基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與土建算量一體化研究

黃 瑩 韋智睿、2

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 545004；2.廣西建工集團(tuán)第五建筑工程有限責(zé)任公司，廣西 南寧 545001）

建筑信息模型技術(shù)的理念是創(chuàng)建并利用數(shù)字化模型對(duì)建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)全過(guò)程進(jìn)行管理和優(yōu)化[1]。許多學(xué)者致力于通過(guò)BIM 技術(shù)改善傳統(tǒng)工程算量模式的不足，尤其在設(shè)計(jì)階段與工程算量階段的BIM模型互通還不夠完善，因此，本文通過(guò)一個(gè)大型項(xiàng)目設(shè)計(jì)模型與預(yù)算模型的數(shù)據(jù)對(duì)比，探尋設(shè)計(jì)階段與算量階段的問(wèn)題所在。

1 BIM下的設(shè)計(jì)與算量

1.1 BIM輔助設(shè)計(jì)操作流程

BIM在我國(guó)發(fā)展迅速，在建筑工程的各個(gè)領(lǐng)域都有涉及，以下特別概述BIM在設(shè)計(jì)階段和造價(jià)中算量階段的運(yùn)用。

利用BIM 設(shè)計(jì)軟件，對(duì)于常規(guī)的建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)的操作如下：第一步，在服務(wù)器（或公用電腦）上建立用于交互的中心文件，其余各專業(yè)人員將在中心文件進(jìn)行上傳與提資；第二步，建筑專業(yè)從方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)開(kāi)始，設(shè)計(jì)并建立建筑模型后，再設(shè)置好各分專業(yè)的工作集，包括結(jié)構(gòu)、水電暖等設(shè)備專業(yè)；第三步，各專業(yè)完成建模后，互相提資反饋確認(rèn)；最終建筑專業(yè)確認(rèn)后，完成初步設(shè)計(jì)模型的建立。

1.2 基于BIM的算量模式

1.2.1 關(guān)于BIM算量的相關(guān)研究

我國(guó)諸多學(xué)者致力于對(duì)BIM 算量展開(kāi)研究，侯獻(xiàn)語(yǔ)總結(jié)了BIM 技術(shù)在三維算量過(guò)程中存在的問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題分析了其原因并提出了三維算量發(fā)展的建議措施[2]；在中國(guó)市場(chǎng)上主流的支持BIM 算量的軟件分為兩類，一種是基于開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)（open connectivity，ODBC）原理對(duì)BIM 軟件二次開(kāi)發(fā)的算量軟件，如斯維爾；另一種是基于應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）的模式，將BIM 模型的格式轉(zhuǎn)換為算量軟件自身可識(shí)別的格式文件，提取BIM 工程量信息至專業(yè)計(jì)價(jià)軟件中就算工程量，如廣聯(lián)達(dá)[3]；王亮等針對(duì)現(xiàn)有的兩種算量模式的可靠性展開(kāi)研究，用廣聯(lián)達(dá)土建算量的GCL 模型作為準(zhǔn)確工程的來(lái)源，分別于三種方式得到的BIM 模型量值做對(duì)比分析[4]。

1.2.2 BIM輔助算量

傳統(tǒng)造價(jià)模式的特點(diǎn)是工作量大、業(yè)務(wù)流程煩瑣且計(jì)算精度要求高。理論上，通過(guò)BIM 設(shè)計(jì)模型傳遞至算量階段從而生成的BIM 算量模型，可以將設(shè)計(jì)信息比較完整的傳遞至算量階段。造價(jià)人員可以直接使用BIM 設(shè)計(jì)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)完成工程量的計(jì)算工作，在此基礎(chǔ)上掛接施工做法和套相關(guān)定額。減少了重復(fù)建模的步驟，并將機(jī)械化的算量過(guò)程交予計(jì)算機(jī)完成，可讓造價(jià)人員減少一定的工作量，在一定程度上提高了造價(jià)階段的效率。

1.3 設(shè)計(jì)算量一體化目前存在的問(wèn)題

工程造價(jià)管理的基本要求是工程計(jì)量的準(zhǔn)確性。直接導(dǎo)入BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行算量，與廣聯(lián)達(dá)內(nèi)建模型數(shù)據(jù)相比較，發(fā)現(xiàn)工程量的誤差較大，無(wú)法達(dá)到一體化的基本要求?；诖耍治銎渲写嬖诘膯?wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)算量一體化的操作模式，就顯得尤為必要。

2 基于BIM算量分析方法與指標(biāo)

根據(jù)行業(yè)內(nèi)學(xué)者的研究，將Revit 模型轉(zhuǎn)換成GFC 文件格式導(dǎo)入廣聯(lián)達(dá)算量軟件比轉(zhuǎn)換成IFC文件格式更加匹配[4]。所以，此處針對(duì)算量模式可靠性的分析方法是：在傳統(tǒng)算量模式中，利用廣聯(lián)達(dá)BIM 土建計(jì)量平臺(tái)GTJ2018 軟件（后簡(jiǎn)稱GTJ）建立GTJ模型，其對(duì)應(yīng)的工程量數(shù)據(jù)信息為基準(zhǔn)，對(duì)轉(zhuǎn)化成GFC格式的Revit模型導(dǎo)入GTJ后的工程量數(shù)據(jù)信息，用準(zhǔn)確性（評(píng)定指標(biāo)為量差百分比q）進(jìn)行對(duì)比分析[4]。準(zhǔn)確性公式：

其中q為準(zhǔn)確性；a為直接在GTJ 軟件中建立的GTJ 模型工程量（下述均稱GTJ 模型工程量）；b為Revit 轉(zhuǎn)換成GFC 格式導(dǎo)入GTJ工程量（下述均稱BIM設(shè)計(jì)模型工程量）。

3 案例分析

3.1 工程概況

廣西某城市檔案中心地下一層，地上3～16 層，其中地上部分分為ABC 三個(gè)區(qū)，A 區(qū)與B 區(qū)為鋼框架結(jié)構(gòu)，C 區(qū)與出地面樓梯為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。將廣聯(lián)達(dá)創(chuàng)建的GTJ 模型作為標(biāo)準(zhǔn)，由傳統(tǒng)算量模式通過(guò)施工圖創(chuàng)建該項(xiàng)目的算量模型；利用基于Re?vit的鴻業(yè)插件設(shè)計(jì)創(chuàng)建建筑模型，利用盈建科與Tekla進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并導(dǎo)入Revit 中生成結(jié)構(gòu)模型，將建筑與結(jié)構(gòu)模型合模作為后續(xù)信息交互應(yīng)用和研究。

3.2 BIM設(shè)計(jì)模型與GTJ模型工程量對(duì)比分析

根據(jù)《廣聯(lián)達(dá)算量模型與Revit 土建、鋼筋三維設(shè)計(jì)模型建模交互規(guī)范》對(duì)Revit 模型進(jìn)行命名與映射，通過(guò)插件將Revit 模型轉(zhuǎn)化成GFC 格式文件，導(dǎo)入廣聯(lián)達(dá)GTJ 軟件生成算量模型。因GTJ 軟件無(wú)法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，所以將鋼結(jié)構(gòu)部分全部定義為異形截面梁，其混凝土標(biāo)號(hào)定義為工程沒(méi)有的C80，后續(xù)算量會(huì)扣除相應(yīng)的部分。模型的轉(zhuǎn)化率為100%。

將轉(zhuǎn)化好的中間文件導(dǎo)入到GTJ 軟件中，利用軟件中自動(dòng)檢查功能，自動(dòng)或簡(jiǎn)易的手動(dòng)修復(fù)部分重疊錯(cuò)誤。得出設(shè)計(jì)模型與GTJ模型工程量準(zhǔn)確性對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 BIM設(shè)計(jì)模型與GTJ模型工程量準(zhǔn)確性對(duì)比分析

圖1 A1區(qū)Revit模型、BIM設(shè)計(jì)算量模型、GTJ算量模型

表2 A1區(qū)域混凝土、模板工程量準(zhǔn)確性對(duì)比分析

由表2可見(jiàn)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理的BIM設(shè)計(jì)模型相較于GTJ模型的工程量誤差較大，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)算量一體化的基本要求。

3.3 對(duì)比分析小結(jié)

在此過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)造成BIM設(shè)計(jì)模型與GTJ模型工程量差異的主要原因有：①BIM 設(shè)計(jì)模型中缺失圈梁、過(guò)梁、構(gòu)造柱等構(gòu)造，使得混凝土量及模板量減少；②BIM設(shè)計(jì)模型中的鋼梁在廣聯(lián)達(dá)軟件中被定義為C80 混凝土構(gòu)件，使混凝土量及模板量增多；③GTJ模型中的女兒墻定義為了剪力墻，使得混凝土工程量增多，砌體工程量減少。

對(duì)于交互過(guò)程中，還有一些不可忽視的問(wèn)題：①對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重新命名占用了絕大部分時(shí)間；②BIM 設(shè)計(jì)模型中柱梁板圖元搭接方式有誤，導(dǎo)入算量軟件時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差。

4 原因分析

4.1 模型精度問(wèn)題

BIM的設(shè)計(jì)端模型精度要求在LOD250-LOD350之間，相較于算量模型，結(jié)構(gòu)模型會(huì)缺失部分構(gòu)件。

由于設(shè)計(jì)模型中的結(jié)構(gòu)部分直接由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件只進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算，部分構(gòu)造構(gòu)件在受力分析中不考慮。如：圈梁一般設(shè)置墻體中以增強(qiáng)磚石結(jié)構(gòu)房屋的整體剛度，在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算不予考慮；構(gòu)造柱是一種抗震構(gòu)造做法，保證分承重墻的墻體穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的布置較為靈活，在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算不予考慮；過(guò)梁為設(shè)置在門窗洞口上支撐其上部荷載的橫梁，在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算不予考慮。直接將未進(jìn)行深化的初步設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入造價(jià)軟件之中進(jìn)行算量，會(huì)導(dǎo)致混凝土工程量、砌體工程量、模板工程量與實(shí)際用量不符。

4.2 無(wú)法進(jìn)行精確鋼筋算量

使用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件配置鋼筋，是根據(jù)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算、構(gòu)件內(nèi)力配筋計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行配筋的，是軟件結(jié)合選筋參數(shù)設(shè)置自動(dòng)生成的結(jié)果。然而軟件自動(dòng)生成的配筋一般滿足不了設(shè)計(jì)需求，這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在軟件自動(dòng)生成的成果基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行迭代式的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如鋼筋型號(hào)的重新選擇、鋼筋歸并等等。

由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出至BIM 軟件的鋼筋模型，只能輸出軟件自動(dòng)配筋的初步成果，無(wú)法輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師調(diào)整后的配筋成果。最后配筋的模型與實(shí)際具有較大的差異，所以直接計(jì)算由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出的模型中的鋼筋工程量，與實(shí)際鋼筋工程量不符。

大多數(shù)算量軟件并不能直接利用BIM模型中的鋼筋工程量進(jìn)行鋼筋計(jì)算，各類鋼筋屬性都需要手動(dòng)輸入，這就大大增加了造價(jià)人員的工作量，沒(méi)有體現(xiàn)BIM一體化的優(yōu)勢(shì)。

4.3 軟件問(wèn)題

該項(xiàng)目A 區(qū)與B 區(qū)為鋼框架結(jié)構(gòu)，C 區(qū)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。計(jì)算AB區(qū)域的鋼框架結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)造價(jià)軟件不能同時(shí)計(jì)算鋼框架工程量與混凝土工程量，鋼框架會(huì)識(shí)別成為異形截面混凝土量，從而增加混凝土方量。

直接將未處理的鋼梁模型導(dǎo)入造價(jià)軟件之中進(jìn)行算量，會(huì)導(dǎo)致混凝土工程量、模板工程量與實(shí)際用量不符。

為了使上游的設(shè)計(jì)BIM模型更好地傳遞至造價(jià)算量模型，需要符合規(guī)范地對(duì)模型構(gòu)件進(jìn)行命名，賦予構(gòu)件對(duì)應(yīng)的幾何信息和非幾何信息。但是，從結(jié)構(gòu)軟件導(dǎo)出的IFC 文件中的模型命名方式不符合造價(jià)模型的命名規(guī)范。為了使造價(jià)算量軟件準(zhǔn)確識(shí)別設(shè)計(jì)BIM 模型的信息，設(shè)計(jì)師需要對(duì)模型中所有的構(gòu)件進(jìn)行重新命名，此操作浪費(fèi)了大量的時(shí)間，不符合BIM 一體化的思維。

柱梁板墻圖元之間的連接方式問(wèn)題，在先行的清單規(guī)范和工程預(yù)算定額計(jì)算規(guī)則，混凝土墻、梁、板、柱搭接處是以3,2,4,1的優(yōu)先級(jí)計(jì)算扣減；而從結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中導(dǎo)出的結(jié)構(gòu)部分梁板柱的搭接方式與之不匹配。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)算量一體化的相關(guān)措施

5.1 提升模型精度的相應(yīng)對(duì)策

5.1.1 提升精度的方式

其一，提升導(dǎo)入前設(shè)計(jì)模型的精度。對(duì)初步設(shè)計(jì)BIM 模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，增加設(shè)計(jì)端模型精度，增加包括但不限于：構(gòu)造柱、圈梁、過(guò)梁等構(gòu)件以及防水保溫做法和裝飾裝修做法。

其二，提升導(dǎo)入后算量模型的精度。將設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入至造價(jià)軟件中，在造價(jià)軟件內(nèi)對(duì)算量模型進(jìn)行深化。

5.1.2 兩種模式的對(duì)比

提升設(shè)計(jì)模型精度是更符合一體化思維的做法，提升設(shè)計(jì)模型的精度不僅僅能減輕算量造價(jià)階段的工作量，更能為后續(xù)的施工階段甚至運(yùn)維階段提供豐富的信息。與之相比，會(huì)在一定程度上增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的工作量，在Revit之中進(jìn)行這類深化工作，操作更繁復(fù)，且豐富信息的同時(shí)，模型承載的大體量也會(huì)給硬件設(shè)備帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。

提升算量模型精度的方式是傳統(tǒng)的做法，是過(guò)度至設(shè)計(jì)算量一體化妥協(xié)的模式，在造價(jià)軟件中，深化工作更便捷，但這類方式仍未完全解放造價(jià)人員，且后續(xù)的施工階段與運(yùn)維階段的深化工作依舊沒(méi)有落實(shí)。

決策者可以根據(jù)企業(yè)自身的情況選擇上述兩種模式提高模型精度，筆者建議將兩種模式相結(jié)合進(jìn)行使用，如：構(gòu)造柱、圈梁等構(gòu)件的，對(duì)后續(xù)施工運(yùn)維影響大的構(gòu)件可以用方法一在Revit上操作；裝飾裝修這類操作復(fù)雜，對(duì)后續(xù)影響小的，可以在造價(jià)軟件中進(jìn)行操作。

5.2 處理BIM鋼筋的相應(yīng)對(duì)策

雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師可以將優(yōu)化配筋的操作從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件轉(zhuǎn)移到BIM軟件中，即——在導(dǎo)出軟件自動(dòng)配筋結(jié)果后在Revit軟件進(jìn)行配筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是龐大的鋼筋圖元數(shù)量會(huì)造成計(jì)算機(jī)的卡頓，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的軟件操作舉步維艱，很難進(jìn)行優(yōu)化工作。

結(jié)構(gòu)模型從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出時(shí)，其鋼筋信息可以以鋼筋集、鋼筋標(biāo)注的形式進(jìn)行表現(xiàn)，設(shè)計(jì)師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改優(yōu)化，當(dāng)需要檢查鋼筋碰撞時(shí)，再調(diào)用生成相關(guān)構(gòu)件的鋼筋三維圖元，這就大大減輕了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，改善了設(shè)計(jì)師的工作環(huán)境。

5.3 BIM軟件開(kāi)發(fā)的相關(guān)建議

BIM 設(shè)計(jì)軟件與造價(jià)算量軟件的對(duì)接模式尚未成熟，為了更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與造價(jià)階段的一體化，應(yīng)針對(duì)問(wèn)題對(duì)軟件進(jìn)行完善和開(kāi)發(fā)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出接口文件時(shí)，命名方式，可按照算量模型與設(shè)計(jì)模型建模交互規(guī)范對(duì)構(gòu)件進(jìn)行命名，搭接方式，可按照預(yù)算定額計(jì)算規(guī)則進(jìn)行搭接；造價(jià)算量軟件可以增加相應(yīng)模塊，拓寬可計(jì)算工程的種類，提高其算量的準(zhǔn)確性，提高計(jì)算的可信度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件增加導(dǎo)出鋼筋集模塊，算量軟件增加對(duì)應(yīng)讀取鋼筋集信息的模塊，更好地實(shí)現(xiàn)BIM 設(shè)計(jì)模型與造價(jià)算量模型一體化。BIM軟件的開(kāi)發(fā)與運(yùn)用是我國(guó)發(fā)展BIM的根本，國(guó)家可以鼓勵(lì)軟件公司對(duì)BIM軟件的研發(fā)，相關(guān)企業(yè)使用軟件的同時(shí)也應(yīng)積極與軟件公司溝通，促進(jìn)軟件的更新?lián)Q代。

5.4 優(yōu)化項(xiàng)目交互的相關(guān)對(duì)策

目前設(shè)計(jì)算量一體化還在初步階段，很多細(xì)節(jié)部分把控不到位會(huì)大幅度的延長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)間，影響交互的質(zhì)量。

a.項(xiàng)目開(kāi)始前，先在Revit中制訂好項(xiàng)目的樣板文件，統(tǒng)好標(biāo)高及軸網(wǎng)；

b.將各類構(gòu)件按照交互標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行建模，節(jié)省后期命名及修改時(shí)間；

c.提前分區(qū)域分樓層的將BIM設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入算量軟件中進(jìn)行算量，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，避免后期建模遇到相同的錯(cuò)誤屢次更改；

d.由于設(shè)計(jì)模型精度與算量模型精度有差異，對(duì)于一些需要增補(bǔ)的構(gòu)件，如圈梁、過(guò)梁、構(gòu)造柱、裝飾工程等，需提前規(guī)劃確定提升精度的方式。

6 結(jié)語(yǔ)

本文探尋了普通房建項(xiàng)目的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與算量交互出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)際的項(xiàng)目進(jìn)行分析，針對(duì)其中模型精度、鋼筋算量、軟件的問(wèn)題，提出了一些措施和建議，以供參考。很多學(xué)者認(rèn)為BIM 的引入能讓工程項(xiàng)目信息最大化的保留，避免造價(jià)階段施工階段的重復(fù)建模，但目前BIM的一體化只是初步發(fā)展，尤其是設(shè)計(jì)與算量一體化尚未成熟，許多問(wèn)題亟待解決。