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

白 冰 山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限公司

1 前言

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑工程的初始工作，更是影響工程質(zhì)量、成本、安全性等最主要的因素，因此應(yīng)對(duì)這項(xiàng)工作引起重視，并思考如何才能對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效控制。BIM 技術(shù)是一項(xiàng)能夠通過(guò)可視化手段綜合反映建筑信息的建筑技術(shù)，將這項(xiàng)技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分結(jié)合，利用BIM構(gòu)建建筑模型，然后在模型上逐漸調(diào)整設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，由此就可使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸完善，保證后續(xù)施工的順利進(jìn)行。

2 BIM技術(shù)概述

2.1 含義

BIM 的中文名稱是建筑信息模型，英文全稱為Building Information Model，BIM的含義體現(xiàn)在兩個(gè)方面，分別為工具和過(guò)程。就工具而言，我們可以將BIM模型看成一件工具，是相關(guān)技術(shù)人員結(jié)合建筑工程各項(xiàng)數(shù)據(jù)所制作的三位模型，模型上詳細(xì)記錄著工程數(shù)據(jù)，可為工程管理提供有效指導(dǎo)，因此可以將其看成輔助性產(chǎn)品。就過(guò)程而言，BIM模型從開(kāi)始的建立到最后投入使用有著一整套的詳細(xì)流程，使用過(guò)程中還能分享信息，從而可作為一個(gè)大型建筑資源數(shù)據(jù)庫(kù)使用[1]。多數(shù)人對(duì)BIM的理解都存在偏差，認(rèn)為BIM只是建筑的3D模型，其實(shí)這只是BIM的一方面，BIM不僅具備3D模型的一切功能，同時(shí)也能夠操作、儲(chǔ)存和共享信息，它是建立在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上的新型建筑理念，不僅功能強(qiáng)大，而且資源極為豐富，可創(chuàng)新傳統(tǒng)建筑施工設(shè)計(jì)，促進(jìn)生產(chǎn)效率的不斷提升。BIM分別由產(chǎn)品模型、決策模型、過(guò)程模型等共同組成，三者是BIM的基礎(chǔ)，保障著B(niǎo)IM各項(xiàng)功能的發(fā)揮。

2.2 功能

BIM的概念一經(jīng)提出就獲得了廣泛認(rèn)可，且建筑領(lǐng)域針對(duì)BIM 做了大量研究，對(duì)其功能做了如下總結(jié)。第一，BIM 具有可視化特征，這一特征是BIM最為明顯的，其可在建立模型之后將建筑工程各項(xiàng)細(xì)節(jié)直觀呈現(xiàn)在人們面前，而且可體現(xiàn)在工程的全部環(huán)節(jié)，可讓人們通過(guò)模型直觀感受工程的變化。第二，BIM具有協(xié)調(diào)功能，BIM可以協(xié)調(diào)建筑工程的各項(xiàng)信息，促進(jìn)信息在內(nèi)部的順暢流通，這樣就不會(huì)出現(xiàn)信息不對(duì)稱的問(wèn)題，進(jìn)而令各部門能夠默契配合，使工程進(jìn)行中的各種問(wèn)題都能夠得到迅速解決，進(jìn)而達(dá)到提升施工效率的目的。第三，BIM可模擬性。在工程進(jìn)行期間，可使用BIM對(duì)有可能存在的問(wèn)題進(jìn)行模擬，或者模擬工程在結(jié)束后可能出現(xiàn)的問(wèn)題，從而在設(shè)計(jì)和建設(shè)階段加以控制，這樣便可保證工程質(zhì)量。第四，BIM可優(yōu)化設(shè)計(jì)。建筑工程的復(fù)雜性比較高，如果存在還沒(méi)有完善的內(nèi)容可能難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而通過(guò)BIM 模型可使不完善的部分直觀呈現(xiàn)，然后可通過(guò)操作模型進(jìn)行優(yōu)化。第五，可利用BIM模型詳細(xì)描繪工程管線圖，然后改進(jìn)管線布置方案，以此促進(jìn)建筑功能的完善。第六，利用BIM 可對(duì)工程實(shí)施一體化管理，從設(shè)計(jì)到運(yùn)營(yíng)都可參考BIM模型，極大提升了管理成效。第七，平衡參數(shù)。制作BIM 模型過(guò)程中如果出現(xiàn)了參數(shù)誤差，整個(gè)模型就會(huì)隨之改變，因此結(jié)合模型的變化即可有效控制誤差。第八，BIM 具有完整的信息，且工程邏輯關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系十分完善，能夠顯著提升工程描述的完整性。

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

3.1 應(yīng)用要點(diǎn)與難點(diǎn)

應(yīng)用BIM 技術(shù)開(kāi)展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要明確的要點(diǎn)和難點(diǎn)共有以下幾個(gè)方面：第一，應(yīng)用BIM技術(shù)不能完全拋棄2D設(shè)計(jì)習(xí)慣，并要保證連貫設(shè)計(jì)，明確每個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)形式。第二，相關(guān)人員應(yīng)熟悉BIM模型的應(yīng)用方式，保證將3D模型的作用充分發(fā)揮出來(lái)，必要時(shí)可參考2D效果圖。第三，保證BIM模型數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接。

3.2 碰撞檢查

通常在正式開(kāi)始建筑施工之前都需要結(jié)合圖紙進(jìn)行碰撞檢查，避免不同施工內(nèi)容發(fā)生沖突，導(dǎo)致工程難以順利進(jìn)行[2]。因此，應(yīng)將碰撞檢查體現(xiàn)在BIM模型中，然后利用三維模型開(kāi)展碰撞檢查，達(dá)到減少施工問(wèn)題和降低錯(cuò)誤率的目的。

3.3 轉(zhuǎn)換BIM模型

這一點(diǎn)主要針對(duì)的是結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)分析模型，以某工程為例，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中設(shè)計(jì)人員通過(guò)以下方式開(kāi)展了相應(yīng)工作。第一，向計(jì)算機(jī)中導(dǎo)入建筑模型，這一步使用的軟件為Revit，導(dǎo)入之后對(duì)建筑模型的有效性進(jìn)行分析。第二，完成分析工作且確定模型有效后，在Revit 軟件中導(dǎo)入建筑結(jié)構(gòu)的分析模型，建筑結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建工作就可以基本結(jié)束（見(jiàn)圖1）。但有一點(diǎn)需要注意，為避免丟失數(shù)據(jù)而影響模型的后續(xù)分析和使用，在BIM模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中要合理更改重要數(shù)據(jù)，同時(shí)視圖比例應(yīng)以1：1 進(jìn)行控制，避免出現(xiàn)過(guò)大的圖片輪廓線，隨后再詳細(xì)分析有可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，以保證后續(xù)工作可以順利進(jìn)行。

圖1 Revit轉(zhuǎn)換模型

3.4 預(yù)埋件設(shè)計(jì)

建筑施工必然會(huì)涉及各種類型的預(yù)埋件，而且預(yù)埋件的數(shù)量還比較多，因此一定要在設(shè)計(jì)階段做好預(yù)埋件的布置工作。但由于預(yù)埋件的布置較為復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)工作提出了很高要求，為了保證后期施工質(zhì)量，可以利用BIM 模型布置預(yù)埋件，先在模型上明確各種預(yù)埋件位置、數(shù)量等。比如，科學(xué)選擇和布置吊鉤形預(yù)埋件、確定預(yù)埋件的位置等，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)提前了解預(yù)埋件布置要求，然后將布置要求也體現(xiàn)在BIM 模型中。另外，應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)梁板、墻體等部位的預(yù)埋件，避免在施工過(guò)程中出現(xiàn)預(yù)埋件和梁板等施工發(fā)生沖突的情況。以圖2 為例，該圖是利用BIM 模型設(shè)計(jì)的預(yù)埋件，在模型上科學(xué)規(guī)劃了預(yù)埋件洞口，保證了后期預(yù)埋件施工的順利開(kāi)展。

圖2 BIM預(yù)埋件布置

3.5 鋼筋設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中雖然已經(jīng)普遍運(yùn)用了BIM 技術(shù)，但鋼筋設(shè)計(jì)一直是弱項(xiàng)，大多數(shù)軟件都無(wú)法和鋼筋設(shè)計(jì)充分融合。對(duì)此，筆者結(jié)合某酒店建筑對(duì)此做了簡(jiǎn)要分析。該酒店高達(dá)150m，建筑面積為4萬(wàn)平方米，設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的鋼筋軟件為Proconcrete，BIM軟件為Revit，從鋼筋規(guī)格選擇、配筋等入手構(gòu)建了鋼筋設(shè)計(jì)的BIM模型，如圖3所示。設(shè)計(jì)過(guò)程中首先全面分析工程信息，同時(shí)構(gòu)建整體的鋼筋設(shè)計(jì)模型，最后將模型相應(yīng)位置和具體數(shù)據(jù)與工藝進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后再優(yōu)化改進(jìn)不符合要求的部分，最后完成BIM的鋼筋設(shè)計(jì)[3]。

圖3 BIM鋼筋設(shè)計(jì)

3.6 框架設(shè)計(jì)

在BIM 模型中對(duì)框架尺寸進(jìn)行確定，為保證框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使框架在地震影響下不至于損毀，不應(yīng)選擇過(guò)強(qiáng)的框架梁，因此將鋼筋混凝土框架柱控制在6m到8m之間即可。如果對(duì)空間的要求比較高，可以模型中采用大柱網(wǎng)的設(shè)計(jì)形式，但要注意，選擇這種形式必須明確標(biāo)注梁柱截面尺寸。如果是飯店、醫(yī)院等小空間、多墻面型的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在模型中選選擇小柱網(wǎng)梁截面。

設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)在模型中體現(xiàn)出框架梁中心線和柱中心線的重合，如果二者不能重合,應(yīng)測(cè)試柱子偏心是否會(huì)受到梁荷載的影響[4]。為了梁軸線和柱軸線的偏心距能夠得到合理控制，同時(shí)又能很好地承托墻，可在這部分設(shè)計(jì)中標(biāo)明處理方法，比如可使用挑板承托的方式。實(shí)際偏心距應(yīng)以柱截面為基礎(chǔ)進(jìn)行控制，具體應(yīng)控制在柱截面的1/4.如果抗震要求高，同時(shí)偏心距無(wú)法控制在1/4，就應(yīng)在模型中明確處理辦法，比如通過(guò)增設(shè)梁水平加腋等，但同樣要測(cè)試梁荷載對(duì)柱子偏心的影響情況。

總之，設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)在BIM 模型中明確框架形式，比如橫向承重、縱向承重、雙向承重等，另外由于地震和風(fēng)對(duì)框架的影響大多都是側(cè)方向作用力，因此還要對(duì)框架的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)加以明確。關(guān)于柱網(wǎng)尺寸的設(shè)置，在框架高度方向和各層平面應(yīng)保持一致，同時(shí)避免偏心過(guò)大。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極為重要的工作，對(duì)后續(xù)施工質(zhì)量有很大影響，而使用BIM技術(shù)開(kāi)展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可保證設(shè)計(jì)工作的穩(wěn)步進(jìn)行，為后續(xù)施工提供有效參考。本文首先對(duì)BIM 技術(shù)作了簡(jiǎn)單闡述，隨后分析了BIM 技術(shù)在預(yù)埋件、鋼筋、框架等方面的應(yīng)用，以期為相關(guān)人員提供一些有價(jià)值的參考，進(jìn)而為建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供動(dòng)力。