和軟碰撞都得到很好的消除。如此，設(shè)計圖紙的質(zhì)量會提高，建筑施工過程中的返工率就會明顯降低，有利于減少建筑工程的建設(shè)成本。

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

3.1 工程概況

某建筑工程為一食品包裝間，建筑總面積為3750m2，在對建筑物進行設(shè)計時，其耐火等級為2級。該建筑分地下2層和地上8層，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主要用于食品加工，設(shè)計使用年限為50年。在對建筑物的抗震設(shè)防烈度進行設(shè)計時，要求其要能夠達到7度。

3.2 建立結(jié)構(gòu)模型

在對該建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，需要先創(chuàng)建結(jié)構(gòu)幾何模型，在此過程中會形成以Revit軟件為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析模型，連接的位置為節(jié)點處，連接過程是自動進行的。由于建筑采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，所以在建立BIM模型時，需要用到以下4個基本元素：第一，結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件；第二，梁；第三，結(jié)構(gòu)柱；第四，結(jié)構(gòu)板。建立模型需要按照一定的步驟進行：第一步，需要將結(jié)構(gòu)樣板文件選擇出來；第二步，與建筑專業(yè)BIM模型鏈接起來；第三步，先創(chuàng)建軸網(wǎng)，再創(chuàng)建標高；第四步，根據(jù)前面幾步操作，選擇適合本建筑結(jié)構(gòu)的樣板文件，同時制作與之相關(guān)的構(gòu)件族；第五步，布置好混凝土柱和梁；第六步，將混凝土樓結(jié)構(gòu)板創(chuàng)建好；第七步，對建立好的模型進行全面檢查，如果發(fā)現(xiàn)有不合理之處，及時調(diào)整。在構(gòu)建好模型后，對視圖顯示樣式進行調(diào)整，可得到初步的模板圖，轉(zhuǎn)換層平面布置圖如圖1所示，Revit結(jié)構(gòu)中的專業(yè)物理模型如圖2所示。

圖1 樁位平面布置圖

圖2 結(jié)構(gòu)專業(yè)物理模型

在建筑模型中需要對標高進行設(shè)置，當需要修改物理模型的某個部分時，應(yīng)先對標高作出準確定位，以免出現(xiàn)標高差。這是因為在軟件中雖然帶有族，但其并不能滿足設(shè)計過程中的所有要求。所以，在結(jié)構(gòu)信息模型中建立相關(guān)的異性構(gòu)件時，要單獨建立對應(yīng)的族文件，并在族文件中定義各構(gòu)件族的屬性參數(shù)。在建筑結(jié)構(gòu)中對BIM技術(shù)進行應(yīng)用時，隨著項目的增加，族庫會逐漸趨于完整，其中的信息量也會變得很大。初始形成的模型中并沒有結(jié)構(gòu)屬性，需要將結(jié)構(gòu)面板利用起來，將相關(guān)參數(shù)及屬性添加在其中，這樣，在項目瀏覽器中就可以看到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)平面圖，還可以看到三維視圖，圖中會對相關(guān)的屬性進行分析。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)分析

圖3 Revit 2016調(diào)整模型

建筑結(jié)構(gòu)安全性分析是非常重要的環(huán)節(jié)，在實施具體分析時，需要結(jié)合不同的軟件，一是ETABS 2013結(jié)構(gòu)計算軟件，二是Revit 2016軟件。在這兩個軟件的共同作用下，能夠?qū)?shù)據(jù)進行雙向鏈接操作，使兩個軟件中的數(shù)據(jù)能夠互傳。然后，通過計算這些數(shù)據(jù)，就可以判斷建筑結(jié)構(gòu)是否安全。Revit 2016調(diào)整模型如圖3所示。這類分析結(jié)構(gòu)模型，會在軟件中自動生成。在對模型進行分析時，大部分的構(gòu)件都可按照定義進行轉(zhuǎn)換，成為分析模型，而此模型是通過線和面來表現(xiàn)的。如果結(jié)構(gòu)中存在著不能進行轉(zhuǎn)換的構(gòu)建，可使其變得更加簡單，但在對結(jié)構(gòu)進行整體計算時，不會考慮到這些部分，只要在分析模型中融入荷載信息即可。

例如，在整體結(jié)構(gòu)計算中，需要對樓板部分進行處理。在具體的處理過程中，需要先做出設(shè)定，將樓板視作剛性樓板。在平面內(nèi)，樓板會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，通過對此變形進行控制，就可計算出層間的位移角，再采用其他的方式就可以計算出配筋。如果剛性樓板不能在Revit中進行假定，可在ETABS中導(dǎo)入模型，然后再進行假定。在整體計算中，一般不需要考慮樓梯的梁、柱和踏步，樓梯間的荷載會施加在板厚為0的樓板上，施加的位置為樓板的開洞處。此外，在對建筑結(jié)構(gòu)進行分析時，還應(yīng)進行PKPM建模對比、分析層間位移角、計算扭轉(zhuǎn)周期與平動周期的比值以及剪重比對比等。

3.4 設(shè)計施工圖

在設(shè)計施工圖時，要先確定好配筋參數(shù)。結(jié)構(gòu)軟件中會出現(xiàn)相關(guān)的分析結(jié)果，在這些結(jié)果中，可設(shè)計鋼筋混凝土構(gòu)件的配筋及其參數(shù)，并利用新創(chuàng)建的字體來表達鋼筋符號，如表1所示?；炷镣ǔ２捎肅30，強度特征值、容重、徐變系數(shù)分別為20.10、26kN/m3、2。梁和柱選用的是HRB335帶肋鋼筋，其箍筋則選用的是HPB300光面鋼筋，如果需要對實際的配筋進行調(diào)整，就需要將配筋與理論配筋計算出來。

表1 鋼筋符號的輸入和輸出顯示

在具體繪制施工圖時，要先創(chuàng)建共

享參數(shù)，即在Revit實現(xiàn)從一方共享到另一方。在Revit中自行創(chuàng)建參數(shù)，采用的文件格式為.txt，如果要在Excel中打開文件，只需要復(fù)制出共享參數(shù)文件，并修改文件后綴為.csv即可。鋼筋混凝土三維模型如圖4所示。

圖4 鋼筋混凝土三維模型

3.5 碰撞分析

碰撞主要有3種類型。一種是硬碰撞，即碰撞的對象為兩個實體，兩者會在空間中重合；一種是軟碰撞，即碰撞的對象仍然為兩個實體，兩者不會在空間中重合，但會因為空間和間距過小，達不到施工要求；還有一種為副本碰撞，即兩個完全相同的構(gòu)件，會在空間上完全重合，一般只會在計算鋼、水泥量時才會出現(xiàn)這種情況，這樣可以避免因?qū)ν粯?gòu)件進行二次計算導(dǎo)致的成本增加。由于建筑圖紙、結(jié)構(gòu)圖紙和MEP圖紙都具有很強的專業(yè)性，是分別由對應(yīng)的專業(yè)部門完成的。在完成圖紙設(shè)計后，在綜合模型中放入各個專業(yè)模型，就能將碰撞位置確定出來。Revit軟件具有碰撞檢測功能，Navisworks也具有此功能，后者能夠?qū)⑶罢邔?dǎo)出的.nwc格式模型進行整合。

4 結(jié)束語

綜上所述，BIM技術(shù)可實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的可視化，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的協(xié)調(diào)性，還能對建筑結(jié)構(gòu)進行碰撞檢查，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有明顯的優(yōu)勢，能提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量。因此，在實際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中對BIM技術(shù)進行應(yīng)用時，要根據(jù)實際的需要，收集與建筑工程有關(guān)的信息，對這些進行整合，建立相應(yīng)的建筑模型，通過分析對建筑結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而達到更好的設(shè)計效果。