基于BIM 技術(shù)的建筑項(xiàng)目數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真研究

宋 怡

（江蘇省淮陰商業(yè)學(xué)校，江蘇 淮安 223003）

我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，給建筑行業(yè)創(chuàng)造了一個(gè)非常好的發(fā)展機(jī)遇。隨著各個(gè)城市的興起和擴(kuò)建，各類(lèi)建筑如雨后春筍拔地而起，為工業(yè)生產(chǎn)、市民生活、商業(yè)經(jīng)營(yíng)和娛樂(lè)活動(dòng)提供了必要的場(chǎng)所。隨著建筑項(xiàng)目的規(guī)模和工程量不斷擴(kuò)大，繼續(xù)使用原有的施工技術(shù)，不僅會(huì)導(dǎo)致工期無(wú)法滿足要求，還可能導(dǎo)致更多的資源浪費(fèi)、建筑成本增加、工程收益降低[1]。BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是一種新型的建筑施工技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)建筑工程各種相關(guān)信息進(jìn)行建模并形成數(shù)字化存儲(chǔ)，運(yùn)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)挖掘方法、信息處理手段、計(jì)算仿真技術(shù)，可以可視化地展示建筑項(xiàng)目的三維結(jié)構(gòu)、參數(shù)優(yōu)化過(guò)程、成本合理性分析和施工進(jìn)度模擬過(guò)程等，可以大大提升建筑項(xiàng)目的施工進(jìn)度、大大優(yōu)化建筑項(xiàng)目的資源配置、大大降低建筑項(xiàng)目的施工成本[2-3]。因此，進(jìn)行基于BIM 技術(shù)的建筑項(xiàng)目數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真研究，具有十分重要的意義。

1 建筑項(xiàng)目仿真樣例與BIM 軟件選擇

為了便于闡述BIM 技術(shù)如何在建筑項(xiàng)目的數(shù)字化中進(jìn)行應(yīng)用，首先設(shè)定一個(gè)建筑項(xiàng)目的仿真案例。這個(gè)案例以某城市主干街道的一個(gè)人行天橋?yàn)榧傧朐O(shè)計(jì)對(duì)象，相關(guān)結(jié)構(gòu)要求和參數(shù)要求均以此為背景產(chǎn)生。從這個(gè)人行天橋的結(jié)構(gòu)來(lái)看，采用鋼拱結(jié)構(gòu)為主體，對(duì)主干街道形成南北向跨越，具體參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 本文中建筑項(xiàng)目仿真樣例的相關(guān)參數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)主干街道人行天橋這一建筑項(xiàng)目樣例的BIM 仿真設(shè)計(jì)，需要選擇合適的BIM 軟件。BIM 技術(shù)本身是一種理念、模式或者框架，能實(shí)現(xiàn)BIM 設(shè)計(jì)的軟件和平臺(tái)有很多。而完整BIM 設(shè)計(jì)包括很多流程，并不是只完成建筑項(xiàng)目的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)即可，還需要配合數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、優(yōu)化軟件等共同完成建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、后期管理等綜合任務(wù)。所以，一個(gè)建筑項(xiàng)目的完整BIM 數(shù)字化設(shè)計(jì)，需要多個(gè)軟件的協(xié)同配合。

這里，主要明確主體軟件的選擇。在橋梁類(lèi)建筑項(xiàng)目的BIM 設(shè)計(jì)中，Revit 軟件、Tekla 軟件、Bentley 軟件都是可供選擇的軟件。3 款軟件相比較而言，Revit 軟件操作簡(jiǎn)單、數(shù)字化設(shè)計(jì)結(jié)果精確，但對(duì)于特別復(fù)雜的模型構(gòu)建存在一定不足；Tekla 軟件不容易操作，并局限于某一類(lèi)的結(jié)構(gòu)建模；Bentley 軟件可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模，但建模過(guò)程復(fù)雜煩瑣。對(duì)于本文中的主干街道人行天橋，其結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，因此選擇Revit 軟件作為BIM 設(shè)計(jì)的主體軟件。為了完成主干街道人行天橋的完整BIM 設(shè)計(jì)，除了選擇Revit 軟件用于建筑項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，還分別選擇了Lumion 軟件用于Revit 軟件設(shè)計(jì)結(jié)果后期的可視化渲染，Project 軟件用于人行天橋施工進(jìn)度的規(guī)劃測(cè)算，Navisworks 軟件用于人行天橋施工進(jìn)度的仿真模擬，Bimfilm 軟件用于人行天橋施工工序的演示和視頻剪輯等。

2 建筑項(xiàng)目的BIM 參數(shù)化設(shè)計(jì)

人行天橋這個(gè)建筑項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)雖然不復(fù)雜，但也包含了非常多的設(shè)計(jì)內(nèi)容，如果每一個(gè)局部、每一個(gè)組成單元都單獨(dú)設(shè)置，會(huì)導(dǎo)致BIM 設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)非常大的工作量。因此，對(duì)于各個(gè)局部、各個(gè)組成單元中具有共同屬性的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，在進(jìn)一步地修改中統(tǒng)一進(jìn)行更新，就會(huì)大大加快BIM 設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過(guò)程。因此，參數(shù)化設(shè)計(jì)是BIM 數(shù)字化設(shè)計(jì)中非常重要的內(nèi)容。

通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以大大減少設(shè)計(jì)工作量和BIM 軟件的運(yùn)算量。尤其是，BIM 技術(shù)可以通過(guò)族概念的參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)同一族內(nèi)的構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一的幾何形態(tài)設(shè)置和屬性配置，真正達(dá)到了“一處修改全局更新”的效果。本文中，應(yīng)用到的參數(shù)化設(shè)計(jì)類(lèi)型結(jié)構(gòu)和組成情況，如圖1 所示。

圖1 人行天橋BIM 設(shè)計(jì)中的參數(shù)化結(jié)構(gòu)和組成

從圖1 中可以看出，人行天橋BIM 設(shè)計(jì)中的參數(shù)化設(shè)計(jì)包含3 個(gè)層次，第一個(gè)層次中包含了常規(guī)參數(shù)、項(xiàng)目參數(shù)、族參數(shù)和共享參數(shù)4 個(gè)子項(xiàng)。其中，常規(guī)參數(shù)這一子項(xiàng)可以拓展到第二層次，其第二層次又分為文字類(lèi)型的參數(shù)、數(shù)值類(lèi)型的參數(shù)、整數(shù)類(lèi)型的參數(shù)和材質(zhì)類(lèi)型的參數(shù)；項(xiàng)目參數(shù)這一子項(xiàng)沒(méi)有到第二層次的拓展；族參數(shù)這一子項(xiàng)可以拓展到第二層次，其第二層次又分為族類(lèi)型參數(shù)、族實(shí)例參數(shù)，其中，族類(lèi)型參數(shù)這一子項(xiàng)可以拓展到第三層次，其第三層次又分為幾何參數(shù)、非幾何參數(shù)，而族實(shí)例參數(shù)這一子項(xiàng)也可以拓展到第三層次，其第三層次也分為幾何參數(shù)、非幾何參數(shù)；共享參數(shù)這一子項(xiàng)可以拓展到第二層次，其第二層次又分為幾何參數(shù)和非幾何參數(shù)。

通過(guò)圖1 所構(gòu)建的參數(shù)化設(shè)計(jì)樹(shù)，可以將總體設(shè)計(jì)任務(wù)沿著參數(shù)維度進(jìn)行逐步的拆分和細(xì)化，最終具體到一個(gè)個(gè)參數(shù)化設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容，從而完成BIM 數(shù)字化整體的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3 建筑項(xiàng)目BIM 三維建模

運(yùn)用BIM 技術(shù)進(jìn)行建筑項(xiàng)目的數(shù)字化設(shè)計(jì)，主要是為了視覺(jué)上直觀地看到建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)好之后的三維展示效果。因此，對(duì)于本文中主干街道人行天橋的BIM設(shè)計(jì)，要給出其三維的數(shù)字化模型及其相關(guān)參數(shù)。而這一部分的數(shù)字化模型，在人行天橋建成后也會(huì)在真實(shí)世界中一直存在，所以稱(chēng)之為永久結(jié)構(gòu)模型。除了進(jìn)行人行天橋?qū)嶓w的三維模型數(shù)字化設(shè)計(jì)，BIM 技術(shù)還希望通過(guò)數(shù)字化處理模擬仿真出天橋的施工工序和整個(gè)施工過(guò)程，以便對(duì)人行天橋的實(shí)際建造給出最為直觀的展示，進(jìn)而判斷其合理性并改善其中的不足。所以，除了永久結(jié)構(gòu)模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)，還需要對(duì)施工過(guò)程中的臨時(shí)模型進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，以便形成后續(xù)的施工過(guò)程動(dòng)畫(huà)展示。

對(duì)于主干街道人行天橋的永久結(jié)構(gòu)模型數(shù)字化設(shè)計(jì)，主要包括主拱結(jié)構(gòu)部分的數(shù)字化設(shè)計(jì)、橋主梁結(jié)構(gòu)部分的數(shù)字化設(shè)計(jì)、拱橫梁結(jié)構(gòu)部分的數(shù)字化設(shè)計(jì)、橋面橫梁結(jié)構(gòu)部分的數(shù)字化設(shè)計(jì)、橋面挑梁結(jié)構(gòu)部分的數(shù)字化設(shè)計(jì)、吊桿結(jié)構(gòu)部分的數(shù)字化設(shè)計(jì)、橋面支撐結(jié)構(gòu)部分的數(shù)字化設(shè)計(jì)和橋墩結(jié)構(gòu)部分的數(shù)字化設(shè)計(jì)。對(duì)于主干街道人行天橋的臨時(shí)施工模型數(shù)字化設(shè)計(jì)，主要包括安裝支架結(jié)構(gòu)部分的數(shù)字化設(shè)計(jì)、生活區(qū)域結(jié)構(gòu)部分的數(shù)字化設(shè)計(jì)、施工機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的數(shù)字化設(shè)計(jì)。除了臨時(shí)施工所用的器具，還需要對(duì)臨時(shí)施工的場(chǎng)地進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。

據(jù)此，得到建筑項(xiàng)目BIM 三維建模的主要單元組成，如圖2 所示。

圖2 人行天橋BIM 三維建模的主要單元組成

如圖2 所示，在進(jìn)行各個(gè)單元的三維建模過(guò)程中，除了數(shù)字化的模型結(jié)構(gòu)，還要將每一個(gè)單元的參數(shù)信息添加于其中以滿足前述的參數(shù)化設(shè)計(jì)要求，如各個(gè)單元的屬性參數(shù)、標(biāo)高參數(shù)、坐標(biāo)軸參數(shù)和參照平面參數(shù)等。這樣，每一個(gè)數(shù)字化結(jié)構(gòu)單元就擴(kuò)展成了族信息包，分別是主拱結(jié)構(gòu)部分的族信息包、橋主梁結(jié)構(gòu)部分的族信息包、拱橫梁結(jié)構(gòu)部分的族信息包、橋面橫梁結(jié)構(gòu)部分的族信息包、橋面挑梁結(jié)構(gòu)部分的族信息包、吊桿結(jié)構(gòu)部分的族信息包、橋面支撐結(jié)構(gòu)部分的族信息包、橋墩結(jié)構(gòu)部分的族信息包、安裝支架結(jié)構(gòu)部分的族信息包、生活區(qū)域結(jié)構(gòu)部分的族信息包和施工機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的族信息包。

至此，本文得到主干街道人行天橋的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)效果，如圖3 所示。

圖3 主干街道人行天橋的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)效果

從圖3 可以看出，運(yùn)用BIM 技術(shù)得到的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)效果，直觀地展示出了人行天橋設(shè)計(jì)出來(lái)以后的結(jié)構(gòu)和外觀。橋面橫架在兩側(cè)橋墩之上，橋面兩側(cè)有主拱護(hù)衛(wèi)和支撐，2 個(gè)主拱之間通過(guò)均勻排布的橫梁連接。

4 建筑項(xiàng)目BIM 施工分解

根據(jù)BIM 技術(shù)完成主干街道人行天橋的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)以后，可以借助BIM 技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行施工階段的分解，分解結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 人行天橋的BIM 施工階段分解

從表2 中可以看出，第一列是人行天橋項(xiàng)目BIM 數(shù)字化模型的版本，第二列對(duì)應(yīng)了每一個(gè)模型完成的施工內(nèi)容，第三列對(duì)應(yīng)了每一個(gè)模型完成所用的施工工期，第四列對(duì)應(yīng)了施工的起始時(shí)間，第五列對(duì)應(yīng)了施工的完成時(shí)間。可見(jiàn)，在BIM 數(shù)字化技術(shù)之下，人行天橋項(xiàng)目的每一個(gè)施工階段和內(nèi)容都變得非常明確。

5 結(jié)論

BIM 技術(shù)是建筑項(xiàng)目數(shù)字化設(shè)計(jì)和施工仿真的重要手段。本文以主干街道人行天橋建筑項(xiàng)目為研究案例，在給出其具體的工程參數(shù)要求之后，選擇了BIM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)軟件。在人行天橋建筑項(xiàng)目BIM 參數(shù)化設(shè)計(jì)中，將整個(gè)內(nèi)容細(xì)化為常規(guī)參數(shù)、項(xiàng)目參數(shù)、族參數(shù)和共享參數(shù)4 個(gè)子項(xiàng)并逐級(jí)細(xì)分。對(duì)人行天橋建筑項(xiàng)目的永久結(jié)構(gòu)模型、臨時(shí)施工模型，進(jìn)行了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)并給出了視覺(jué)展示效果。依托BIM 設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果，對(duì)人行天橋建筑項(xiàng)目進(jìn)行了施工周期的分解，明確了每一個(gè)階段的施工內(nèi)容。