BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用分析

文/向愛國 上海尊邦建筑設(shè)計有限公司 上海 200011

建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計作為建筑工程設(shè)計的重要內(nèi)容，結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性在極大程度上直接影響著工程結(jié)構(gòu)的最終建造質(zhì)量。為進一步保證整個工程建造質(zhì)量，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在此過程中大膽引用了BIM技術(shù)并取得了良好成效，為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的保證打下了堅實的基礎(chǔ)。在此背景下，本文從BIM技術(shù)應用于結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)勢出發(fā)，以廣東韶關(guān)某在建體育場為主要研究對象，進一步探討了BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用，旨在給BIM技術(shù)平臺下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的改良及優(yōu)化帶來更多的思考和啟迪。

1、BIM應用于結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)勢

通常情況下，傳統(tǒng)模式下的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計在工程施工圖設(shè)計階段有著較大的工作量，而該階段結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)工作直接影響著建筑物的安全性及經(jīng)濟性，同時，該階段的設(shè)計變更會給設(shè)計師帶來巨大的工作量及工程造價不確定性的增強，而BIM技術(shù)平臺在施工圖設(shè)計階段可借助成熟系統(tǒng)的BIM模型建立，以降低工程項目施工圖紙的設(shè)計變更，進而有效降低工程項目的建造成本及后期運維風險。在此過程中，BIM技術(shù)平臺的優(yōu)勢大致可總結(jié)為以下幾個方面。首先，BIM技術(shù)平臺可借助三維實體模型的構(gòu)建，以更準確、更形象的方式向相關(guān)工作人員展示工程建筑各部分的空間關(guān)系，從而改善工程設(shè)計單位、施工單位和建設(shè)單位間的技術(shù)交流與溝通效率。同時，三維結(jié)構(gòu)模型的建立不僅能有效解決二維建筑圖紙難以發(fā)覺的本專業(yè)的設(shè)計缺陷以及難以與其它專業(yè)協(xié)同配合的難題，更可以借助三維演示有效解決了建筑工程重要部位和設(shè)備模型等預留空間是否合適的核查問題，為工程項目順利施工奠定了重要基礎(chǔ)。其次，BIM技術(shù)平臺能對建筑工程實體進行配筋模擬，從而強化設(shè)計人員及施工人員對工程結(jié)構(gòu)復雜部位或復雜節(jié)點的配筋施工，快速及時地發(fā)現(xiàn)工程配筋過程中可能出現(xiàn)的問題并針對性地制定相關(guān)解決方案，為工程施工過程中鋼筋量的計算、下料和成本節(jié)省等工作提供數(shù)據(jù)支撐。最后，BIM技術(shù)平臺還能夠有效實現(xiàn)建筑工程實體模型的參數(shù)化設(shè)計和各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計。眾所周知，建筑工程實體模型的參數(shù)化設(shè)計主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)構(gòu)件定義的參數(shù)和不同圖元之間參數(shù)的約束關(guān)系及各個圖元之間參數(shù)傳遞的關(guān)聯(lián)。設(shè)計工作人員利用BIM技術(shù)平臺的參數(shù)化關(guān)系，可有效提升建筑工程模型的建模效率。同時，BIM技術(shù)平臺還能夠有效彌補傳統(tǒng)二維施工圖設(shè)計中設(shè)計圖元不具備實際意義而不能實現(xiàn)一處修改、處處更新的問題，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中人為錯誤及設(shè)計人員工作量的減少等奠定一定的基礎(chǔ)。

2、BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用——以廣東韶關(guān)曲江體育場為例

2.1 工程概況

該體育場位于廣東省韶關(guān)市曲江區(qū)城西北部，總體建筑面積18000㎡，觀眾席位3000席，采用半自動化的屋面系統(tǒng)，是目前整體面積較大的縣級體育場。該體育場整個屋面結(jié)構(gòu)由固定部分和活動部分組成，活動部分屋面主要采用平面桁架體系，固定部分屋面主要采用空間桁架體系。

2.2 屋蓋體系的參數(shù)化建模

參數(shù)化是BIM技術(shù)平臺的重要內(nèi)容和技術(shù)支撐，在極大程度上彌補了傳統(tǒng)模式下建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計難以快速更改設(shè)計信息和優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的缺陷。在BIM技術(shù)平臺上引入?yún)?shù)化技術(shù)后，其三維實體模型不再單純是固定形狀和屬性的對象，而是由相關(guān)設(shè)計師定義一系列參數(shù)、幾何規(guī)則及其他非幾何特性對象的可變模型。在此過程中，設(shè)計師所定義的參數(shù)和規(guī)則可和建筑工程結(jié)構(gòu)模型的其他構(gòu)件部位相互關(guān)聯(lián)，從而根據(jù)建設(shè)單位需求的改變和周圍環(huán)境、施工環(huán)境的變化等實現(xiàn)對建筑工程整體結(jié)構(gòu)模型的自動更新，這在極大程度上提升了工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作效率。就該體育場項目而言，設(shè)計人員利用了rhino軟件插件實現(xiàn)了屋蓋桁架體系的參數(shù)化設(shè)計和建筑模型生成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)庫的搭建

眾所周知，建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程主要是建筑信息數(shù)據(jù)流動與交換的過程。設(shè)計人員有效利用BIM技術(shù)以避免建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中信息孤島的形成，避免重復進行二次建模。在建立BIM框架時，設(shè)計人員建立可通用的全局數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)工程設(shè)計過程的信息加工，為創(chuàng)建整個工程數(shù)據(jù)模型奠定基礎(chǔ)。同時，設(shè)計人員在建立并應用框架時，考慮建筑工程結(jié)構(gòu)在整個建筑產(chǎn)品設(shè)計過程中的重要地位，加強其與建筑專業(yè)及設(shè)備專業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)的連接和溝通，從而使相關(guān)接口與數(shù)據(jù)信息流動性和兼容性加強。但設(shè)計人員必須重視該類數(shù)據(jù)庫平臺不夠完善的缺點，首先是設(shè)計人員需在不同的平臺和軟件上進行信息交互以完成工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及到的相關(guān)任務。其次是平臺和平臺之間接口兼容性的不足，從而引起的版本更新和軟件變化導致的建筑工程信息丟失。因此，根據(jù)項目實際特征而建立的單獨的BIM數(shù)據(jù)庫平臺有著極其重要的意義。圖2即為該體育場共同BIM數(shù)據(jù)庫信息交互結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 屋蓋桁架體系參數(shù)模型示意圖

圖2 體育場共同BIM數(shù)據(jù)庫信息交互示意圖

2.4 基于數(shù)據(jù)庫的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

該體育場項目的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋為大跨度空間結(jié)構(gòu)。因此，為了在保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計安全、可靠和穩(wěn)定的基礎(chǔ)上節(jié)省建筑工程建造成本，設(shè)計人員可進一步對鋼結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點進行優(yōu)化改良。在此過程中，相關(guān)設(shè)計人員進一步利用了BIM數(shù)據(jù)庫制定了鋼結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點優(yōu)化流程。就結(jié)構(gòu)桿件的優(yōu)化而言，其設(shè)計流程如圖3所示，設(shè)計人員從BIM數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)模型信息后，導入軟件分析其結(jié)構(gòu)桿件應力，并借用自主開發(fā)的截面優(yōu)化程序?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)進行校核和優(yōu)化改良。同時，設(shè)計人員還在桿件結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)束后對相應的BIM數(shù)據(jù)庫信息進行更新和補充，從而保證數(shù)據(jù)庫信息的準確性和及時性。就鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點優(yōu)化設(shè)計而言，設(shè)計人員從數(shù)據(jù)庫中提取相應的節(jié)點信息后，搜索其節(jié)點的控制內(nèi)力分布情況，在討論節(jié)點所屬類型的基礎(chǔ)上對節(jié)點的承載力進行有限元分析和調(diào)整，為鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點承載力的合格奠定堅實的基礎(chǔ)。

2.5 基于數(shù)據(jù)庫的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計修改

該項目由于業(yè)主方考慮造價因素，后期取消中間活動頂蓋并開空。如果在二維狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計的返工工作量巨大，由于采用BIM數(shù)據(jù)庫的應用，通過減少荷載和構(gòu)件，相應的構(gòu)件通過數(shù)據(jù)更新傳遞，圖紙做出相應的修改，結(jié)構(gòu)設(shè)計相應減少很多工作量。

圖3 結(jié)構(gòu)桿件優(yōu)化流程示意圖

結(jié)論：

總之，BIM技術(shù)平臺作為包含整個工程項目建造信息集成和協(xié)同設(shè)計的重要平臺，其獨特優(yōu)勢在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中有著不容忽視的重要意義，為提升整個建筑工程設(shè)計質(zhì)量做出了重要貢獻。而隨著現(xiàn)代科技的進一步發(fā)展和人們對建筑工程質(zhì)量重視度的進一步提升，BIM技術(shù)必將在建筑行業(yè)大放光彩，為提升整個建筑工程設(shè)計質(zhì)量和施工質(zhì)量奠定堅實的基礎(chǔ)。