關(guān)于BIM技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用探討

商開友

摘 要 近些年建筑工程項(xiàng)目建設(shè)過程中很多方案設(shè)計(jì)的規(guī)模愈加龐大，其中涉及著大量的運(yùn)算、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，如果沿襲過往的工作模式就很容易造成設(shè)計(jì)方案的完成效率低、設(shè)計(jì)不合理需臨時更改、造價成本投入過多、施工流程銜接不緊密等種種情況，因此建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有必要順應(yīng)現(xiàn)代社會的發(fā)展腳步，采用BIM技術(shù)來提升自身的設(shè)計(jì)質(zhì)量。本文將對BIM技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析討論，挖掘BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢，以期能為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提高工作效率提供一定幫助。

關(guān)鍵詞 BIM技術(shù) 建筑工程 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 建筑節(jié)能降耗設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）05-0106-03

物質(zhì)生活的豐裕使民眾開始追求更高質(zhì)量的生活水平，對于建筑工程項(xiàng)目自然也提出了更高的要求，為滿足民眾的多元化需求，建筑企業(yè)紛紛將新興技術(shù)融入工程建設(shè)中以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、高實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且具有審美價值的建筑項(xiàng)目。

1 BIM技術(shù)概述

1.1 BIM技術(shù)的概念

BIM技術(shù)是模擬建筑工程項(xiàng)目三維數(shù)據(jù)模型的一種信息模型技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)中能夠?qū)⒔ㄖこ添?xiàng)目從圖紙?jiān)O(shè)計(jì)到施工建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等多個流程全部展現(xiàn)出來，具有極為鮮明的視覺效果，還能通過互聯(lián)網(wǎng)移動設(shè)施來處理大量的數(shù)據(jù)信息，功能強(qiáng)大且較為完善的BIM技術(shù)成為現(xiàn)代化建筑工程項(xiàng)目中普及應(yīng)用的關(guān)鍵性手段，帶動諸多建筑項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的建設(shè)[1]。

1.2 BIM技術(shù)的特征

1.2.1 模型集成

建筑項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員可以借助BIM技術(shù)將整個設(shè)計(jì)階段需要應(yīng)用的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集與整合，然后依據(jù)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來搭建出完整的建筑結(jié)構(gòu)三維立體數(shù)據(jù)模型。這個模型集成能夠準(zhǔn)確顯示出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各個構(gòu)件的位置及其受力點(diǎn)，還可以模擬反映出重要構(gòu)件在運(yùn)行時的實(shí)際狀態(tài)，對整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的動態(tài)化模擬分析可以作為評估設(shè)計(jì)方案可行性的參考依據(jù)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員能利用BIM技術(shù)更直觀、整體化的分析結(jié)構(gòu)方案中各流程的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)對施工效果的有效預(yù)判，從而盡可能避免建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)失誤導(dǎo)致安全事故發(fā)生。

1.2.2 協(xié)同性

BIM技術(shù)可以為建筑企業(yè)各部門搭建一個溝通的橋梁，增強(qiáng)不同部門和各個流程之間的合作交流。建筑工程項(xiàng)目的建設(shè)復(fù)雜程度要求各項(xiàng)目的工作人員加強(qiáng)聯(lián)系來確保項(xiàng)目實(shí)際施工進(jìn)展順利。利用BIM技術(shù)可以提前預(yù)判建筑工程項(xiàng)目在施工中可能出現(xiàn)的問題，使管理人員能更加迅速地制定相關(guān)措施以預(yù)防問題發(fā)生。

1.2.3 信息交流的便捷性

當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員利用BIM技術(shù)完成所有數(shù)據(jù)信息的整合后，如果需要調(diào)整部分方案，只需要在數(shù)據(jù)模型上重新優(yōu)化修改即可，避免反復(fù)更改圖紙方案而造成數(shù)據(jù)錯亂、遺失等情況。

另外，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員運(yùn)用BIM技術(shù)模擬現(xiàn)場施工過程時，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員搭建完成模型后就能直接根據(jù)整體模型來分析可能出現(xiàn)的問題，極大程度地節(jié)省了繪制、改進(jìn)圖紙需要耗費(fèi)的時間，進(jìn)一步帶動設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的有效提升[2]。

1.2.4 視覺效果突出

BIM技術(shù)最明顯的特征與優(yōu)勢就是視覺效果突出，從多個角度來呈現(xiàn)出建筑工程項(xiàng)目的立體模型。相較于平面繪制的圖紙方案，BIM技術(shù)下的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)人員具備更優(yōu)秀的空間思維能力和技術(shù)應(yīng)用能力，這樣才能將抽象概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而優(yōu)化建筑工程施工的操作全過程。

2 BIM技術(shù)對建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

2.1 BIM技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)的使用性能

建筑結(jié)構(gòu)作為建筑項(xiàng)目施工中的基礎(chǔ)且重要的環(huán)節(jié)，需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合施工工藝技術(shù)水平、建筑結(jié)構(gòu)在施工時與竣工后所受的各方面應(yīng)力等多種因素來制作方案圖紙，合理運(yùn)用組合結(jié)構(gòu)來分擔(dān)建筑構(gòu)件承載的荷載力。在設(shè)計(jì)時就應(yīng)該針對各流程、階段來評估其不同條件和不同應(yīng)力的作用下建筑結(jié)構(gòu)的安全質(zhì)量，這樣的使用性能測試是以科學(xué)的方式去判斷建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，保證民眾能在舒適且安全的環(huán)境下長期使用建筑。因此，提升建筑工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)建設(shè)質(zhì)量需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對建筑使用性能進(jìn)行合理構(gòu)建，以滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和民眾對建筑各方面性能的需求。BIM技術(shù)可以利用信息手段來自動分析建筑結(jié)構(gòu)使用性能以實(shí)現(xiàn)對人財物等資源消耗的減少，并且通過精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)資料來找出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的缺陷和提出改進(jìn)意見，設(shè)計(jì)人員就可以參考這些改善措施并按照實(shí)際需求和現(xiàn)場施工情況來及時調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步完善建筑工程的各方面使用性能，從而最大化提高建筑工程項(xiàng)目的綜合價值[3]。

2.2 BIM技術(shù)與建筑工程的施工場地

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作內(nèi)容非常廣泛，建筑主體結(jié)構(gòu)需要依據(jù)施工現(xiàn)場的地質(zhì)環(huán)境與天氣條件等影響因素來科學(xué)分析和設(shè)計(jì)方案，這樣才能保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與可行性。而BIM技術(shù)主要以動態(tài)化的數(shù)字信息來合理分析模擬出建筑結(jié)構(gòu)在當(dāng)?shù)夭煌h(huán)境條件下承受的應(yīng)力情況，可以為地質(zhì)環(huán)境與天氣條件等因素實(shí)施科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，從技術(shù)層面上保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

2.3 BIM技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

BIM技術(shù)是基于平面與立體圖形的設(shè)計(jì)前提下借助信息技術(shù)不斷發(fā)展而來的，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙借助三維立體數(shù)據(jù)模型的形式直觀地展示在工作人員眼中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員就可以站在整體角度來判斷建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可靠性。相較于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)圖紙繪制方式，BIM技術(shù)能夠結(jié)合施工現(xiàn)場情況在互聯(lián)網(wǎng)移動設(shè)備上及時修改調(diào)整，極大程度地提升建筑項(xiàng)目施工現(xiàn)場的建設(shè)效率，BIM技術(shù)將復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)以3D模型的形式來幫助施工人員理解其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為施工人員提供了更有力的參考依據(jù)。其主要應(yīng)用方式為：首先將現(xiàn)有的建筑工程設(shè)計(jì)圖紙通過CAD軟件來搭建出2D模型，然后借助Revit MEP軟件來生成建筑結(jié)構(gòu)各個區(qū)域的3D立體模型并將其進(jìn)行拼裝整合，再將現(xiàn)場實(shí)地勘測后的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)錄入軟件內(nèi)形成初步的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，這個模型能展示出建筑結(jié)構(gòu)中的項(xiàng)目交叉情況、管道線路設(shè)計(jì)、受力節(jié)點(diǎn)等詳細(xì)信息，幫助建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員明確當(dāng)前設(shè)計(jì)圖紙中存在的問題[4]。

2.4 BIM技術(shù)與建筑節(jié)能降耗設(shè)計(jì)

現(xiàn)代化建筑工程項(xiàng)目離不開節(jié)能降耗的綠色環(huán)保理念，BIM技術(shù)就可以幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提高建筑圖紙方案的節(jié)能降耗性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員還能依據(jù)模型和施工地點(diǎn)的現(xiàn)場情況來優(yōu)化建筑項(xiàng)目的采光與通風(fēng)等設(shè)置，進(jìn)而有效提高建筑使用的舒適度。這需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行反復(fù)的調(diào)查和試驗(yàn)并按照人體的最佳體驗(yàn)感受來設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，譬如建筑屋頂結(jié)構(gòu)需要強(qiáng)化其保溫隔熱等性能設(shè)計(jì)，以滿足民眾對建筑冬季保溫、夏季散熱的需求，從建筑物本身的使用性能上來減少民眾對各類降溫保溫電氣設(shè)施的使用，達(dá)到對各類能源資源的節(jié)約與降耗目標(biāo)。節(jié)能降耗的環(huán)保設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念中的重要觀點(diǎn)，能幫助建筑行業(yè)朝著低碳環(huán)保的方向持續(xù)發(fā)展，這需要建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員充分利用BIM技術(shù)來優(yōu)化綠色設(shè)計(jì)以強(qiáng)化環(huán)保意識。

3 BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的具體應(yīng)用分析

3.1 建立建筑結(jié)構(gòu)的信息模型

在建筑結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)工作前，施工現(xiàn)場的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言是重要依據(jù)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該事先分析場地、環(huán)境、交通等相關(guān)因素來規(guī)劃最合理的建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從和諧、審美等價值方面來強(qiáng)化建筑與周邊環(huán)境的聯(lián)系。顯然傳統(tǒng)的分析模式中容易出現(xiàn)主觀因素較多、數(shù)據(jù)信息的收集與整合效率太低、影響因素分析不夠完善等多個問題，因此BIM技術(shù)可以轉(zhuǎn)變分析模式來提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。將采集地理信息的GIS系統(tǒng)與BIM技術(shù)相結(jié)合可以高效處理建筑場地的大量數(shù)據(jù)信息，在較短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)信息的獲取與整理，協(xié)助建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員優(yōu)化建筑工程中各項(xiàng)目的布局和規(guī)劃。由于建筑工程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)通常需要一個設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)共同參與工作，而BIM技術(shù)就可以將不同設(shè)計(jì)人員的部分模型拼湊形成完整的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種通力合作的形式能讓設(shè)計(jì)人員之間更明確自身的工作任務(wù)，并在無形的競爭中逐漸提高自己的專業(yè)設(shè)計(jì)技能。

3.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

BIM技術(shù)使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更具備科學(xué)邏輯性與合理性，可以讓設(shè)計(jì)人員通過系統(tǒng)更改參數(shù)時能夠仍舊維持部分參數(shù)不變，用以約束模型設(shè)計(jì)中的參數(shù)變化情況，從而讓建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員更明確的掌握改變部分參數(shù)后的方案運(yùn)行情況。

除此之外，BIM技術(shù)還能針對復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行不同參數(shù)下的方案比對，通過有效對比來選擇出最佳方案以完善建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以幫助設(shè)計(jì)人員省去重復(fù)且繁雜的工作內(nèi)容并緩解工作壓力，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員更多地將關(guān)注重點(diǎn)放在優(yōu)化完善設(shè)計(jì)方案的任務(wù)中。

3.3 更直觀的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)體現(xiàn)

BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢讓建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有更為直觀的體現(xiàn)方式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員能夠觀察方案的動態(tài)運(yùn)行效果來分析設(shè)計(jì)缺陷，以便于設(shè)計(jì)人員采取有效的預(yù)防或改進(jìn)舉措，這種生動形象的展現(xiàn)方式同時也為非專業(yè)人士簡潔明了地顯示其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，讓業(yè)主更詳細(xì)地了解建筑工程項(xiàng)目預(yù)期呈現(xiàn)效果。這種可視化的信息技術(shù)可以方便設(shè)計(jì)人員整體性分析建筑外形與內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性和實(shí)用性，設(shè)計(jì)人員需要在完成建筑三維模型設(shè)計(jì)后將其導(dǎo)入可視化軟件來制作成模擬動畫，無論是室內(nèi)結(jié)構(gòu)規(guī)劃還是外觀裝飾設(shè)計(jì)都能有最直觀的動態(tài)體現(xiàn)，同時也有助于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員與業(yè)主之間進(jìn)行良好的溝通交流，使設(shè)計(jì)效果滿足業(yè)主對建筑物各項(xiàng)性能的需求。

3.4 突破時間與空間局限的協(xié)同設(shè)計(jì)

建筑工程項(xiàng)目的建設(shè)時間過于漫長，這期間部分設(shè)計(jì)人員可能因?yàn)楦鞣N原因難以跟蹤參與設(shè)計(jì)和施工建設(shè)的全過程，或是一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的問題需要其他相關(guān)專業(yè)人士的參與，協(xié)同設(shè)計(jì)就成為BIM技術(shù)中的又一優(yōu)勢，基于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)不限時間與空間的交流與設(shè)計(jì)，譬如說數(shù)據(jù)資源共享平臺、設(shè)計(jì)方案臨時變更的線上研討會等等。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中BIM技術(shù)能夠極大限度地增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時間效率，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員可以在網(wǎng)絡(luò)平臺上與不同地域的專業(yè)人才共同完成協(xié)同設(shè)計(jì)，以不同視角推動建筑項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的順利開展。在不同條件下使用局域網(wǎng)內(nèi)部協(xié)作或廣域網(wǎng)協(xié)作等不同處理模式來實(shí)施對BIM技術(shù)的合理運(yùn)用，這需要建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器并充分運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)作功能以開展建筑結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)，當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間開啟工作共享后可以建設(shè)建筑項(xiàng)目的中心模型，儲存設(shè)計(jì)人員的所有更改信息和建筑項(xiàng)目的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，設(shè)計(jì)人員在中心模型的副本中完成設(shè)計(jì)與參數(shù)更改后將其上傳至中心模型庫中，其他用戶則能在模型庫里載入其設(shè)計(jì)與調(diào)整修改情況。這種協(xié)同設(shè)計(jì)模式可以將不同設(shè)計(jì)人員制作的模型部件通過鏈條文件來整合起來，形成完整的初步建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，其中存在矛盾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就會在BIM技術(shù)下直接體現(xiàn)出來，以便于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)根據(jù)矛盾問題實(shí)施針對性的探討和調(diào)整。

3.5 碰撞檢測技術(shù)應(yīng)用

過往的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式將方案設(shè)計(jì)圖紙疊加起來觀察其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重復(fù)等情況，特別是管線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極為繁復(fù)且工程量較大，需要設(shè)計(jì)人員人工觀察核實(shí)方案圖紙中線路的可行性。這種二維圖紙方案展現(xiàn)的信息不夠全面完整，人工觀察也難免出現(xiàn)判斷失誤或是遺漏，修改調(diào)整圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時又會延誤建筑項(xiàng)目的施工進(jìn)程，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員而言是一項(xiàng)十分耗費(fèi)精力的工作任務(wù)。BIM技術(shù)就可以有效優(yōu)化并測試其重復(fù)或不合理情況，借助信息技術(shù)構(gòu)建三維建筑模型來高效開展碰撞檢測工作，以便于及時排查建筑項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理性和重復(fù)性問題，盡可能避免建筑結(jié)構(gòu)在施工階段臨時變更設(shè)計(jì)而產(chǎn)生資源成本的浪費(fèi)。

4 結(jié)語

綜上所述，BIM技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所展現(xiàn)的實(shí)際作用非常鮮明，以三維技術(shù)模擬建筑結(jié)構(gòu)能提前分析其缺陷，進(jìn)而幫助設(shè)計(jì)人員快速尋找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不足并加以改進(jìn)。BIM技術(shù)并沒有改變建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程與表達(dá)方式，這種現(xiàn)代化的信息技術(shù)旨在提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性與科學(xué)合理性，同時也要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員能熟練掌握BIM技術(shù)并將其運(yùn)用到工作中，促使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡可能地節(jié)約人財物以及時間等資源投入，幫助建筑企業(yè)提高建設(shè)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

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