BIM 技術在建筑結構設計中的應用

賈鴻遠，劉 璇

（南京金宸建筑設計有限公司，江蘇 南京 210019）

建筑結構設計階段是建筑全生命周期關鍵階段，在傳統的建筑結構設計中，設計人員主要依靠CAD 軟件進行建筑結構二維設計，難以實現立體化、協同性設計，往往不能及時發現結構設計中存在的問題，導致后期施工出現設計與實際不相符的問題，增加建筑成本、影響建筑質量。運用BIM 技術進行建筑結構設計，則可以通過BIM 進行建模、協同設計、碰撞檢測、繪制基于BIM 模型的平法施工圖等，從而優化建筑結構設計質量，為后期建筑施工順利開展奠定基礎。

1 BIM 技術概述

BIM 即為建筑信息模型，是利用現代信息技術發展而來的一項軟件性工具。BIM 技術具有可視化、協同性、模擬性優勢，廣泛應用于建筑工程建設全生命周期。在建筑結構設計階段，應用BIM 技術可以實現對建筑結構信息的全面收集與處理，并以計算機為載體，實現了設計圖紙從二維平面向三維模型的轉變。借助BIM 技術完成三維建筑模型的構建，通過分析模型數據完成參數設計，從而實現對設計圖紙可行性的檢驗，對各項參數進行優化調整，最大限度提高建筑結構設計質量，從而為后期建筑施工安全穩定提供可靠依據。

2 BIM 建筑結構設計流程

具體來說，BIM 建筑結構設計流程包括以下幾個方面。

2.1 方案設計階段

建筑結構設計人員在進行專業的建筑結構BIM 方案模型的搭建過程中，將各項因素考慮進去，明確建筑結構體系，并完成初步的結構方案模型搭建。在這一階段，搭建建筑結構方案模型主要是搭建出建筑主要結構體系，確定大致的構建尺寸即可。

2.2 初步設計階段

設計人員需要同其他專業BIM 方案模型就各專業的資料進行交互，然后進行各項設計參數的整合分析，根據建筑結構模型，進行初步的結構模型設計。在本階段中，設計人員可以借助BIM 技術的協同性，實現與其他各專業設計模型的有效結合，實現各專業設計的實時溝通。同時，設計人員需要根據已經確定的建筑結構，明確結構各部件的位置及尺寸信息，以此為依據進行模型搭建。完成后，借助相關轉換接口技術，進行結構計算軟件與模型的有效連接，將模型導入到軟件中完成結構計算，并將結構計算信息反饋至BIM 模型中。如果在設計過程中需要進行模型的更改，則只需要在BIM 模型中直接進行更改，就能夠同步更新結構計算信息，避免反復搭建模型的問題。在這一階段中，主要完成了建筑結構構件位置、尺寸、配筋信息的確定，并錄入到BIM 結構模型當中。

2.3 施工圖設計階段

在BIM 建筑結構模型中，施工圖主體部分設計主要是對模型進行切分視圖，從而完成對各環節施工的圖紙設計，不需要再進行手工繪制。施工圖設計中，相關的注釋信息數據與構件中的存儲數據來源一致，也不需要重新手工錄入，只需要選擇相關注釋族添加進入就可以，并且注釋信息數據與構件信息數據是相互聯系的，構建參數改變后，施工圖上的注釋信息也會相應變化，從而確保施工圖面信息與模型信息一致。

2.4 BIM 結構模型完善階段

隨著各項結構設計的完成，BIM 結構模型會隨之不斷完善，建立起完整的BIM 結構模型。其中，各構件具體信息與配筋信息均能夠得到進一步的細化，并且通過三維技術，還可以快速獲取相應的工程量數據，從而為快速估算造價提供有效參考。同時，完整的BIM 結構模型中，借助BIM 技術的可視化特點，能夠將模型渲染成更加直觀立體的效果，從而更好地向外傳遞設計人員的方案與理念。完整的BIM 建筑結構模型中，包括結構設計的全部信息，并且所有信息都可以利用軟件開發技術提取出來，為后期更多的BIM 應用奠定重要基礎。

3 BIM 技術在建筑結構設計中的具體應用點分析

本文分析以Revit 建模軟件為主，綜合運用其他BIM應用軟件，分析設計流程中關鍵環節的具體應用，從而進一步證明BIM 技術在建筑結構設計中的應用價值。

3.1 BIM 結構建模

BIM 結構建模主要包括梁、柱、剪力墻等各類構件的結構建模和鋼筋建模兩大部分。建立BIM 結構模型，能夠準確表達結構設計的成果，并為相關專業設計提供可靠的依據。

3.1.1 結構建模

在Revit 結構項目文件中，建立不同類型構件的構件族，從而為構件實例的創建提供可選擇的構件族，并進行參數設置；然后，進行軸網標高，將構件放置到相應的位置中，完成創建。在對各構件均創建出實例之后，則同時能夠完成主體結構模型的搭建，后期設計過程中，則以結構模型為基礎進行應用。由此可以看出，進行結構建模的基礎在于創建構件族，建模需要完成結構中涉及到的各類型構件的構件族創建以及參數化積累，進而完成本專業構件族庫的建設。建模中，還需要注意加強軟件工具運用的靈活性、構件位置的精準性、與平面位置等的一致性。圖1 為建筑結構模型。

圖1 建筑結構模型

3.1.2 鋼筋建模

當前，平法是表示結構施工圖最常見的一種方法，由于計算機硬件水平難以滿足全部實體鋼筋建模的需求，其在建模中，通常是對個別鋼筋構件或者鋼筋結構的復雜節點進行建模。在Revit 中，一共有兩種方式可供設計人員進行建模，分別為手動與插件的方式。在實際建模過程中，設計人員一般是先進行插件建模，建立鋼筋整體模型，然后再運用手動建模的方式，對模型進行優化調整，從而保證鋼筋建模的準確性和效率性。通過鋼筋建模，能夠準確計算出鋼筋及混凝土材料的用量，并且對于復雜節點位置來說，還可以有效降低技術的難度，加強溝通效率，同時實現鋼筋布置方案的最優化設計。

3.2 協同設計

BIM 建筑結構協同設計，主要由工作集協同、鏈接協同兩種方式構成。

3.2.1 工作集協同設計

以同一個工作模型為基礎，在模型編輯過程中可以實現多名設計人員共同參與的方式就是工作集協同。在這種協同工作中，中心文件是開展設計工作的重要基礎。各個設計人員將自己的設計部分編輯成本地文件，向中心文件上傳；同時，還可以將不斷更新中的中心文件內容下載下來，以這種方式使得中心模型與各子模型的同步編輯。本地服務器可以保存中心文件，不同的設計人員可以通過局域網，實時更新中心文件，其對硬件設施有一定的要求；或者利用云端服務器進行保存，不同的設計人員通過互聯網完成中心文件的實時更新，其對網絡環境和數據安全有比較高的要求。工作集協同設計在大型結構模型協同設計時的應用速度較慢，并且在同專業或者單體內部之間的協同設計的適用性較強。

3.2.2 鏈接協同設計

模型設計中，設計人員獨立進行部分設計，對于需要進行系統設計的部分，可以將其他部分模型的文件通過鏈接的方式接入到本模型文件中作為外部參照，這種協同設計方式就是鏈接協同。通過鏈接協同，設計人員可以將本模型與其他模型結合在一起，完成設計提資，但是設計人員沒有編輯操作其他設計人員模型的權限。相較于工作集協同模式，鏈接協同設計的實時性相對較弱。鏈接協同設計一般在大型結構模型協同設計中的應用具有速度快的優勢，并且適用于不同專業、不同單體之間的協同設計。

3.3 碰撞檢測

在BIM 建筑結構設計中，各專業搭建好模型之后，運用軟件技術對模型中各構件、設置之間存在的位置碰撞沖突進行自動檢測的過程就是碰撞檢測。在建筑結構設計專業，碰撞檢測的主要內容是對結構設計是否同建筑專業方案存在沖突、是否與機電專業設施設備位置、管線排布凈高等方面的要求相一致。Revit 環境下，則需要通過碰撞檢測軟件，進行結構構件、專業設置等各個方面的碰撞檢測。建筑結構設計的碰撞檢測包括了設計與專業方案沖突檢測、設計與機電設施設備位置沖突檢測、設計與管網排布合理性沖突檢測等等。在Revit 中，通過將Revit 中的結構模型、機電模型等導入到Navisworks 軟件中，可以先設置完成各類碰撞檢測的判斷條件，然后進行各類主體模型的自由選擇碰撞檢測。檢測完成即生成碰撞檢測報告。

通過將結構設計模型與建筑、機電等不同專業模型進行碰撞檢測，能夠及時發現建筑結構設計中各專業設計的沖突，并出具相應的碰撞檢測報告。設計人員根據檢測報告進行沖突糾正，優化調整BIM 模型，最終達到各專業之間的零碰撞，以避免在后期實際施工中各專業發生沖突，造成重新返工，拖慢施工進度，降低施工效率，增加施工成本。

3.4 基于BIM 模型的平法施工圖繪制

平法施工圖中，施工平面圖上會直接顯示出構件信息，從而將其整體表達出來，然后配合標準構造詳圖，形成新型完整的結構設計圖。平法表示的關鍵點是對鋼筋信息的表達，同時其也是BIM 模型的重要組成部分。在平法表示中，鋼筋信息用相應的抽象注釋符號表示，其如果具有存儲性與交換性時，可以與BIM 模型中的鋼筋信息建立起雙向鏈接，從而實現平法表示的抽象化信息與BIM 模型數值化信息的一致性。實際操作時，通過Revit平臺中的2D 詳圖與共享參數，能夠將平法注釋符號與標準文本同模型相聯系，從而在模型中生成與規范要求相符的結構施工圖。

在Revit 中生成平法施工圖，主要需要經過以下幾個過程，本文以生成柱構件平法施工圖為例進行分析。首先，需要創建一個共享參數文件，使其可以應用于多族庫與項目，并且可以將族文件、項目樣板中還沒有經過定義的一些數據添加進去。

其次，利用項目參數，完成柱的實例屬性的添加。創建的共享參數的存儲位置與任何族文件或者項目文件都是相互獨立的，調用共享參數，要求調用方進行相應的項目參數創建，并利用其關聯共享參數的特性，完成柱的實例屬性的添加。具體來說，點擊參數屬性，彈出面板后，將光標點中共享參數，確定添加類型為共享參數，并且在界面中，選擇需要添加的項目參數的名稱、規程、類型、分組方式等各項參數數據，再在類別中選中結構柱，確定后即能夠完成柱的實例屬性或者類型屬性參數的添加。

再次，完成柱集中注釋族的創建。選擇新創建一個注釋族，同時將組類別和參數標記成為結構柱，選用標簽彈出編輯界面，在編輯創建注釋族標簽過程中，點擊界面中的添加按鈕進行共享參數的添加，然后再按照柱平法標記要求完成各項參數的添加，最后點擊確定，則能夠完成柱集中注釋族的創建。在創建的注釋族中，柱構件的參數與共享參數的關系是相互聯系的，從而可以在柱構件參數進行注釋或者提取時，實現實時聯動。

最后，進行視圖切分并添加標記。將已經創建好的柱平法注釋族向項目文件進行傳輸，然后將結構中的鋼筋信息添加到實例參數中，完成后，將模型的各個部分的平面視圖切分出來，然后調出注釋族，對各部分平面視圖上的柱構件添加注釋，就可以按照相應的平法法則，將鋼筋信息顯示在注釋族中，柱構件平法標記即完成。

通過共享參數將構件參數與注釋參數聯系在一起，在BIM 模型中完成結構平法施工圖的直接生成，為施工圖中注釋信息的準確性提供了重要保證，并且在修改構件參數時，可以實時更新各個平面視圖中構件信息與注釋信息，自動更新施工圖紙，大幅提升施工圖紙的修改效率。

4 結束語

BIM 技術在建筑結構設計中應用，實現BIM 結構設計流程的關鍵在于保證各個BIM 應用點的順利實施。本文在分析BIM 建筑結構設計流程的基礎上，對BIM 建筑結構設計的具體應用點進行了詳細分析。通過分析可以發現，BIM 技術在建筑結構設計中具有顯著的應用優勢，能夠實現復雜建筑結構的建模，并且通過協同設計，實現與各專業、單體的設計協同，并通過碰撞檢測，大幅提高建筑結構設計的專業性與精確性，同時在Revit 中可以手動實現平法施工圖的繪制。總而言之，BIM 在建筑結構設計中的應用，大幅提升了建筑結構設計質量及效率，具有顯著的應用優勢。