BIM技術及其在結構設計中的應用探析

蘇琳琳

摘要：隨著BIM技術與思想的不斷發展和成熟，BIM軟件產品的不斷升級更新，BIM技術在中國范圍內開始應用于土木工程的設計、施工、運營等各個領域，但就建筑設計階段而言，調查顯示，BIM技術在建筑和設備方面的使用率要遠遠高于BIM技術在結構方面的使用率，而結構又是BIM模型中不可或缺的一部分，所以在結構設計應用BIM技術是十分必要的本文從BIM技術的概念和特點入手，特別針對建筑結構設計的BIM體系及其軟件，綜述了建筑結構設計中的應用新技術，重點探析了BIM技術在結構設計中應用。

關鍵詞：建筑結構；設計；BIM技術；應用

中圖分類號：TU318；TU311.41文獻標識碼：A文章編號：1674-3024（2017）08-0245-02

隨著社會經濟的前進，建筑行業也在創新發展，BIM技術的應用和推廣，引導裝配式建筑的規范化、標準化發展。在《2011-2015建筑業信息化發展綱要》中，提出把BIM技術作為支撐行業產業升級的核心技術重點發展。建筑設計是建設全過程的基礎，應用先進的技術是建筑的基礎與質量保證，因此，在建筑設計中應用BIM技術，是當前設計行業的發展方向和推進目標。

1.BIM技術的概念

BIM就是建筑信息模型，它的每個簡寫字母代表：B（建筑Building）+I（信息information）+M（模型應用Modeling、管理Management）。BIM是一種統一數據庫模型技術，集成諸多前沿計算機技術。它通過虛擬建造全過程達到信息化、可視化、精細管理。應用BIM技術能夠提高效率、減少錯誤，優化過程，快速溝通，提高管理水平，從而達到減低造價，提升品質的目的。

BIM是一種建筑全生命期的宏觀思維。

2.BlM技術的特點

2.1可視化特點

BIM技術提供給了可視化的思想，為建筑人員建筑人員、管理人員展示三維立體的實體建筑結構。這樣的立體圖是通過建筑的信息自動形成，還原度較高，相比之前建筑的效果圖來說，增加了結構之間的互動性和反饋性。可視化特點不僅能夠反映立體式的建筑效果，對于在建筑過程的設計、建造，以及在運營過程中的溝通、討論、決定，都保證在可視化的狀態進行。

2.2協調性較好

協調性是建筑過程中的重點。在建筑過程中，對于建筑的相關問題，與施工單位、建筑團隊以及業主都要進行很多次的溝通、協調，才能正確把握建筑的方向。目前建筑信息是通過不同專業圖紙的方式告知給施工人員、建設方管理人員。這需要有相當專業知識能讀懂圖紙，還不易發現問題。對于各專業在設計過程的錯漏碰撞，不能第一時間直截了當地發現問題，解決問題。

BIM技術的協調性服務正好可以解決這類問題，BIM能實現設計同步，各專業早起介入，設計制圖同步，從三維模型提取所需信息，實現零距離溝通。三維模型與二維圖紙保持實時更新匹配，圖紙協調一致。

2.3模擬化特點

模擬化不僅能夠模擬設計的建筑物模型，還能夠模擬在實際進行中操作的事物。在設計階段時，BIM技術可以針對相應的需要進行模擬實驗，比如：節能性能的模擬，緊急疏散裝置的功能模擬，日照功能的模擬。作為適應現代化的一種技術，BIM技術在施工階段還可以進行4D的模擬，通俗來說就是根據施工的組織設計，然后模擬施工，最終根據實驗結果確定合理的施工方案進行施工，確定指導依據。

2.4性能優化

在建筑的整個過程中，包括方案的設計、施工以及后期運營的整個階段，一直存在著優化的問題。BIM模型提供了更好的手段和方式進行優化，首先是對項目方案的優化，BIM能夠提高設計人員準確的信息，如物理信息、圖形信息、規則信息，還能夠提供建筑物變化之后的信息。復雜建筑物設計如屋頂網架方案、建筑造型立面、排水等不匹配時，能直觀發現，帶來建筑物平面、立面等優化。

基于BIM的優化還可以將項目設計與投資的回報分析相互結合起來，實時計算設計所產生的變化對投資回報的影響。影響的直觀表現可以展示給業主，業主不僅可以能從外觀上評價設計方案，而且能夠了解哪種設計方案更加符合自身的需求。

3.國內BlM的政策

現代化、工業化、信息化是我國建筑行業發展的三個方向，BIM技術將會是我國建筑行業信息化未來的主旋律。隨著BIM技術的逐漸成熟，國家也出臺了許多的政策支持，比如：在《2011～2015建筑業信息化發展綱要》中，提出“2020年末，……集成應用BIM的項目比率達到90%：以國有資金投資為主的大中型建筑，申報綠色建筑的公共建筑和綠色生態示范小區”。廣西壯族自治區在2016年1月出臺的《廣西推進建筑信息模型應用的工作實施方案》指出：2016年起到2017年底，有計劃選擇一批投資額在1億元以上或單體建筑面積2萬平米以上技術復雜、管理協同要求高的工程進行試點，并提供項目支持。

4.建筑結構設計的BlM體系及相關軟件

4.1BIM體系介紹

BIM體系可分為工具層、平臺層以及環境層，不同的體系層級中包括不同的建筑過程。工具層包括有：結構建模、結構分析、深化設計、4D模擬等，平臺層包括：建筑建模、方案造型、可視化，環境層包括：設備建模、綠色設計、規范檢查等。相互之間都存在某種關聯，或直接或間接的關系詳圖1。

4.2BIM相關軟件

設計是建筑的核心，而作為設計軟件是模型信息的創建者，是BIM相關應用價值的基礎。在建模階段，相關的設計軟件有：AutodeskRevit：Revit軟件、ArchiCAD軟件、MagiCAD軟件等等。整合應用的有：NavisWorks、BIM360Glue、A360等。平臺管理的應用有：BIM5D、RIBhwo等。其他BIM應用：性能分析、GIS、方案推敲等。

（1）首先介紹一下AutodeskRevit：Revit軟件，這款軟件是歐特克BIM套件，主要是建筑設計者的設計工具，包括有：RevitArchitectur、RevitMEP、RevitStructure軟件。Revit是以建筑構件為建筑基本元素，Revit具有以下特點：

①全專業，Revit能夠解決機電與結構的相關問題，還支持與可視化、方針、分析軟件無縫銜接，實現建筑管線之間的碰撞檢測，而且支持現場實時漫游、多專業協調等應用。

②智能化，Revit有強大的聯動功能，能夠實現平、立、剖相關聯，做到移除更新，處處更新，這樣能夠減少錯誤的發生。

③出圖性，不僅能夠精確建模，而且建模生成的平立圖完全實現對接，減少了人為因素的影響。

④擴展性，Revit不僅自身功能強大，而且支持擴展，全面開放接口，能夠支持二次開發，解決了數據轉換、統計提取、專業擴展的問題，實現無縫銜接。

（2）ArchiCAD軟件是歐洲針對建筑設計推出的設計軟件，支持BIM的工作流程，在建筑的全過程都可以應用。其特點如下：

①符合建筑人員的使用習慣，這是ArchiCAD軟件在運用中最顯著的特點，設計人員可以根據需要生成任何表現形式，不管是平面圖、立體圖還是剖面圖或者其他，智能化不但能夠節約時間，而且保證了圖紙的準確性。

②輕量級，軟件本身很優秀，降低了對硬件的要求，即使電腦很普通，軟件也可以順利運行。

③支持通用數據格式，軟件本身對建筑IFC數據標準的支持良好，不管是基于IFC的數據格式還是進行數據轉換，都不需要再次建模，降低了難度。

經過以上分析，不難看出這兩款軟件都有著各自優秀之處，但是也是存在缺陷的。針對不同的設計要求，要選擇合適的設計軟件，這樣才能保證效率和準確性。

5.BlM技術在結構設計中應用

5.1場地分析應用

BIM技術能夠幫助分析地形，提高準確的場地信息，提供場地的各項相關數據。第一輪設計建立設計地形模型，第二輪設計建立設計地形與原始地形疊合的模型，找出土方盈虧的區域，計算出填土和挖土的土方量。找到優化后的設計地形，建立建筑總平面布置模型。這樣的優化設計，在實際施工過程，能夠減少土方工程量，減少擋土墻及土方趨于平衡的土方外運費用。也能得到理想的場地規劃、交通流線組織關系、建筑布局等建設方關注的要點。

5.2建筑模型與結構分析模型的連接應用

Revit是BIM應用技術的代表軟件，能夠實現各專業的協同設計，也具備有自己的結構分析軟件。但因其是國外軟件，尚不能很好地適應我國結構規范的要求。在我國工程界中，PKPM是應用廣泛的國內結構計算主流軟件，軟件緊跟國家規范。近年來，在Revit平臺上開發了PKPM與Revit的雙向數據接口，真正實現了建筑模型與結構分析模型的雙向連接轉換。

在Revit中建立網格和樓層線，將CAD文件按正確的單位導入軟件，在對應上網格選用建立估算的柱、墻族構件，在樓層線上建立估算的梁、板等族構件，墻上嵌入門、窗等，形成模型Revit。族是Revit的基本也最繁復的概念，分為系統族、標準構件族、內建族。對于結構來說，應用最多的是系統族和標準構件族，它包含基本建筑構件，如“墻”、“梁”、“板”、“柱”等。

Revit的模型構件還是尚未經過結構分析計算的構件，需要轉入PKPM進行結構計算。現行版的PKPM實現了Revit模型數據和PM模型數據的雙向轉換：實現了Revit直軸線、弧軸線、標高、豎直柱、斜柱、直梁、弧梁、直墻、弧墻、普通樓板、斜板、墻洞、板洞、豎井、材料、族截面等向PKPM的轉換；實現了PKPM直軸線、弧軸線、樓層、豎直柱、支撐、直梁、弧梁、直墻、弧墻、普通樓板、斜板、墻洞、板洞、材料、截面等向Revit的轉換，詳參考文獻。即未經計算的Revit模型轉入PKPM后，經過PKPM的數檢、計算分析軟件（如鋼筋混凝土結構常用的sATwE）的計算調試，獲得滿足國家結構規范的結構體系、得到具體的柱墻梁布置、構件尺寸，可以使用與施工建設。再通過PKPM的雙向接口，導入回Revit，獲得真正意義上的模型。

建筑、水電、暖通專業共享此回代模型。因BIM的三維可視性，建筑師們可以直接對結構柱、墻、梁的位置、尺寸是否滿足建筑師們的設想做出判斷，水電工程師們也可以校核結構梁墻是否妨礙其管線布置，在此成果模型上布置管線，獲得真實的樓層凈空，方便直接進行設計優化。

6.小結

隨著計算機科技的不斷進步，BIM技術在建筑業的應用越來越廣泛。深入研究分析BIM技術，積累寶貴經驗，相信在不久的將來，BIM將會在我國建筑業形成一種全新的概念與技術風格，給行業帶來全新的契機。