BIM技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用研究

倪超杰 鐘冬冬

（1.浙江工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310000；2.中建八局第二建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

設(shè)計(jì)階段是建筑工程建設(shè)全生命周期中的上游階段，此階段工作的合理性不僅可以為建筑后續(xù)施工打下基礎(chǔ)，還可以保證開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目在市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)中達(dá)到預(yù)期收益[1]。為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)階段的工作需求，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，本文結(jié)合BIM技術(shù)，以真實(shí)案例作為載體，對(duì)技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的合理化應(yīng)用給予幫助。

1 建筑工程概況

以某地區(qū)大型建筑工程企業(yè)承包的項(xiàng)目為例，對(duì)基于BIM技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作展開(kāi)分析與研究[2]。設(shè)計(jì)前，提取建筑工程項(xiàng)目信息，總結(jié)并整理項(xiàng)目概況，見(jiàn)表1。

表1 建筑工程概況

根據(jù)《建筑工程結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》文件規(guī)定，設(shè)定此建筑工程項(xiàng)目所在場(chǎng)地的粗糙程度為A類(lèi)，樓體相關(guān)結(jié)構(gòu)（含樓面）為活荷載[3]。根據(jù)文件要求，設(shè)計(jì)建筑工程項(xiàng)目不同的荷載取值，見(jiàn)表2。

表2 建筑工程項(xiàng)目不同的荷載取值

2 BIM技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

2.1 基于BIM技術(shù)的建筑工程結(jié)構(gòu)模型建立

引入BIM技術(shù)，首先完成對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)模型的建立。對(duì)于建筑工程項(xiàng)目而言，從一個(gè)階段到另一個(gè)階段時(shí)，結(jié)構(gòu)模型的精度應(yīng)當(dāng)逐漸增加[4]。為了確保在每一個(gè)階段各個(gè)參與方都能夠明確自身職責(zé)，在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)后續(xù)各階段要求，對(duì)模型的詳細(xì)程度進(jìn)行不同等級(jí)劃分[5]。按照結(jié)構(gòu)模型的詳細(xì)程度從低到高，依次定義為L(zhǎng)OD100等級(jí)、LOD200等級(jí)、LOD300等級(jí)、LOD400等級(jí)和LOD500等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的詳細(xì)程度依次為：模型元件可用符號(hào)或通用方式表示，利用圖形方式在BIM模型中表示預(yù)期相關(guān)聯(lián)的元件信息；構(gòu)建的模型元件可作為通用對(duì)象或物件，并且BIM模型當(dāng)中需要包含尺寸、形狀、位置等信息；構(gòu)建的模型元件可作為特定對(duì)象或物件，BIM模型中同樣需要包含上述三種信息；元件可作為特定對(duì)象或物件，并包含上述三種信息，且能夠提供詳圖、制作和安全等具體內(nèi)容；元件能夠與施工現(xiàn)場(chǎng)的尺寸、形狀、位置完全一致[6]。在對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行建立時(shí)，可在Revit軟件當(dāng)中，完成對(duì)模型類(lèi)型創(chuàng)建，如圖1所示。

圖1 Revit軟件中BIM創(chuàng)建類(lèi)型選擇

在完成對(duì)BIM模型創(chuàng)建類(lèi)型的選擇后，按照創(chuàng)建標(biāo)高→繪制軸網(wǎng)→布置結(jié)構(gòu)構(gòu)建→創(chuàng)建圖紙→出圖的流程實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)建模。最后，完成對(duì)BIM結(jié)構(gòu)模型的建立后，在Revit軟件中以DWG或PDF的格式將BIM模型文件導(dǎo)出。

2.2 建筑工程結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

在完成對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)BIM模型的建立后，在設(shè)計(jì)階段還需要完成對(duì)工程結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)。在對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行制定時(shí)，其數(shù)據(jù)交換需要多個(gè)參與方的協(xié)調(diào)溝通和反饋，同時(shí)數(shù)據(jù)交換也會(huì)變得更加頻繁[6]。圖2為基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)階段建筑工程結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程圖。

圖2 設(shè)計(jì)階段建筑工程結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程圖

按照?qǐng)D2所示的方式對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中引入IFD模式，實(shí)現(xiàn)各個(gè)參與方的提前介入，并通過(guò)協(xié)同管理模式，對(duì)碰撞和錯(cuò)漏缺等問(wèn)題進(jìn)行快捷、高效地解決。

2.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容深化

在完成對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)后，根據(jù)結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)、水、熱、電專(zhuān)業(yè)的修訂建議，對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，使設(shè)計(jì)內(nèi)容更加深入。在此階段，要把建設(shè)項(xiàng)目的可行性、經(jīng)濟(jì)合理性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]。在對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容深化時(shí)，主要內(nèi)容包括：擬定設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)結(jié)構(gòu)、水、暖、電等專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)方案作為重點(diǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)、水、熱、電專(zhuān)業(yè)的修改意見(jiàn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的調(diào)整與優(yōu)化，以加深對(duì)結(jié)構(gòu)的理解[8]。在這一階段，要以項(xiàng)目可行性和經(jīng)濟(jì)合理性作為評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還需要明確具體的投資金額和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。設(shè)計(jì)內(nèi)容中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要包括結(jié)構(gòu)面積系數(shù)、輔助面積系數(shù)、工程總造價(jià)等。其中，結(jié)構(gòu)面積系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中F代表結(jié)構(gòu)面積系數(shù)；S代表建筑面積；S′代表結(jié)構(gòu)面積。

除此之外，原有對(duì)機(jī)電施工圖的深化設(shè)計(jì)也可在這一階段完成。具體而言，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先對(duì)上述構(gòu)建的BIM模型進(jìn)行載入，在此基礎(chǔ)上，采用BIM技術(shù)可視化的特性，在結(jié)構(gòu)工程中引入或連接的模式。新的工程模板必須以結(jié)構(gòu)分析-定義CHNCHS為基礎(chǔ)，以此根據(jù)建筑工程項(xiàng)目特點(diǎn)建立符合要求的項(xiàng)目樣板[9]。在此基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行繪制。在平面視圖當(dāng)中，若某一參數(shù)發(fā)生變化，則任何一個(gè)視圖中的參數(shù)都會(huì)同步發(fā)生改變，以此提高深化設(shè)計(jì)的效率。

2.4 二維圖紙與三維視圖關(guān)聯(lián)

在完成上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的深化后，在Revit軟件中完成對(duì)二維圖紙的編輯。將導(dǎo)入的BIM模型各個(gè)方向上的視圖以二維形式展現(xiàn)；對(duì)二維視圖圖紙進(jìn)行匯編或編譯，并從Revit軟件中導(dǎo)出。將導(dǎo)出的文件載入到CAD軟件和Excel軟件當(dāng)中，生成CAD圖紙和表格；最后，將得到的圖紙文件和表格文件進(jìn)行發(fā)布和打印。生成的二維視圖需要送審報(bào)批，BIM模型及生成的二維視圖需要同時(shí)交付和歸檔[10]。按照上述方式獲得的每張圖紙都是由三維模型自動(dòng)生成的，其平面與三維視圖都是相互關(guān)聯(lián)的。同時(shí)，在Revit軟件的支撐下，能夠進(jìn)一步提高圖紙生成和管理的效率。

3 實(shí)證應(yīng)用分析

在已知建筑工程項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)參數(shù)后，使用Revit軟件，創(chuàng)建針對(duì)此建筑工程項(xiàng)目的幾何結(jié)構(gòu)模型，創(chuàng)建過(guò)程中，對(duì)節(jié)點(diǎn)與板面之間的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)連接設(shè)計(jì)。并在創(chuàng)建過(guò)程中使用不同的族、元、類(lèi)，建立針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件屬性的集合信息模型。參照上文內(nèi)容，建立針對(duì)此建筑工程項(xiàng)目的基本結(jié)構(gòu)模型，具體步驟為：①在操作界面選擇建筑工程模型結(jié)構(gòu)樣本文件；②將樣本文件與建筑各個(gè)結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)之間進(jìn)行連接，創(chuàng)建基本的BIM結(jié)構(gòu)；③在界面中進(jìn)行軸網(wǎng)的創(chuàng)建；④在界面中進(jìn)行標(biāo)高數(shù)據(jù)的導(dǎo)入；⑤在文件夾中選擇適配的族樣本，將其導(dǎo)出后，制作對(duì)應(yīng)的構(gòu)件族文件；⑥在結(jié)構(gòu)模型中布置混凝土柱；⑦在結(jié)構(gòu)模型中布置混凝土結(jié)構(gòu)梁；⑧創(chuàng)建建筑工程結(jié)構(gòu)板；⑨檢查模型細(xì)部結(jié)構(gòu)是否合理。

按照上述方式，完成對(duì)建筑工程BIM模型的初步構(gòu)建，操作界面進(jìn)行視圖樣板的調(diào)節(jié)，使視圖顯示成不同的樣式，通過(guò)此種方式生成一個(gè)模板結(jié)構(gòu)圖。在Revit軟件中，對(duì)結(jié)構(gòu)物理模型的展示形式進(jìn)行導(dǎo)出，見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)物理模型展示

在此基礎(chǔ)上，使用有限元建模軟件，根據(jù)工程設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行梁頂面中心位置參數(shù)的修改，修改界面見(jiàn)圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)梁參數(shù)修改界面展示

完成上述設(shè)計(jì)后，對(duì)結(jié)構(gòu)模型賦予對(duì)應(yīng)的屬性信息，根據(jù)《建筑工程結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》文件規(guī)定，在Revit軟件中選擇對(duì)應(yīng)的荷載與屬性類(lèi)型，進(jìn)行荷載的添加。操作界面如圖5所示。

圖5 荷載展示界面

在此基礎(chǔ)上，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行建模，操作步驟為：①在操作界面中選擇本地文件或云端文件，選定項(xiàng)目所屬服務(wù)器后，在界面上設(shè)定可進(jìn)行讀寫(xiě)操作的服務(wù)器有效路徑；②將項(xiàng)目的Revit初始化文件復(fù)制到服務(wù)器中，將其作為鋼筋建模的中心文件；③由設(shè)計(jì)人員操作界面打開(kāi)文件，完成對(duì)中心文件工作集的創(chuàng)建；④由設(shè)計(jì)人員在中心文件中創(chuàng)建多個(gè)子集，并劃分對(duì)應(yīng)子集的所有者；⑤各個(gè)子集所有者將Revit用戶(hù)名修改為與中心文件中子集所有者一致的名稱(chēng)；⑥子集所有者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路徑打開(kāi)中心文件，將本子集的工作權(quán)限由“否”修改為“是”，再將中心文件以另存為的方式存儲(chǔ)到本地文件夾中，將其作為初始化子集；⑦完成中心文件與子集的創(chuàng)建后，將信息錄入結(jié)構(gòu)模型。

完成上述設(shè)計(jì)后，將建筑工程中1～10層中的鋼筋、梁節(jié)點(diǎn)碰撞作為測(cè)試指標(biāo)，檢查設(shè)計(jì)的圖紙是否存在此種問(wèn)題，見(jiàn)表3。

表3 1～10層中的鋼筋、梁節(jié)點(diǎn)碰撞

表3可以證明本文設(shè)計(jì)的方法在應(yīng)用中具有可行性。在上述內(nèi)容基礎(chǔ)上，對(duì)比基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)方案的實(shí)際應(yīng)用效果，見(jiàn)表4。

表4 基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)方案的實(shí)際應(yīng)用效果

綜上，基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)方案應(yīng)用效果更佳。

4 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)作為建筑設(shè)計(jì)的主體技術(shù)，在工程建設(shè)的全過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用，其中BIM的正向設(shè)計(jì)將直接影響到設(shè)計(jì)效果，然而，由于技術(shù)自身的特殊性原因，BIM在工程實(shí)踐中的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，與實(shí)際推廣使用相比還有一定的差距。

在后續(xù)的工作中我們應(yīng)當(dāng)：①對(duì)BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，以期為BIM在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供參考；②在BIM的設(shè)計(jì)中，完善BIM的建模規(guī)范和交付標(biāo)準(zhǔn)，并建立行業(yè)內(nèi)外的BIM模型。