BIM技術在建筑結構設計中的應用

劉杭杭，項炳泉，安東兵，劉勇，樂騰勝

（1.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230032；2.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230032）

1 引言

2017年4月26日住房和城鄉建設部發布《建筑業發展“十三五”規劃》，明確要求加大BIM應用和加強國產BIM軟件開發。BIM（Building Information Modeling）是建筑行業全過程管理的智能控制系統。設計階段BIM應用能夠提升設計質量，減少設計錯誤，獲取、分析工程量成本數據，并為施工建造全過程提供技術支撐，為項目參建各方提供基于BIM的協同平臺。BIM設計階段是全壽命周期內的關鍵階段，本文依托安徽省建筑科學研究設計院建筑檢測大廈三星級綠色建筑為工程實例，通過在BIM結構設計實踐，淺談BIM技術在結構設計中的優勢以及存在的障礙。

2 BIM技術在結構設計方面的應用

目前，傳統建筑結構設計主要是采用PKPM、YJK、MADAS、SAP2000等有限元結構分析軟件進行建筑結構的設計和受力變形分析，然后再將計算結果導入到CAD中進行結構施工圖的繪制。BIM結構設計主要是采用Autodesk Revit Structure軟件建立實體物理模型，然后將實體物理模型導入相應的結構分析軟件進行結構分析計算，再從分析軟件中導出分析設計信息，更新實體物理模型和施工圖設計，BIM技術在結構設計方面的目的是為了將結構設計和施工圖的繪制二者相統一，實現無縫連接[2]。但是現在市場上宣傳的接口軟件，都是雙向互連的模型中的構件必須是常規的，復雜的構件會導致數據的丟失或不全。所以，在將BIM技術應用到結構設計的過程當中，BIM模型與有限元結構分析模型實現雙向無縫互連問題是影響結構工作者采用BIM的最大的阻力。

3 BIM技術的應用

3.1 項目概況

安徽省建筑科學研究設計院建筑檢測大廈位于合肥市蜀山區山湖路567號，總建筑面積為27859 m2（地上建筑面積22265m2，地下建筑面積5594 m2）。建筑高度為88.35m。主要功能：辦公、實驗等，如圖1所示。本項目進行了BIM綠色建筑分析、BIM三維建模、BIM內裝設計、BIM幕墻設計、可視化展示、4D模擬（3D+進度模擬），不僅深化了設計、提高了設計質量及工作效率，還減少了后續施工期間的返工，保障了施工周期，節約了項目資金。本項目通過了綠色建筑三星級標識，2014年安徽省綠色建筑示范項目，安徽省建筑科學研究設計院建筑檢測大廈BIM技術應用研究獲得了第二屆中國建設工程BIM大賽單項獎三等獎。

圖1 項目總平面圖及建筑方案效果圖

3.2 BIM技術在結構設計中的具體應用

3.2.13 D參數化模型的建立

本項目采用Autodesk Revit Architecturer軟件建立了3D參數化結構模型。主要步驟有：①根據樣板文件和結構方案，創建結構標高；②根據《建筑工程設計信息模型交付標準》的相關規定建立基礎和主體結構模型（包括基礎、梁、板、柱、剪力墻、樓梯等構件）；③鏈接到各專業綜合模型中。如圖2、圖3所示。

三維可視化模型，形象地表達了各構件之間的空間關系，每個構件信息不僅包含了幾何形狀信息，還包含了大量的非幾何信息，如材料信息、邏輯信息等。鏈接后的Revit三維模型，通過動態漫游演示可以檢查結構構件與設備構件是否發生碰撞，形成了問題報告，可以更加精確地找出問題點，達到深化設計的目的，從而優化空間設計，使布局更合理化。如圖4所示。

圖2 結構標高

3.2.2 異形構件

BIM族也稱構建族，族有著舉足輕重的地位。族分為常規構件族和特定構件族。在一個項目模型中，常規構建族可以通過設定現有的參數進行控制，從而實現在項目中的獨特性與適用性。而往往項目中無法通過常規族進行搭建的就必須找到特定族，如果在族庫中存在特定的族庫可以直接調用，然后進行參數控制以滿足項目所需。當然族庫不是萬能的，有些項目上需要的族在族庫中可能無法找到直接調用，那么就需要我們自行創建一個符合項目所需的特定族。本工程項目建模時，有大量的異形構件，筆者創建了異形構件族，此族可以共享給其他項目直接調用，節約了建模時間，提高了設計效率。如圖5所示。

圖5 結構異形柱族庫

3.2.3 鋼筋3D可視化

由于BIM技術“所見即所得”的三維可視化特性和模擬性，鋼筋3D可視化（圖6所示）可以較為詳細的展示鋼筋節點的細節部分，對于實際工程中，梁柱截面變化位置，鋼筋搭接長度，箍筋間距變化等細節情況，在現場施工中，通過附著于整體模型上的三維鋼筋模型指導施工，更容易把握復雜節點的鋼筋的空間搭接關系[1]。這些技術細節問題，在設計方向施工方技術交底時，施工方能從以往的二維圖紙的理性認識上升到三維實體模型的感性認識上，直觀地認識整個項目的設計情況，更加有助于施工方對圖紙的理解和對設計意圖的領會。

圖6 三維鋼筋實體模型

4 BIM在結構設計中的主要問題

4.1 結構計算分析

本項目的初期結構設計工作在建筑初步方案確定后才開始介入參與工作，使用PKPM軟件結構建模并進行結構分析。BIM中Revit核心建模平臺建立的結構物理模型只是提供示意空間構件和協同其他專業的三維模型，不能夠進行結構分析及計算，結構分析計算需要依靠其他結構有限元計算軟件的配合來完成，第三方軟件必須要完全實現與Revit模型的完美鏈接。本模型后期采用了完全國產的YJK1.70結構計算軟件進行結構分析計算，但是計算結果和PKPM計算結果還是有出入。

4.2 三維鋼筋模型

通過三維實體的形式進行鋼筋的表達其缺點還是有的，由于這種設計方案需要逐根鋼筋的定位和長度等信息的處理，一些復雜節點，就要求結構工程師畫圖需細心，而且工作量很大的，另外，鋼筋信息的增多對電腦顯卡和CPU的要求也比較高。

5 總結

本項目BIM三維可視化設計和協調，使各專業工程師從三維的角度去溝通，提高了工作效率及設計準確度，指導了施工，提高了施工進度，但是本項目在結構設計中的最大的阻礙BIM結構物理模型與結構分析模型沒有實現真正雙向鏈接，沒有最大地發揮BIM技術在結構設計中的優勢。下一步將在結構物理模型與結構分析軟件鏈接方面做進一步研究。BIM技術在結構設計中的發展將會加速促進BIM技術進入一個新的時代。