BIM技術在結構設計中的應用分析

【摘要】隨著我國經濟社會的快速發展和科技水平的進一步提升，建筑行業在前所未有的良好機遇下迅速發展，其工程規模進一步擴大，建筑投資額度逐漸增加。然而，隨著現代社會人們對建筑工程質量關注度和重視度的進一步增強，如何進一步優化建筑工程結構設計成為相關工作人員思考的重要問題。在此背景下，BIM技術的出現及應用為建筑工程結構設計優化帶來了新的思路。因此，針對BIM技術在結構設計中的應用分析有著重要的理論意義和現實價值。

【關鍵詞】BIM技術;結構設計;應用

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

1、BIM應用于結構設計中的優勢

通常情況下，傳統模式下的建筑工程結構設計在工程施工圖設計階段有著較大的工作量，而該階段結構設計的相關工作直接影響著建筑物的安全性及經濟性，同時，該階段的設計變更會給設計師帶來巨大的工作量及工程造價不確定性的增強，而BIM技術平臺在施工圖設計階段可借助成熟系統的BIM模型建立，以降低工程項目施工圖紙的設計變更，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技術平臺的優勢大致可總結為以下幾個方面。首先，BIM技術平臺可借助三維實體模型的構建，以更準確、更形象的方式向相關工作人員展示工程建筑各部分的空間關系，從而改善工程設計單位、施工單位和建設單位間的技術交流與溝通效率。同時，三維結構模型的建立不僅能有效解決二維建筑圖紙難以發覺的本專業的設計缺陷以及難以與其它專業協同配合的難題，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。其次，BIM技術平臺能對建筑工程實體進行配筋模擬，從而強化設計人員及施工人員對工程結構復雜部位或復雜節點的配筋施工，快速及時地發現工程配筋過程中可能出現的問題并針對性地制定相關解決方案，為工程施工過程中鋼筋量的計算、下料和成本節省等工作提供數據支撐。最后，BIM技術平臺還能夠有效實現建筑工程實體模型的參數化設計和各專業的協同設計。眾所周知，建筑工程實體模型的參數化設計主要表現為結構構件定義的參數和不同圖元之間參數的約束關系及各個圖元之間參數傳遞的關聯。設計工作人員利用BIM技術平臺的參數化關系，可有效提升建筑工程模型的建模效率。同時，BIM技術平臺還能夠有效彌補傳統二維施工圖設計中設計圖元不具備實際意義而不能實現一處修改、處處更新的問題，為建筑結構設計中人為錯誤及設計人員工作量的減少等奠定一定的基礎。

2、BIM技術在結構設計中的應用——以廣東韶關曲江體育場為例

2.1工程概況

該體育場位于廣東省韶關市曲江區城西北部，總體建筑面積18000㎡，觀眾席位3000席，采用半自動化的屋面系統，是目前整體面積較大的縣級體育場。該體育場整個屋面結構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屋蓋體系的參數化建模

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

2.3數據庫的搭建

眾所周知，建筑工程結構設計的過程主要是建筑信息數據流動與交換的過程。設計人員有效利用BIM技術以避免建筑工程結構設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，設計人員建立可通用的全局數據模型，從而實現工程設計過程的信息加工，為創建整個工程數據模型奠定基礎。同時，設計人員在建立并應用框架時，考慮建筑工程結構在整個建筑產品設計過程中的重要地位，加強其與建筑專業及設備專業設計環節的連接和溝通，從而使相關接口與數據信息流動性和兼容性加強。但設計人員必須重視該類數據庫平臺不夠完善的缺點，首先是設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構設計涉及到的相關任務。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，根據項目實際特征而建立的單獨的BIM數據庫平臺有著極其重要的意義。圖2即為該體育場共同BIM數據庫信息交互結構示意圖。

圖1? 屋蓋桁架體系參數模型示意圖

圖2 體育場共同BIM數據庫信息交互示意圖

2.4基于數據庫的鋼結構優化設計

該體育場項目的鋼結構屋蓋為大跨度空間結構。因此，為了在保證鋼結構設計安全、可靠和穩定的基礎上節省建筑工程建造成本，設計人員可進一步對鋼結構桿件和節點進行優化改良。在此過程中，相關設計人員進一步利（下轉140頁）（上接138頁）用了BIM數據庫制定了鋼結構桿件和節點優化流程。就結構桿件的優化而言，其設計流程如圖3所示，設計人員從BIM數據庫中獲取相關數據模型信息后，導入軟件分析其結構桿件應力，并借用自主開發的截面優化程序對鋼結構進行校核和優化改良。同時，設計人員還在桿件結構優化結束后對相應的BIM數據庫信息進行更新和補充，從而保證數據庫信息的準確性和及時性。就鋼結構節點優化設計而言，設計人員從數據庫中提取相應的節點信息后，搜索其節點的控制內力分布情況，在討論節點所屬類型的基礎上對節點的承載力進行有限元分析和調整，為鋼結構節點承載力的合格奠定堅實的基礎。

2.5基于數據庫的鋼結構設計修改

該項目由于業主方考慮造價因素，后期取消中間活動頂蓋并開空。如果在二維狀態下的結構設計，結構設計的返工工作量巨大，由于采用BIM數據庫的應用，通過減少荷載和構件，相應的構件通過數據更新傳遞，圖紙做出相應的修改，結構設計相應減少很多工作量。

結論：

總之，BIM技術平臺作為包含整個工程項目建造信息集成和協同設計的重要平臺，其獨特優勢在建筑工程結構設計中有著不容忽視的重要意義，為提升整個建筑工程設計質量做出了重要貢獻。而隨著現代科技的進一步發展和人們對建筑工程質量重視度的進一步提升，BIM技術必將在建筑行業大放光彩，為提升整個建筑工程設計質量和施工質量奠定堅實的基礎。

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作者簡介：

向愛國，上海尊邦建筑設計有限公司，上海。