BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的研究

王明琦

（天津市長(zhǎng)城建筑設(shè)計(jì)有限公司，天津 300041）

0 引言

BIM相關(guān)技術(shù)是一類搭建或者采用參數(shù)化模型進(jìn)行建筑工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理的技術(shù)，針對(duì)建筑工程的設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)說(shuō)，BIM技術(shù)是一類領(lǐng)先的規(guī)劃設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)及工作流程，該技術(shù)給項(xiàng)目工程帶來(lái)了智慧化及信息化的數(shù)據(jù)參數(shù)交互平臺(tái)，具備共同設(shè)計(jì)、自頂向下參數(shù)化設(shè)計(jì)、模擬仿真及受力分析管理等模塊。如圖1所示，在建筑主體結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域的大型施工企業(yè)中，應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)已經(jīng)超過(guò)5年的公司比重已經(jīng)達(dá)到了41%，BIM技術(shù)在未來(lái)為3～5年中的應(yīng)用比例高達(dá)43%。BIM技術(shù)在中小規(guī)模建筑主體結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)企業(yè)中的使用已經(jīng)超過(guò)5年的數(shù)量?jī)H為13%，主要原因是當(dāng)中絕大多數(shù)相關(guān)企業(yè)在近期才了解到BIM技術(shù)，BIM技術(shù)應(yīng)用比例為3～5年的達(dá)到45%[1]。

1 BIM技術(shù)定義

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)指的是一類使用在建筑工程設(shè)計(jì)、施工建造及工程管理的數(shù)字化解決方案，經(jīng)過(guò)對(duì)于建筑物的數(shù)字化及參數(shù)化模型整理，在工程項(xiàng)目規(guī)劃、運(yùn)作及維護(hù)的整個(gè)生命周期進(jìn)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)信息互通及傳輸，使相關(guān)建筑工程設(shè)計(jì)人員掌握各類工程數(shù)據(jù)信息，為相關(guān)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)及建設(shè)、施工作業(yè)企業(yè)在內(nèi)的各個(gè)建筑工程參加主體帶來(lái)共同工作的平臺(tái)，在提升施工作業(yè)效率、降低造價(jià)及壓縮施工周期層面起到了關(guān)鍵作用。BIM技術(shù)如圖2所示。

圖1 各種規(guī)模建筑設(shè)計(jì)型公司BIM技術(shù)使用狀況

2 BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)研究

2.1 建筑工程BIM技術(shù)生成的模型具備可視化的優(yōu)良特性

工程設(shè)計(jì)人員可以BIM技術(shù)進(jìn)行建筑工程的實(shí)體建模操作，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目工程的3D實(shí)體模型的生成工作，借助3D立體的圖像模式來(lái)體現(xiàn)建筑實(shí)體工程的相關(guān)參數(shù)信息，跨越了以往借助二維平面的施工作業(yè)圖進(jìn)行想象3D立體工程實(shí)體的技術(shù)限制，促進(jìn)了建筑項(xiàng)目工程中各個(gè)相關(guān)部門(mén)或者各個(gè)專業(yè)人員間在圖形化的3D實(shí)體模型中進(jìn)行有效的溝通、交流及工程有關(guān)的決策[2]。

圖2 BIM技術(shù)

2.2 建筑工程BIM技術(shù)生成的模型具有信息集成的特點(diǎn)

工程設(shè)計(jì)人員可以借助BIM相關(guān)技術(shù)生成建筑項(xiàng)目工程整體的全部階段的參數(shù)信息文檔，相關(guān)文檔匯集了建筑工程的模型有關(guān)的參數(shù)信息，例如外形尺寸的幾何信息、材料物理屬性信息、工程結(jié)構(gòu)空間參數(shù)信息、建筑原材料及構(gòu)件的參數(shù)信息、建筑原材料數(shù)目和有關(guān)屬性信息等，匯總為復(fù)雜的建筑工程總體模型，數(shù)據(jù)信息庫(kù)生成復(fù)雜的建筑工程模型，相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)達(dá)到了建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)程的集成化，參數(shù)信息規(guī)范化的目標(biāo)。

2.3 建筑工程項(xiàng)目BIM技術(shù)生成的模型具備工程實(shí)際模擬的特性

工程設(shè)計(jì)人員可借助BIM相關(guān)技術(shù)，針對(duì)對(duì)建筑工程3D模型處在各種各樣的外部環(huán)境條件下的情況實(shí)施模擬操作，例如實(shí)施建筑工程3D模型的放大操作、縮小操作、旋轉(zhuǎn)操作等，由此進(jìn)行多維度的觀測(cè)，或者能夠完成工程結(jié)構(gòu)的受載荷情況的模擬、日光照射情況的模擬、節(jié)能減排活動(dòng)的模擬、熱量傳遞情況的模擬、施工作業(yè)過(guò)程的模擬，從而完成建筑工程的各類制約要素的工程模擬及相關(guān)設(shè)計(jì)工作[3]。

2.4 鋼筋表達(dá)在BIM技術(shù)中的應(yīng)用研究

鋼筋表達(dá)一般是指鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)在BIM技術(shù)建模中的三維立體化呈現(xiàn)，能夠獲取精確的鋼筋外形尺寸及位置確定，圖像化隱藏工程，體驗(yàn)建筑工程構(gòu)造的實(shí)際信息，實(shí)施水泥混凝土鋼筋的用量計(jì)算。鋼筋表達(dá)如圖3所示。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2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)，方便選定鋼筋的所處位置、表現(xiàn)形式及外形尺寸等，并且通過(guò)三維視圖隱蔽阻擋鋼筋的水泥混凝土參數(shù)，對(duì)隱蔽部位的鋼筋信息進(jìn)行觀察。然而此類技術(shù)方法對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件需求非常高，大量占用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間，相關(guān)工程技術(shù)人員工作量很大。平法注釋表達(dá)鋼筋的方法指的是實(shí)施相關(guān)構(gòu)件的鋼筋參數(shù)賦值，使相關(guān)參數(shù)信息和構(gòu)件科學(xué)結(jié)合，并借助注釋實(shí)施調(diào)取及互換研究，優(yōu)勢(shì)是能夠在1張圖紙上表現(xiàn)很多的鋼筋參數(shù)信息。缺點(diǎn)是必須實(shí)施三維立體圖形的空間想象，表現(xiàn)形式不直接。2類技術(shù)模式表達(dá)各有所長(zhǎng)，在實(shí)際操作過(guò)程中可以依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

圖3 鋼筋表達(dá)

3 基于BIM相關(guān)技術(shù)的建筑工程結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用的解決方案

3.1 建筑工程結(jié)構(gòu)實(shí)體模型的可視化實(shí)際應(yīng)用

工程設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用BIM相關(guān)技術(shù)進(jìn)行3D建模操作，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)或者異形的工程結(jié)構(gòu)用3D建模的模式表現(xiàn)其相對(duì)應(yīng)的空間狀態(tài)，準(zhǔn)確、直觀而真實(shí)地將項(xiàng)目工程的結(jié)構(gòu)相關(guān)信息、空間相對(duì)位置以及3D模型全方位地展現(xiàn)在相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員的面前，更能直觀真實(shí)地表達(dá)出相關(guān)建筑工程的總體面貌，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行多角度、多層面的觀測(cè)工作，然后對(duì)于建筑工程相關(guān)構(gòu)件的各項(xiàng)功能的排布及構(gòu)件和構(gòu)件間的相對(duì)空間布局之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行更加精確的研究，從而判斷相關(guān)建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的構(gòu)件外形尺寸以及空間相對(duì)位置是否科學(xué)合理，進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)建筑工程的結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，提升設(shè)計(jì)工作的總體品質(zhì)，可視化的工程結(jié)構(gòu)3D模型對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)講，觀測(cè)工作非常方便，容易進(jìn)行清晰的解讀，大幅度提升了工程設(shè)計(jì)人員的工作效率。如圖4所示，17%的工程設(shè)計(jì)企業(yè)沒(méi)有推行BIM相關(guān)技術(shù)的的計(jì)劃，23%的企業(yè)剛開(kāi)始實(shí)行BIM相關(guān)技術(shù)的概念化，56%的設(shè)計(jì)企業(yè)實(shí)施了BIM技術(shù)的規(guī)模化試驗(yàn)。只有大約1%～3%的企業(yè)已經(jīng)將BIM相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模的工程項(xiàng)目中[4]。

3.2 建筑施工單位應(yīng)用BIM相關(guān)技術(shù)的主要領(lǐng)域

3.2.1 碰撞檢查，降低返工概率

結(jié)構(gòu)的碰撞方面的檢查工作是為了達(dá)到減少設(shè)計(jì)返工的目的。工程設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用BIM技術(shù)中的3D建模技術(shù)，在設(shè)計(jì)前期進(jìn)行模擬碰撞檢查工作，能夠使設(shè)計(jì)者直觀地應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)空間關(guān)系中的各類干涉情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度地降低施工階段可能出現(xiàn)的問(wèn)題及返工情況，對(duì)于凈空及管線布置的方案也能起到優(yōu)化的作用。現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以使用最后經(jīng)過(guò)碰撞檢查優(yōu)化的最佳方案，完成實(shí)際的施工交底、工程模擬工作，從而提高工程質(zhì)量，并且提升和業(yè)主交流協(xié)作的效果。

3.2.2 模擬施工過(guò)程，大力協(xié)調(diào)各部門(mén)工作

模擬現(xiàn)場(chǎng)施工，進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。3D可視化操作配合時(shí)間維度操作，可以模擬項(xiàng)目進(jìn)程，直觀迅速地將設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)展進(jìn)行比對(duì)，并且進(jìn)行有效的協(xié)同作業(yè)，參加工程建設(shè)的各方都清楚地了解項(xiàng)目的相關(guān)情況及可能發(fā)生的問(wèn)題。進(jìn)而降低建筑工程出現(xiàn)品質(zhì)問(wèn)題、安全生產(chǎn)問(wèn)題的概率，大幅度減少返工及項(xiàng)目整改的次數(shù)。應(yīng)用BIM相關(guān)技術(shù)進(jìn)行多部門(mén)的協(xié)同作業(yè)，能夠高效地完成重要信息的有效交互，加速反饋及相關(guān)決策等信息的傳送效率。使用模塊型的模式，在某個(gè)工程的BIM相關(guān)信息生成之后，可以借鑒和引用類似的項(xiàng)目，積累知識(shí)，避免重復(fù)工作。

3.2.3 三維空間渲染圖形

為了方便宣傳和展示3D模型的渲染動(dòng)畫(huà)，可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)使觀察者擁有代入感，帶給其真實(shí)的臨場(chǎng)感及直觀的視覺(jué)方面的沖擊效果，結(jié)合投標(biāo)工作演示和施工程方案的及時(shí)調(diào)整。生成的BIM相關(guān)模型可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，大幅度提升了3D模型渲染效果的精度操作效率，帶給業(yè)主更加直觀震撼的宣傳效果，在相關(guān)投標(biāo)過(guò)程中能夠提高設(shè)計(jì)方案的中標(biāo)概率。

3.3 BIM相關(guān)技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用

3.3.1 方案設(shè)計(jì)階段流程

具體過(guò)程為工程結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件/建筑工程方案3D模型→工程結(jié)構(gòu)方案規(guī)劃建?！ㄖY(jié)構(gòu)計(jì)算→工程結(jié)構(gòu)校審→編輯模型→專業(yè)工程協(xié)調(diào)溝通→方案完成?？傮w方案完成后進(jìn)入下一時(shí)段：初期規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)段。使用BIM相關(guān)技術(shù)之后，可以完成主體結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)，將主體結(jié)構(gòu)方案規(guī)劃設(shè)計(jì)的模式、表現(xiàn)方法由紙質(zhì)材料轉(zhuǎn)換為工程結(jié)構(gòu)的3D模型，并作為工程設(shè)計(jì)總體方案的部分應(yīng)用于建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作的審批過(guò)程中。

圖4 BIM應(yīng)用深度分布狀況

3.3.2 初期規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)段過(guò)程

具體過(guò)程為整理載荷的相關(guān)信息/生成初期的3D模型→工程結(jié)構(gòu)初期建?！黧w結(jié)構(gòu)的計(jì)算→工程結(jié)構(gòu)的校審→組合相關(guān)模型→專業(yè)問(wèn)題溝通→方案完成。在此前的時(shí)段的相關(guān)BIM技術(shù)生成的結(jié)構(gòu)模型上進(jìn)行進(jìn)一步工程結(jié)構(gòu)的建模操作，各部門(mén)能夠共同參與規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.3.3 施工作業(yè)圖規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)段的過(guò)程

具體過(guò)程為工程地基條件、雨雪荷載、風(fēng)荷載、地震相關(guān)參數(shù)/施工作業(yè)圖模型→總體結(jié)構(gòu)作業(yè)圖紙建?！Y(jié)構(gòu)分析→專業(yè)校審→組合相關(guān)3D模型→專業(yè)問(wèn)題溝通→BIM技術(shù)相關(guān)結(jié)構(gòu)模型/某些2D作業(yè)圖修改→BIM模型審核/2D圖校審→方案完成。BIM設(shè)計(jì)模型完成。

4 BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的使用研究

4.1 提升綠色建筑原材料的材料利用率

相關(guān)工程技術(shù)人員應(yīng)該最大限度地選取可再生的綠色建筑原材料，該材料需要占建筑原材料使用總體數(shù)量的12%以上，且不會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成污染，并保證廣大人民群眾的健康。與此同時(shí)，還能夠使用BIM技術(shù)對(duì)于可再生建筑原材料的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以確定建筑原材料的應(yīng)用能否滿足相關(guān)建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 提升建筑物室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)

4.2.1 模擬仿真建筑物室內(nèi)的通風(fēng)研究

相關(guān)工程技術(shù)人員應(yīng)用BIM技術(shù)模擬仿真及研究建筑物室內(nèi)的通風(fēng)區(qū)域、外形尺寸及框架結(jié)構(gòu)，了解建筑物室內(nèi)的通風(fēng)過(guò)程以及冷熱氣流的排布，使建筑室內(nèi)科學(xué)通風(fēng)，并且優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境[5]。

4.2.2 模擬室外自然光線研究

相關(guān)工程技術(shù)人員應(yīng)用BIM技術(shù)研究該建筑物能否安裝天窗，并且按照綠色建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中的自然光照射合理參數(shù)，模擬建筑物室外及室內(nèi)的光照環(huán)境，完成建筑物室內(nèi)的自然光的規(guī)劃設(shè)計(jì)。為了提升自然光照的采光效果，相關(guān)工程技術(shù)人員需要調(diào)配建筑物排布及構(gòu)造的可見(jiàn)日光透光效率，并且相應(yīng)地調(diào)整建筑內(nèi)部布局。

4.2.3 模擬研究熱環(huán)境過(guò)程

相關(guān)工程技術(shù)人員根據(jù)建筑物規(guī)劃的要求，應(yīng)用BIM技術(shù)建立建筑工程的路況系統(tǒng)、給排水體系及綠植等參數(shù)模型，并能夠在BIM技術(shù)中根據(jù)實(shí)際的天氣狀況及周邊自然環(huán)境設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)。還能夠進(jìn)行綠化帶加固，進(jìn)而盡量減少熱島效應(yīng)。

4.2.4 模擬研究建筑物室內(nèi)環(huán)境噪聲的過(guò)程

相關(guān)工程技術(shù)人員應(yīng)用BIM技術(shù)模擬研究建筑物施工現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)狀況，并且采用電腦軟件模擬相關(guān)作業(yè)環(huán)境，搭建所需要的三維立體化數(shù)字模型，使用最先進(jìn)的建筑物室內(nèi)裝修原材料預(yù)估建筑物的聲學(xué)品質(zhì)。

4.3 完成數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通及資源共享

現(xiàn)代建筑物綠色設(shè)計(jì)技術(shù)是1類跨學(xué)科的多種專業(yè)協(xié)作工作的過(guò)程，為了確保各個(gè)專業(yè)能夠有效地進(jìn)行溝通及協(xié)作，建筑物主體結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)中涉及的數(shù)據(jù)信息需要完成互聯(lián)互通及資源共享。由于常規(guī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)信息共享體系有待完善，因此相關(guān)工程技術(shù)人員在規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)程中不能使數(shù)據(jù)信息同步。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，BIM技術(shù)是1種可以顯著提升建筑物主體結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作效率及施工作業(yè)品質(zhì)的專業(yè)技術(shù)，該技術(shù)具備模擬仿真特性、可視化分析、數(shù)據(jù)信息集成、實(shí)時(shí)傳輸性及協(xié)同工作等很多優(yōu)點(diǎn)，具體技術(shù)的實(shí)施能夠在建筑物主體結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化模型設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)施可視化、參數(shù)化、鋼筋排布、流程規(guī)劃、構(gòu)造功能及施工現(xiàn)場(chǎng)操作研究使用。