淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)的應(yīng)用

王玉 董凌

【摘要】在現(xiàn)代化建筑中，涌現(xiàn)出諸多形式新穎、造型奇特的建筑設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)或巧妙或復(fù)雜，設(shè)計(jì)則往往十分困難。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方法已不適用于現(xiàn)階段的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展開研究，以BIM的顯著特征及建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的普遍問題作為論述的出發(fā)點(diǎn)，總結(jié)和探討B(tài)IM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);BIM;應(yīng)用策略

BIM是一項(xiàng)創(chuàng)建或利用數(shù)字模型進(jìn)行建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和管理的技術(shù)，對(duì)于建筑設(shè)計(jì)來說，BIM是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和流程，為設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供了智能化、數(shù)字化的信息交換平臺(tái)，具有設(shè)計(jì)協(xié)同、參數(shù)化、模擬、分析管理等功能。在現(xiàn)階段的國(guó)內(nèi)外建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，BIM技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，不少學(xué)者認(rèn)為，BIM技術(shù)是未來數(shù)字化、信息化建筑行業(yè)必不可少的一項(xiàng)技術(shù)，在許多建在現(xiàn)代化建筑中，涌現(xiàn)出諸多形式新穎、造型奇特的建筑設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)或巧妙或復(fù)雜，設(shè)計(jì)則往往十分困難。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方法已不適用于現(xiàn)階段的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，本文主要對(duì)BIM這一技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展開研究，以BIM的顯著特征及建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的普遍問題作為論述的出發(fā)點(diǎn)，總結(jié)和探討B(tài)IM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。在建筑設(shè)計(jì)企業(yè)，BIM技術(shù)是建筑項(xiàng)目各方信息進(jìn)行及時(shí)有效傳遞和交換的平臺(tái)[1～2]。

1.BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

簡(jiǎn)單來講，BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中最主要的優(yōu)勢(shì)就是能運(yùn)用三維數(shù)字模型進(jìn)行建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)管理。

1.1建筑項(xiàng)目BIM模型具有可視化的優(yōu)勢(shì)

可以進(jìn)行實(shí)體建模，完成建筑項(xiàng)目的三維實(shí)體模型，通過三維立體形式來展示實(shí)體建筑信息，突破了以往通過二維施工圖紙去想象三維建筑實(shí)體的限制，使得建筑項(xiàng)目各部門或各專業(yè)之間在可視化的實(shí)體模型中進(jìn)行溝通、討論和決策。

1.2建筑項(xiàng)目BIM模型具有信息集成的優(yōu)勢(shì)

通過形成整個(gè)建筑工程所有階段的數(shù)據(jù)性文件，匯總建筑模型信息，例如幾何信息、物理信息、空間結(jié)構(gòu)信息、建筑材料構(gòu)件信息、建筑材料數(shù)量及屬性信息等，形成龐大的建筑模型，信息數(shù)據(jù)庫(kù)形成龐大的建筑模型，信息數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了建筑設(shè)計(jì)過程的集成化，信息的統(tǒng)一化。

1.3建筑項(xiàng)目BIM模型具有可模擬性優(yōu)勢(shì)

通過BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)建筑模型處于不同條件環(huán)境下的狀態(tài)進(jìn)行模擬，例如進(jìn)行建筑模型的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)，來進(jìn)行多維的觀察，再例如可以進(jìn)行受力模擬、日照模擬、節(jié)能模擬、熱傳導(dǎo)模擬、施工進(jìn)度模擬，來進(jìn)行建筑的影響因素模擬與思考。

1.4建筑項(xiàng)目BIM模型具有可傳遞性與協(xié)同性優(yōu)勢(shì)

具體就是BIM技術(shù)軟件應(yīng)用程序可對(duì)圖紙、鏈接等進(jìn)行自動(dòng)修改，當(dāng)程序出現(xiàn)某項(xiàng)數(shù)據(jù)或內(nèi)容的修改后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將信息傳導(dǎo)到相關(guān)聯(lián)的圖元中去，進(jìn)行反饋與更改。并且基于可傳遞性，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員、施工人員、經(jīng)營(yíng)者、業(yè)主之間的高效溝通。

2.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的普遍問題

目前，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的普遍問題是仍沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和管理模式，受到二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的較大局限。具體表現(xiàn)為：

2.1設(shè)計(jì)方法的局限

傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程和管理，采用二維施工圖繪制方法，其須分別從平面、剖面，進(jìn)行各個(gè)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件間的布置表達(dá)與繪制，不僅設(shè)計(jì)工作量大，設(shè)計(jì)效率低，還可能因?yàn)槭苤饔^因素影響出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

2.2設(shè)計(jì)手段的局限

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模計(jì)算需要在不同軟件系統(tǒng)中完成，若出現(xiàn)需要修改和調(diào)整的地方，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模計(jì)算中反復(fù)切換與修改，降低了設(shè)計(jì)效率。

2.3涉及管理問題的局限

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管理，設(shè)計(jì)監(jiān)管不到位，常會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中施工圖不按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)繪制、忽視自檢校對(duì)現(xiàn)象的出現(xiàn)，導(dǎo)致施工圖內(nèi)容、布局不完善。

3.基于BIM技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用策略

3.1建筑結(jié)構(gòu)模型的可視化應(yīng)用

在進(jìn)行一些大型建筑設(shè)計(jì)或獨(dú)特造型建筑設(shè)計(jì)時(shí)，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方式不能將復(fù)雜的或獨(dú)特的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)建準(zhǔn)確地表達(dá)出來，例如結(jié)構(gòu)的空間位置信息。對(duì)此，可以利用BIM技術(shù)進(jìn)行三維建模，將復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)或異性的建筑結(jié)構(gòu)，以三維建模的方式體現(xiàn)其空間位置，直觀、準(zhǔn)確而真實(shí)地將結(jié)構(gòu)構(gòu)建信息、空間位置及模型展現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前，更加真實(shí)地反映建筑物的面貌，便于進(jìn)行多角度、多距離的觀察，然后對(duì)建筑構(gòu)件的功能布局以及構(gòu)件與構(gòu)件之間的空間聯(lián)系進(jìn)行更準(zhǔn)確的分析，進(jìn)而判斷建筑設(shè)計(jì)構(gòu)建尺寸及空間位置的合理性，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，并且可視化的結(jié)構(gòu)模型觀察起來十分方便，易于解讀，大大提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率。

3.2建筑結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)化應(yīng)用

在建筑結(jié)構(gòu)模型中，常見的結(jié)構(gòu)構(gòu)件有基礎(chǔ)、梁、柱、板、墻等，傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要花費(fèi)大量的時(shí)間及精力在這些結(jié)構(gòu)構(gòu)建的繪制與信息匯總中，使得設(shè)計(jì)工作量相對(duì)較大。而BIM 技術(shù)具有強(qiáng)大的參數(shù)化功能，可以進(jìn)行三維模型及模型相關(guān)信息的參數(shù)化表達(dá)，將二維設(shè)計(jì)中的點(diǎn)、線、面等元素轉(zhuǎn)化為三維設(shè)計(jì)中的梁、柱、板、墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并且應(yīng)用“族”概念，將重復(fù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件統(tǒng)一結(jié)合起來，將同族結(jié)構(gòu)單元的幾何信息、邏輯信息、材料屬性等參數(shù)信息包含在同一族內(nèi)，并且將個(gè)體構(gòu)件的所有特征，構(gòu)件、構(gòu)件之間的簡(jiǎn)單或復(fù)雜關(guān)系集中起來，讓數(shù)字化的構(gòu)件模型與現(xiàn)實(shí)中真正的構(gòu)件結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)。在BIM軟件中，只需選擇相應(yīng)的構(gòu)件族，設(shè)置其實(shí)例參數(shù)，然后根據(jù)軸網(wǎng)坐標(biāo)將其放置到指定位置即可完成該建筑結(jié)構(gòu)的BIM模型創(chuàng)建，后續(xù)再根據(jù)需要搭建主體BIM模型，提高設(shè)計(jì)工作的效率。

另外，BIM技術(shù)的參數(shù)化功能還可提高設(shè)計(jì)工作的修改效率。參數(shù)化的BIM模型，其信息均保存在軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中，這一參數(shù)化的形式數(shù)據(jù)庫(kù)，具有強(qiáng)大的參數(shù)修改功能，設(shè)計(jì)人員提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的文字、符號(hào)的任何修改時(shí)，BIM數(shù)據(jù)庫(kù)都會(huì)隨之改變，然后迅速地在BIM模型中表現(xiàn)出相應(yīng)的變化，保證了BIM模型與相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)一致，通俗來說，就是可進(jìn)行聯(lián)動(dòng)修改提高設(shè)計(jì)修改的效率。

3.3 BIM技術(shù)中的鋼筋表達(dá)

鋼筋表達(dá)指的是鋼筋混凝土框架在BIM建模中的三維虛擬表現(xiàn)，可以得到準(zhǔn)確的鋼筋尺寸與定位，可視化隱蔽工程，感受建筑結(jié)構(gòu)的真實(shí)信息，進(jìn)行混凝土鋼筋的算量。但同時(shí)，當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)施工圖均為平面圖，以及受目前計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的限制，建筑結(jié)構(gòu)模型鋼筋的表達(dá)方式會(huì)有所不同。目前BIM技術(shù)中主要采用實(shí)體與詳圖表達(dá)鋼筋以及平法注釋表達(dá)鋼筋兩種方法。實(shí)體與詳圖表達(dá)鋼筋可以對(duì)鋼筋的信息進(jìn)行三維立體表達(dá)，便于確定鋼筋的位置、形式、尺寸，并且通過三維視圖隱蔽阻擋鋼筋的混凝土參數(shù)，對(duì)隱蔽部位的鋼筋信息進(jìn)行觀察。但這種表達(dá)方式對(duì)電腦硬件要求十分高，比較占用施工圖紙，設(shè)計(jì)工作量較大。而平法注釋表達(dá)鋼筋則是進(jìn)行構(gòu)件的鋼筋信息賦值，使其與構(gòu)件形成一體，并通過注釋進(jìn)行提取和交換分析，其優(yōu)點(diǎn)是可以在一張圖紙上表達(dá)多個(gè)鋼筋信息，圖紙簡(jiǎn)潔，缺點(diǎn)則是需要進(jìn)行三維效果想象，表達(dá)沒有實(shí)體詳圖表達(dá)那么直接。兩種表達(dá)各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)工程需要進(jìn)行選擇。

3.4 BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中的應(yīng)用

BIM技術(shù)能夠提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，有很大原因使其能在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多個(gè)階段進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。基于BIM技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段。其設(shè)計(jì)工作的重心為建立結(jié)構(gòu)模型，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)圖紙的聯(lián)動(dòng)高效修改，以及模型數(shù)據(jù)進(jìn)行信息的傳遞與更新，及時(shí)、協(xié)同且高效。

3.4.1方案設(shè)計(jì)階段流程

具體流程為：實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本條件/建筑專業(yè)方案模型→結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)建?！Y(jié)構(gòu)計(jì)算分析→結(jié)構(gòu)專業(yè)校審→編輯組合模型→專業(yè)協(xié)調(diào)→完成。方案設(shè)計(jì)完成后步入下一階段：初步設(shè)計(jì)階段。利用BIM技術(shù)后，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在這一階段的提前參與，將結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的方法、表達(dá)方式從紙質(zhì)說明過渡到結(jié)構(gòu)模型表達(dá)，并可以作為建筑設(shè)計(jì)方案的重要組成部分應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)的審批交付中。

3.4.2初步設(shè)計(jì)階段流程

具體流程為：按報(bào)告和載荷信息/建筑初步模型→結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)建模→結(jié)構(gòu)計(jì)算分析→結(jié)構(gòu)專業(yè)校審→編輯組合模型→專業(yè)協(xié)調(diào)→完成。初步設(shè)計(jì)階段完成后步入下一階段：施工圖設(shè)計(jì)階段。這一階段，在前一階段的BIM結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模，各專業(yè)可協(xié)同設(shè)計(jì)。

3.4.3施工圖設(shè)計(jì)階段的流程

具體流程為：項(xiàng)目實(shí)際地基條件、雪荷載條件、風(fēng)荷載條件、地動(dòng)參數(shù)/建筑施工圖模型→結(jié)構(gòu)施工圖建模→結(jié)構(gòu)計(jì)算分析→結(jié)構(gòu)專業(yè)校審→編輯組合模型→專業(yè)協(xié)調(diào)→BIM結(jié)構(gòu)施工模型生成/部分二維施工圖深化設(shè)計(jì)→BIM結(jié)構(gòu)施工模型審核/二維施工圖校審→完成。這一階段通過一系列的專業(yè)校審、協(xié)調(diào)與修改，對(duì)BIM結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了一系列的修改和調(diào)整，進(jìn)而得到完整的BIM結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)模型。

4.總結(jié)

總的來說，BIM技術(shù)是一項(xiàng)能提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的技術(shù)，具有可視化、信息集成、可模擬性、可傳遞性與協(xié)同性等諸多優(yōu)勢(shì)，具體可在建筑結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)中進(jìn)行可視化應(yīng)用、參數(shù)化應(yīng)用、鋼筋表達(dá)、流程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)功用和施工現(xiàn)場(chǎng)分析應(yīng)用。當(dāng)然，BIM技術(shù)尚處發(fā)展中，其在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)還有更多未知功能等待進(jìn)一步的探索。

參考文獻(xiàn)

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【南京工程學(xué)院校級(jí)科研基金，引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目，YKJ201836，基于LCA的預(yù)制裝配混凝土建筑（PC）碳排放仿真量化方法研究】

（作者單位：1.南京工程學(xué)院 ?2.南京工業(yè)大學(xué)）

【中圖分類號(hào)】TU201.4

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1671-3362（2020）10-0070-02