BIM技術(shù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的改變

王志強 武 棟 李 芳

(青島理工大學(xué)管理學(xué)院，山東 青島 266520)

BIM技術(shù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的改變

王志強 武 棟 李 芳

(青島理工大學(xué)管理學(xué)院，山東 青島 266520)

通過對建筑信息模型(BIM)技術(shù)的分析，探討了BIM技術(shù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計信息傳遞、技術(shù)及流程方面的改變，并闡述了BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的優(yōu)勢，指出BIM是未來建筑業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展的主要方向。

BIM技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計，信息，改變

2011年5月10日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《2011～2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，要求“十二五”期間，基本實現(xiàn)建筑企業(yè)信息系統(tǒng)的普及應(yīng)用，明確提出“加快建筑信息模型(BIM)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作等新技術(shù)在工程中的應(yīng)用”。毫無疑問建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)將是未來建筑信息技術(shù)發(fā)展的主流。BIM技術(shù)應(yīng)用在建筑的全壽命周期，相當(dāng)于建筑的“基因”。而勘察設(shè)計階段無疑是決定“基因”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文旨在探究BIM技術(shù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的改變。

1 BIM技術(shù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計信息傳遞的改變

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計團隊內(nèi)部人員之間的信息傳遞

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，一般大型項目均是由結(jié)構(gòu)設(shè)計團隊共同完成。但現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程和規(guī)則很難保證團隊成員之間實現(xiàn)及時準(zhǔn)確有效的信息共享和交換，帶來錯漏碰缺等設(shè)計錯誤。各種結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)計算軟件產(chǎn)生的文件散亂的分布在不同人員的計算機中，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳遞慢，利用率低，文件更新不及時，錯誤和相互不一致，文件丟失、破壞等情況發(fā)生。這些問題耗費了大量結(jié)構(gòu)工程師的時間和精力，增加了成本。BIM技術(shù)具有的數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)共享功能有效的解決了上述問題。BIM技術(shù)建立了項目數(shù)據(jù)庫平臺，結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)會實時的在數(shù)據(jù)庫中修改。因此，設(shè)計團隊成員的數(shù)據(jù)是及時、一致、準(zhǔn)確的。

1.2 不同設(shè)計專業(yè)之間的信息傳遞

結(jié)構(gòu)設(shè)計前接有建筑設(shè)計，后接有暖通空調(diào)、電氣等專業(yè)設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計處于一個承上啟下的位置。建筑專業(yè)是龍頭，結(jié)構(gòu)人員應(yīng)當(dāng)全力協(xié)助建筑師完成建筑設(shè)計，但是現(xiàn)代信息的分離又限制了建筑師與結(jié)構(gòu)工程師之間創(chuàng)造性的相互配合的可能性。這種制約在方案設(shè)計階段尤為重要，致使建筑空間形式和技術(shù)思路關(guān)系不協(xié)調(diào)，從而增加了以后的設(shè)計階段出現(xiàn)矛盾的機會。BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計原則改善了上述問題。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該在建筑方案階段介入，協(xié)同建筑師完成建筑方案設(shè)計，在建筑師有了整體建筑的初步構(gòu)思后，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)對建筑形式作總體構(gòu)思，共同建立方案階段的建筑信息模型，BIM技術(shù)可以加快這個過程中信息傳遞的效率，建筑師與結(jié)構(gòu)工程師將更多的通過建筑模型交流，減少雙方的誤解，讓他們將更多的精力投入到對方案的優(yōu)化設(shè)計上來。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工單位的信息傳遞

結(jié)構(gòu)設(shè)計成果交付給施工單位的形式是一套結(jié)構(gòu)施工圖，圖紙有自身的局限性，難以全面的表現(xiàn)設(shè)計人員的設(shè)計意圖。同時，施工單位的工程師們往往在對設(shè)計結(jié)果進行處理時，花費相當(dāng)一部分工作精力又來重新建模，如施工單位需要從新按照施工圖建模完成施工圖預(yù)算、圖紙分類與匯總等。在施工過程中，設(shè)計變更也是拖延工期增加成本的重要因素。

設(shè)計交付成果采用BIM技術(shù)，不僅可以準(zhǔn)確傳遞結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計意圖，同時施工單位的工程師可以全面的分享建筑的各項數(shù)據(jù)，避免了重復(fù)建模的負擔(dān)，同時設(shè)計人員也可以通過變更建筑信息模型快速的完成設(shè)計變更，減小設(shè)計變更對工期成本的影響。

2 BIM技術(shù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)方面的改變

2.1 三維建筑模型

現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜，建筑立面及屋面呈現(xiàn)為空間曲面形式，傳統(tǒng)的二維設(shè)計與繪圖方式已經(jīng)無法完成如此復(fù)雜的設(shè)計，BIM技術(shù)的三維建筑模型則可以準(zhǔn)確全面的表現(xiàn)空間曲面的設(shè)計。同時三維建筑模型的使用可以使開發(fā)商和投資方的非專業(yè)人士方便直觀的閱讀建筑的結(jié)構(gòu)，表達他們的要求。

2.2 參數(shù)化設(shè)計

研究表明，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段結(jié)構(gòu)工程師花費精力最多的階段是施工圖設(shè)計階段，但是對項目未來表現(xiàn)和造價影響最大的階段是方案設(shè)計及初步設(shè)計階段，這造成了結(jié)構(gòu)工程師將過多的精力投入到了對項目未來而言并非最重要的階段。而BIM擁有的參數(shù)化設(shè)計克服了這個矛盾。 參數(shù)化設(shè)計是BIM的一個核心技術(shù)，它分為兩個部分：參數(shù)化圖元和參數(shù)化修改引擎。BIM模型采用參數(shù)化的三維實體信息描述結(jié)構(gòu)單元，將傳統(tǒng)CAD中點、線、面等元素集成為梁、柱等構(gòu)件，大部分重復(fù)性的及通用的構(gòu)件被定義為族，族中所有的參數(shù)信息不僅包括了構(gòu)件的幾何形狀信息，同時包括了大量的非幾何信息，如材料信息、邏輯信息等。族中的信息囊括了構(gòu)件所有的特征及其與其他構(gòu)件的相互作用關(guān)系，可以使構(gòu)件的模型與真實結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。參數(shù)化修改引擎的應(yīng)用，大大方便了對施工圖的修改，BIM模型的修改是通過參數(shù)的調(diào)整反映出來的，數(shù)字化建筑構(gòu)件所有信息都以參數(shù)的形式保存在BIM數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)通過圖形軟件生成三維模型。構(gòu)件之間的相互關(guān)聯(lián)在數(shù)據(jù)庫的參數(shù)中都會體現(xiàn)。參數(shù)化修改引擎提供的參數(shù)更改技術(shù)使用戶對建筑設(shè)計或文檔部分作的任何改動都會改變數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并自動的在BIM模型中反映出來，聯(lián)動的修改與之相關(guān)聯(lián)的其他部分。構(gòu)件的移動、刪除和尺寸的改動所引起的參數(shù)變化會引起相關(guān)構(gòu)件的參數(shù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的變化，始終保證BIM模型的協(xié)調(diào)一致，在此基礎(chǔ)上生成的所有圖紙的一致性也將保持一致，而不必逐一對所有圖紙進行檢查修改。從而提高了工作效率和工作質(zhì)量。

以結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架節(jié)點設(shè)計為例，基于BIM的軟件可以反映節(jié)點的空間位置，并將其與桿件信息及其他節(jié)點相關(guān)聯(lián)，當(dāng)節(jié)點空間位置發(fā)生變動后，桿件的位置必然隨之聯(lián)動變化，此時我們只需要更改直接改變的節(jié)點參數(shù)信息，與之相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件信息會聯(lián)動修改，同時BIM三維模型亦將形成新的實體。所有出現(xiàn)此節(jié)點的視圖和圖紙會自動作相應(yīng)的移動，所有相關(guān)尺寸也會更正。參數(shù)化圖元與參數(shù)化修改引擎帶來的雙向聯(lián)動性和即時性，及全面?zhèn)鬟f變動的特性，帶來了內(nèi)部協(xié)調(diào)一致、可靠的模型，這將使施工圖不再出現(xiàn)前后矛盾的現(xiàn)象，使得施工圖的設(shè)計過程更加高效便利。

3 BIM技術(shù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計流程的改變

目前傳統(tǒng)的設(shè)計流程是利用PKPM等有限元結(jié)構(gòu)分析軟件進行結(jié)構(gòu)建模、整體空間受力和變形分析及截面設(shè)計，然后利用二維CAD等繪圖軟件來繪制傳統(tǒng)的施工圖文檔。

基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程是(見圖1)：1)工程師從BIM數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出建筑幾何信息，結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計結(jié)構(gòu)方案階段模型并進行簡化的結(jié)構(gòu)分析，通過不斷的調(diào)整與改進，完成初步的結(jié)構(gòu)選型與布置；2)建立初步分析階段模型，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)有限元軟件進行結(jié)構(gòu)受力與變形計算，完成截面設(shè)計，在這個過程中仍要不斷調(diào)整；3)各專業(yè)評估結(jié)構(gòu)模型，輸入BIM數(shù)據(jù)庫，利用BIM軟件生成施工圖。

4 結(jié)語

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展及在建筑業(yè)的普及，結(jié)構(gòu)設(shè)計將會一同發(fā)生重大的變革，目前結(jié)構(gòu)工程師的專業(yè)分工和工作流程將會隨之改變，許多困擾結(jié)構(gòu)設(shè)計的難題將會得到解決。但由于現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)計算軟件與BIM的雙向?qū)拥葐栴}，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)接受及應(yīng)用BIM不是一朝一夕的事，要對設(shè)計過程在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上逐步優(yōu)化，讓工程師切實體會到BIM所帶來的好處。

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[2] 李華峰.BIM技術(shù)在紹興體育場開合結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，43(17)：144-148.

[3] 吳文勇.BIM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的研究與實現(xiàn)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，43(sup)：825- 828.

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The change of BIM technology to structure design

WANG Zhi-qiang WU Dong LI Fang

(ManagementSchool,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266520,China)

Through the analysis on Building Information Model (BIM) technology, this paper discussed the changes of BIM technology to structure design information transfer, technology and process aspects, and elaborated the advantages of BIM technology in structure design, pointed out BIM was the main direction of future construction industry information technology development.

BIM technology, structure design, information, change

1009-6825(2014)34-0047-02

2014-09-25

王志強(1976- )，男，碩士生導(dǎo)師,副教授，注冊土木工程師(巖土)，一級注冊建造師； 武 棟(1990- )，男，在讀碩士； 李 芳(1990- )，女，在讀碩士

TU318

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