探析建筑結構設計中BIM技術的應用

丁萍

（廣東南粵瓏圖建筑設計有限公司　廣東佛山　528000）

1　引言

隨著我國經濟的發展和科學技術水平的提高，建筑工程也處在一個快速發展的階段，而BIM技術在建筑工程中的應用是對傳統建造和運維模式的提升。BIM技術的應用主要體現在信息參數化、三維可視化、信息管理化，以仿真方式實現工程的全方位管控。建筑工程三維可視化仿真是通過三維動畫的形式來表現一個生動、形象、動態的建筑工程組合空間構件，演示施工全過程，形成并顯示出以信息和數據為依據的模擬圖形，而不僅是傳統的文字和文本表達方式。BIM三維信息模型是建筑工程設計行業發展中又一項重要先進技術，在信息、數據、數據模型和通用模型中發揮了重要作用，建筑行業逐漸應用了BIM技術，是建筑工程中的模型數字化體現，主要作用解決建筑工程實施和運營中遇到的各種問題，通過與之相關聯的各專業技術人員，對施工過程中的相應的信息進行處理，以及配合其他環節維護后期運營管理。

2　BIM技術的特點

BIM三維施工仿真技術，通過對整個建設項目的信息采集，然后對采集到的信息進行數字化。例如：建筑材料、設備、單價以及施工進度等。這些建筑工程數據可以通過BIM三維信息模型轉化為相關的數字信息。通過數字信息反映的情況，解決施工過程中遇到的問題，通過相關技術人員，在施工過程中相應的信息處理等環節來維護模型化項目的運行。建筑信息模型是一種數字化的設計、施工和管理的手段，該系統既支持了內部集成管理環境，又提高了整個施工管理過程的效率，避免施工過程中的錯誤風險發生。BIM技術的獨特優勢是建立相對獨立的工程數據。通過三維可視化環境和辦公自動化，可以及時處理信息系統中存在的問題，實現不同專業之間的通信和數據信息共享，提高系統的全生命周期，如圖1所示。

圖1　BIM模式圖

3　建筑結構專業應用BIM的意義

BIM的推廣應用是不可逆轉的時代潮流，結構專業作為建筑設計的重要支柱，同時又是建筑行業的上游專業，應率先完成BIM的過渡，使其信息參數化、三維可視化、信息管理化。BIM技術對于結構專業的特殊意義在于：

（1）傳統的結構設計也有三維的結構計算模型（并帶有結構計算信息），但結構計算模型經過一定程度的簡化、歸并，與圖紙并不完全對應；BIM模型則是與圖紙完全對應的結構三維模型，滿足可視化設計需求，可以避免低級錯誤。

（2）傳統結構設計基本上采用計算模型與圖紙分離的模式進行設計，構件信息與圖紙標注無關聯；結構BIM模型的構件信息與標注相互聯動，避免圖紙低級錯誤。

（3）結構計算模型僅供專業計算使用，無法提供給其他專業應用；結構BIM模型可以參與到多專業的協同過程，整體發揮作用。

（4）依賴于Revit平臺強大的可視化表現能力，可以對結構構件作各種檢測分析，并且以直觀的方式表現出來，輔助設計人員對結構體系作出優化設計。

（5）結構BIM模型可以快速統計工程量，雖然目前主要為混凝士量，準確度也依賴于建模規則，但可以作為對項目造價快速估算與對比的參考依據。

（6）結構BIM模型對于施工交底作用較大，可視化交底過程可以顯著提高溝通效率，減少信息不對等導致的理解錯位。

總的來說，結構BIM技術打破了傳統計算模型+二維設計的工作方式，直觀的表達設計師的意圖，能夠減少重復溝通的時間，同時可視化的工作方式，輔助設計師更容易發現問題，對提高結構設計質量具有積極意義。

4　BIM技術在建筑結構設計中的具體應用

4.1　在施工場地分析中的應用

建筑結構設計的合理性不僅體現在建筑結構本身的穩定性和安全性上，而且與建筑場地的環境和地質條件密切相關。BIM系統可與地理信息系統相結合，模擬施工現場，建立建筑工程模型。如圖2所示，對建筑場地的特點和條件進行綜合分析，選擇最佳的施工場地，使建造的適應性和場地條件最優。

圖2　BIM模型圖

4.2　建筑結構設計

在建筑設計中，BIM模型可以用來分析建筑的投資和建造成本，從而在建筑的早期階段，決策者對設計方案做出合理的選擇，避免后期的返工，減少不必要的投資浪費。例如，某公共建筑的總建筑面積為3000m2。在平面和豎向結構方案確定以后，估算項目成本時，發現成本超過預算。通過優化設計方案，對BIM數字模型進行調整，局部采用輕鋼結構，調整局部空間形態和面積，以滿足成本控制要求，從而進行優化。

4.3　結構的可視化設計

在建筑結構設計過程中，BIM技術的三維技術可以用來展示建筑結構及其相關構件的立體效果。此外，通過使用BIM技術建立的實體模型，用戶可以根據需要從不同角度觀察建筑構件特征、尺寸、方向和材料等。

在建筑結構的可視化設計中，BIM技術可以使設計者準確地查看整個建筑的布局和細節，從而快速發現建筑設計中各方面的缺陷，例如建筑樓梯踏步上下凈空是否滿足空間高度要求，不能碰頭，是否有大小差異，以及梁柱是否與水、電管網發生碰撞等等。由此可見，BIM技術在建筑工程可視化設計中的應用，不僅可以提高結構設計的效率和質量，而且可以在結構設計過程中不斷發現問題，從而減少結構設計中的誤差。

4.4　鋼結構建模

在現階段，鋼結構已成為大跨度建筑的主要結構形式，在建設中，通常會面臨結構連接和加固處理的困難。鋼結構設計的連接方式通常有梁柱連接、梁梁鉸接和梁梁剛性連接等連接形式，在設計中需要構件各種參數，來反映各種構件之間的相互連接關系。應用BIM技術，將構件之間的關系通過參數化，三維可視化提取信息，進行合理化設計。例如，可通過參數共享來有效地控制螺栓的數量和合理的間距，設計師通過調整參數以形成更加合理的連接體系；在構件加固件和連接設計中，設計師只需勾畫大概的形式，交給建模技術人員，然后通過參數設置反映在參數化的模型中，再作合理的調整，以此確定加固件的準確位置。由此可見，應用BIM技術對提高鋼結構的質量和施工效率有著重要作用。

4.5　結構的性能分析

在建筑結構設計中，需要合理布置結構型式，提高結構的抗震性能。在建筑結構性能分析中，一些設計師仍然缺乏一定的分析能力，這項工作將需要大量的人力物力財力投入。將BIM技術應用于結構設計分析中，可以實現對建筑結構性能數據的自動分析，及時發現建筑設計中的缺陷，從而對建筑結構的設計方案作最合理的選擇。

4.6　體系結構的協同設計

在BIM建筑模型中，可以實現建筑物結構數據信息的自動更新。在保證建筑結構質量的前提下，可以保證建筑結構模型數據的真實性，并對結構進行合理的統計，在建筑結構統計中，應注意以下幾點：

（1）在建立結構模型時，需要依賴于Revit平臺的可視化表現力對結構構件作各種檢測分析。

（2）保證建筑結構數據的合理性，加強與各專業的協調，通過結構數據的處理，保證建筑設計的協調性。

5　BIM在結構設計中應用的難點

在BIM技術的應用中，由于BIM是新技術，或多或少存在一些問題：

（1）BIM技術的應用尚處于探索階段，沒有標準系統作為參考；由于BIM技術是新應用，暫時沒有相應的應用規范標準。最重要的是信息交換，因此BIM標準與軟件之間的協調是非常重要的，法律責任的問題體現在BIM技術在使用過程中的合法性和有效性，以及PARAMET的傳遞。ERS還將涉及知識產權和責任問題，模型和傳統技術的內容是相似的。在設計過程的不同階段，BIM技術設計的深度和內容各不相同，設計標準也不同。

（2）BIM的技術缺陷，由于目前BIM技術尚處于推廣階段，推廣中存在的問題采用國外軟件，本地化水平不高，工作人員的工作能力也比較嚴格，軟件模塊不完善，DATA共享、數據傳輸程度低；成本相對較高，需要投入大量資金用于技術人員培訓和高配置設備，才能保證設備和軟件的正常運行。

（3）BIM技術的歸檔和硬件配置要求較高，配置水平的提高使得其成本增加。因此，解決BIM技術文檔存儲問題勢在必行。

6　BIM在結構設計中構件模型

6.1　建立完整的項目模板

工程模板是設計工作的基礎。項目模板的主要內容是對各種線條、字體、符號進行規范化及標準化處理。在BIM技術中，我們需要創建一個更好的質量模板，這樣可以減少工作量，避免重復工作內容，提高設計效率。

6.2　設計滿足要求的結構構件

結構設計中涉及的構件類型有基礎、柱、梁、樓板、墻體、樓梯等，可分為預制構件、現澆構件和鋼構構件三種主要類型，可作為結構設計構件模型的構件參考標準?，F澆構件是建筑工程中常見的一種結構形式，在選擇設計方案時，設計師會根據設計要求和施工條件以及經濟性對比合理選擇，以避免項目實施過程中諸多問題的出現，做到事前控制，減少各專業之間的矛盾。

7　結束語

從上文的分析來看，BIM技術越趨成熟，有很大的發展前景，現階段隨著我國經濟的發展和科學技術水平的提高，建筑工程也處在一個快速發展的階段，而BIM技術在建筑工程中的應用是十分重要的。BIM技術在建筑的應用主要是在可視化仿真方面和工程的質量安全管理方面體現突出。BIM技術應用于結構設計過程中，會出現因人為因素導致設計不合理等問題，因此，必須要求工作人員具備一定的專業技能和綜合協調能力，才能更好的掌握BIM技術的工作原理和應用，從而提高工作效率。對于建筑結構設計專業主要是參與了多專業的協同設計，目前對結構本專業還沒有顛覆性的價值。