探析建筑結構設計中BIM 技術的應用

陳亞琴

0 引言

在建筑行業結構設置方面，BIM 技術得到廣泛推廣和應用，現階段，BIM 技術的研究以及應用依然處于初級階段，但是，由于BIM 技術具有獨特優勢，可將建筑整體結構、機械工程等相融合，因此深受建筑行業專業人員的廣泛關注。通過將BIM技術引入至建筑結構設計中，可實現工程信息共享，優化結構設計理念，促進建筑結構設計效率和質量的提升。另外，通過將數字化技術與智能化技術相結合，可顯著節約建筑結構設計環節成本投入量，縮短項目建設周期。因此，對BIM 技術在建筑結構設計中的應用進行深入探究迫在眉睫。

1 BIM 技術的概念與作用

從20 世紀90 年代開始，CAD 技術被推廣應用于我國建筑行業，對于建筑工程結構設計的影響較大，可改變傳統圖紙手工繪圖設計模式的弊端，避免反復手工修改設計圖紙而影響設計效率。從21 世紀開始，建筑工程結構類型、構件構造形式已發生較大轉變，二維表達方式已暴露出很多不足，而通過將BIM 技術應用于建筑行業，可為建筑結構設計、項目建設以及管理提供新思路。BIM 即為建筑信息模型，在信息化時代，BIM 技術水平顯著提升，在整個建筑工程設計中，結構設計是十分重要的內容，將BIM 技術應用于建筑結構設計中可展現出獨特的優勢。

對于建筑結構設計全過程，可劃分為四個階段，包括方案設計、結構計算、繪制施工圖以及碰撞檢測，如果依然采用CAD 技術，則各個階段相互獨立，配合難度比較大，不同專業之間協同設計難度比較大。對此，可利用BIM 技術，其作用如下。

1.1 設計工程圖紙可改動

在建筑工程結構圖紙設計中應用BIM 技術，對于所有信息，均可在模型中獲得，在項目建設中后期，如果施工要求發生變化，或者由于施工現場條件因素需對圖紙內容進行調整，則設計人員可針對性對部分數據信息進行調整，進而顯著提升施工圖紙調整效率，減輕設計人員勞動量，同時保證圖紙信息調整符合實際需要，避免對項目建設進度造成不良硬性。

1.2 設計數據信息化

BIM 技術為信息技術軟件工具，具有智能化優勢，其主要內容在于信息管理。在建筑工程結構設計中，BIM 技術可展現出良好的附帶信息特性，通過創建BIM 實體模型，便于在建筑工程結構設計中，通過數據庫查詢所需數據資料，進而促進設計效率的提升，同時，通過應用多方數據信息之間的關系，可保證獲取所需數據信息。因此，在具體的結構設計階段，如果設計人員需了解部分數據信息，僅需選擇對應的點即可，不僅有利于設計人員準確把握相關信息，同時還可保證所獲取信息的整體性。

1.3 工程項目實體模型三維化

在建筑結構設計中應用BIM 技術，主要可展現出其三維化特征。對于建筑工程模型，可利用BIM 技術形象化展現，設計人員通過創建建筑工程三維模型，即可在BIM 技術平臺上了解整個建筑工程中不同結構之間的關聯，避免構件之間、設備之間發生沖突，避免對后續施工活動的順利開展造成不良影響，提升施工進度。

2 BIM 技術在建筑結構設計中的應用

2.1 在方案確定階段的應用

在建筑工程結構設計方案確定方面，要求關注兩點內容，其一為建筑工程主體格局，其二為建筑工程外形藝術，對此，要求建筑結構師以及設計人員之間相互溝通交流，而通過應用BIM 平臺以及相關軟件、技術，便于二者之間高效溝通，相互協調配合，共同完成結構設計。另外，在建筑工程結構設計前，要求確定項目建設區域，對項目建設區域地質條件、水文環境、周邊建筑工程、地下管線等進行全面細致的勘查分析，保證探測所得數據的完整性。BIM技術具有可視化特征，在結構設計中，通過應用BIM 技術，即可對外部環境進行全面、細致的分析，直觀地展示出項目建設環境特征，為建筑工程結構設計提供可靠依據，便于制定適宜的設計方案。

2.2 在流程規劃階段的應用

通過將BIM 技術應用于結構設計中，可實現3D 設計，在創建建筑三維模型后，在模型中可全面展示出項目建設和管理相關信息數據，在此過程中，要求設計人員對設計全過程進行科學合理的規劃。結構師以及設計人員之間應當強化溝通交流，從建筑功能、結構力學等多個方面，對建筑結構設計方案進行全面細致的分析，對于設計所得結果，可采用BIM 技術直觀的展現，不同專業工程師再相互交流，對設計方案進行細化調整。在建筑結構初步設計階段，可利用BIM 平臺新建結構樣板，導入與建筑工程設計相關的數據資料，再創建建筑三維模型，在獲取平面結構后，設計人員與工程師共同參與各類構件布局規劃，同時，對于整體設計方案進行檢驗分析，據此優化項目設計方案，同時還可開展碰撞檢測，避免不同構件之間發生沖突。在建筑工程三維模型創建完成后，還可聯合應用有限元分析軟件，對項目設計方案的科學性、合理性進行檢驗分析，在此過程中，可利用BIM 數據應用實現接口交換，便于對數據進行直接轉換，同時還可及時對數據進行更新和調整，據此提升建模效率。

2.3 在空間設計中的應用

在建筑工程結構設計中，對整個建筑工程空間結構進行科學合理的規劃至關重要，這一設計環節所涉及的內容比較多，包括建筑工程內部、外部空間結構分布、建筑整體外觀等等，而通過應用BIM 技術，可創建建筑立體結構設計方案，并以可視化的方式展現。設計人員可直接查看建筑立體結構模型，對不同結構的空間分布情況、資源分布和利用情況進行分析和優化調整。

2.4 在建模設計中的應用

通過對BIM 技術的本質進行分析，其屬于建模設計技術，在建筑工程結構設計中應用BIM 技術，可創建建筑工程三維立體結構模型，將二維立體平面圖轉變為三維立體結構，進而充分展現出BIM 技術的可視化優勢，便于設計人員直觀地觀察建筑工程結構模型，檢查各類構件布局規劃情況。另外，通過應用BIM 技術，還可對不同構件進行碰撞檢測，及時找出建筑工程結構設計中的不合理部分，并與各方相互溝通交流，找出安全隱患，及時對建筑工程主體結構設計方案進行優化調整。

2.5 在構件設計中的應用

構件設計是整個建筑工程結構設計中的重點以及難點，在構件設計環節所包含的類型比較多，包括板式結構構件基礎、板式結構樓梯等等。另外，鋼結構、各類預制構件比較常見，在各類建筑工程結構設計中應用范圍廣泛，而在高層建筑工程設計中，一般可選擇現澆鋼筋混凝土預制構件。因此，在具體的構件設計階段，設計人員應當對項目整體結構、建設目標以及設計需求進行分析，選擇適宜的結構類型，并制定科學合理的構件設計方案。

2.6 在碰撞檢測中的應用

在建筑工程結構設計中利用BIM 技術進行碰撞檢測，能夠有效減少結構設計變更問題發生率，同時還可顯著降低項目維護所需成本。BIM 技術已被推廣應用于粒子碰撞物理分析中，不僅能夠實現各類信息數據充分共享，同時還可實現協同設計目標，展現出整個建筑工程中各類構件所營造出的幾何關系，充分發揮BIM 技術在碰撞檢測中的重要作用。比如，在某通信機房工程結構設計中，建筑工程結構的總體高度為25m，總面積為17 953m，在該建筑工程結構設計中，設計人員采用BIM技術進行碰撞檢測。首先，采用BIM 技術創建建筑工程三維模型，然后對管線構件進行自動化布置，保證能夠獲取文件相應的建筑結構力學計算原理模型，對此，工程師可以手動方式將管線文件進行連接，然后對各類管線、設備文件進行自動化布置和監控管理。在碰撞檢測中，BIM 技術的優勢顯著，可創建建筑工程三維模型，便于及時發現建筑結構設計中的不足，并進行針對性改進調整。

2.7 在施工圖設計中的應用

在以往的建筑工程施工中，需將二維圖紙作為重要依據，如果施工環境、施工技術工藝發生變化，則要求設計人員多次修改調整，工作量大，并且還會造成施工效率降低。而通過應用BIM 技術，可創建建筑工程三維立體模型，設計人員以及施工人員均可直觀地觀察圖紙內容，為項目建設全過程管理提供可靠依據。在施工圖設計過程中，應當綜合考慮不同專業內容，包括建筑結構設計、水暖電設計等等，在施工圖設計完成后，即可據此對各類設備和材料進行采購，同時編制施工方案。在BIM 技術的實際應用中，核心建模軟件包括RevitArchitecture以及RevitStructure，二者均將參數化設計作為基礎，在建筑三維模型創建完成后，對于各個標高平面視圖，可轉變為施工圖，如果在項目建設中出現設計變更，可在三維模型的基礎上直接調整，促進施工圖設計效率的提升。

3 BIM 技術在建筑結構設計中的應用實例

3.1 工程概況

某建筑工程總面積為4 136m，在該建筑工程結構設計中，耐火等級要求能夠達到2 級標準。該建筑工程上層結構共8 層，下層結構2 層，為鋼筋混凝土框架結構，設計使用期限為50 年，抗震設防烈度要求能夠達到7 度以上。

3.2 BIM 技術應用流程

（1）對項目建設場地進行勘查，確定項目建設場地地質條件、水文條件相關數據。（2）確定本工程建設目標和要求，包括使用年限、建筑荷載、施工內容等，對于所有數據，均輸入至BIM 數據庫中。（3）對于整個項目，應用BIM 系統進行分類和統計分析，了解不同構件的設計情況、施工成本、技術要點等，為項目建設過程管控提供參考。（4）采用Revit 軟件創建建筑工程三維模型。在該項目設計中，BIM 技術的應用流程如圖1 所示。

圖1 BIM 技術應用流程圖

3.3 構建結構模型

該建筑工程為鋼筋混凝土結構，在結構設計中，應當將不同構件的連接位置作為設計重點和難點。在本工程結構設計中選用BIM 技術，首先需對各個射線以及列元素的一般特性、各項參數進行分析，在各個構件連接設計完成后，執行各類參數。另外，在利用BIM 技術創建建筑工程三維模型時，可對各類構件的設計參數進行適當調整，在調整完成后，對不同構件之間的距離進行自動化更新，促進設計效率和精度的提升。

在本工程結構設計環節，首先利用BIM 技術創建三維模型，然后再應用Revit 軟件創建建筑結構分析模型，對于不同構件之間的連接位置，均可視為節點，不同構件通過節點即可自動化連接。在模型創建過程中，要求對建筑工程結構柱、結構板、梁等進行綜合考量。模型創建要點如下：（1）選擇適宜的樣板文件。（2）與建筑工程BIM 模型進行連接。（3）創建軸網，并確定標高參數。（4）在上述三個步驟完成后，即可創建樣本文件以及構件族。（5）對混凝土梁柱結構進行合理設計。（6）創建混凝土樓結構板。（7）對模型進行全面細致的檢查，及時發現不足并優化調整。在模型創建完成后，應當對視圖顯示結果進行分析，并創建初步模板圖。

在建筑工程結構模型的創建過程中，要求保證標高參數的合理性，如果需對部分構件進行調整，則首先需對標高進行檢查和調整，避免出現標高差。軟件可發揮“族”功能，但是可能無法滿足建筑結構設計中的所有要求，因此，在結構模型創建和調整中，如果需創建異性構件，則應當獨立創建與之相關的族文件，并合理定義相關屬性。隨著建筑工程量的不斷增加，族庫中的內容也會逐漸增多，在初始模型創建完成后，其中可能無法涵蓋與建筑結構相關的所有屬性，因此，應當充分發揮結構面板的作用，根據設計要求增加相關屬性以及參數。

3.4 分析建筑結構

在對建筑工程結構的各項性能進行分析時，BIM 技術也可展現出良好的應用優勢，通過創建數字化模型，可顯著提升模型結構穩定性。另外，在BIM 技術相關軟件的實際應用中，可發揮參數計算功能以及結構設計效果分析功能，便于對結構設計方案進行調整，提升結構設計效果。

在建筑結構設計中，必須加強安全防控管理，對此，可選擇應用相關軟件對結構設計方案進行分析，在此過程中，Revit2016、ETABS2013 等的應用比較常見。在Revit2016 軟件以及ETABS2013 的實際應用中，在數據通信方面可實現雙向鏈接，在兩個軟件運行使用中，可實現數據交互。通過對各類數據進行準確計算，即可判斷建筑工程結構的安全性。在建筑結構模型分析中，通過應用Revit2016 軟件，能夠自動化形成設計數據信息。對于建筑三維模型中的各類構件，可根據定義進行轉換，部分構件無法轉換，要求對其進行簡化處理，再針對這類構件進行設計計算。

3.5 施工圖設計

在建筑工程施工圖設計中，通過應用BIM，即可形成三維效果圖，對建筑工程結構的三維影像進行全面分析，與傳統的二維設計方式相比更加直觀，便于設計人員對施工圖設計效果進行評估，同時還可提升施工圖設計效率，減少成本投入量。另外，在BIM 技術的實際應用中，可提供與施工圖設計相關的數字信息，并合理設定各類關鍵性指標，進而避免在施工圖設計中出現較多偏差。

在利用BIM 進行施工圖設計時，要求對配筋參數進行合理配置。對此，可采用結構軟件，對結構設計效果進行評估分析，并且表達出鋼筋符號，如表1 所示。

表1 鋼筋符號輸入以及輸出

在該建筑工程結構設計中，混凝土材料選用C30，C30 混凝土的徐變系數為2，墻高達到20.10。在柱與梁結構設計中，選用HRB335 帶肋鋼筋，而對于箍筋材料，可采用HPB 光面鋼筋。在后續施工中，如果需對配筋方案進行調整，則應當對理論配筋、實際配筋進行計算、對比和調整。

在建筑工程施工圖繪制過程中，要求創建共享參數，對此，可應用Revit 軟件，便于項目參建方之間實現數據共享。對于文件格式，可采用.txt 格式，如果需要在Excel 中查看文件，則可直接復制共享文件，然后再將.CSV 作為文件后綴，即可查看所需文件資料。

4 結語

綜上所述，本文主要對建筑工程結構設計中BIM 技術的應用方式進行了詳細探究。我國建筑行業發展迅速，建筑工程體量較大，結構設計過程復雜，要求綜合考慮各類影響因素，對此，可利用BIM 技術創建三維模型，在項目建設全過程中，根據施工現場勘查所得數據資料、施工過程數據等，對模型參數進行查閱、調整等，保證項目建設能夠高效完成，充分發揮BIM 技術在建筑行業中的獨特優勢。