BIM技术在结构设计中的应用探索

近几年BIM技术在国内的发展迅猛，各种BIM软件也相继出现，BIM技术是设计行业的又一次变革，同时在设计行业全生命周期中作用是不言而喻的。它是贯穿于设计、施工和后期运维整个全生命周期。

BIM技术实质上是基于数字化技术的一种新型“工作模式”。BIM包含了建筑物在项目建设周期中的所有相关真实信息，不仅包括几何信息（几何信息反映了建筑模型内部和外部空间结构的三维几何表示，通常通过参数化的三维建筑构件组合来实现），还包括非几何属性信息（非几何信息是指除几何信息之外的所有信息集合，通常被保存在模型的参数属性中），如建筑构件的材料、重量、价格、进度等，同时还为建筑师、结构工程师、设备工程师、开发商乃至最终用户等各环节人员提供“模拟和分析”的数据基础。从项目的规划阶段“数据库”就开始建立，随着工程项目的展开，信息和数据将不断丰富和完善。不同专业的设计人员、施工人员以及运维管理人员可以协同工作，随时从中提取有用的资料并实现一次建模无限次充实并利用，从而避免重复工作。BIM技术是实现建设项目全生命周期管理的关键，能够储存项目全生命周期的所有物理属性和功能指征，以便于业主和经营者利用这些信息进行建筑物管理与维护，乃至整个城市的管理维护。

近几年，BIM技术在设计行业引起了高度的关注，同时在行业内的发展也非常迅速，尤其在建筑专业最为明显。在国内外的各大BIM论坛会议上，BIM技术一次又一次的被提及，然而，在结构专业设计的过程中，各大设计院都或多或少的存在困难或问题。因此，很多设计院的BIM设计还停留在翻模以及辅助设计，真正实现全专业使用BIM设计来完成生产任务的设计院很少。因此，实现从建模到施工图出图是BIM技术在结构设计中应用亟需解决的关键问题。

协同环境及工作流程

工作平台介绍。目前北京市建筑设计研究院使用的工作管理平台是Bentley ProjectWise(简称PW)，PW是专业的协同管理平台，具有相对严谨和完善的管理体系，因此需设置专门的PW管理员。所有的设计工作都存储在服务器中，工程师通过PW平台来访问服务器，同时通过PW管理员赋予不同设计人员的不同权限。文件的权限设置是PW管理的一项重要工作，权限设置的是否分明直接决定了管理是否有序和有效。文件的每一次修改，PW平台都有相应的记录，这样方便文件的管理，同时各专业间的提资也有记录，这使得设计过程的提资记录变得完整，并且有迹可循。这个管理平台不仅可以使设计师访问，管理员也可以给予项目的施工工程师和业主不同权限，这样业主也可以在外地进行文件的访问，方便设计院和业主之间的沟通，能真正实现从设计到施工的全方位的协同。PW服务器的维护是设计工作的保障，只有管理平台正常有序的运行，才能保证设计工作的流畅性。

协同工作流程。为方便各专业协同、高效、安全的进行，北京市建筑设计研究院采用的协同工作流程如图1所示。结构三维设计工作流程如图2所示。

结构模型创建

模型信息分类。BIM设计不单纯是创建一个三维模型，其重点是模型中的“信息”，结构模型信息分为：几何信息和非几何信息。几何信息是存在模型中的实体，可以直接看到和编辑，如结构柱、梁、板、基础等构件；非几何信息是赋予这些构件的参数，如构件的截面尺寸、注释、及配筋信息等。非几何信息对于BIM信息模型在后期运维至关重要，因此，在模型的创建过程中工程师们需要将非几何信息全部赋予构件。

几何信息创建。几何信息（结构构件）创建是BIM设计的基础，在这基础上才能完成非几何信息的创建，其中轴网也属于几何信息。

非几何信息创建。在创建几何信息的同时，非几何信息也应赋予相关构件。非几何信息的详细程度取决于建模深度，同时这也决定了工作量的大小，有些参数是需要在构件创建的过程中赋予。

结构模型数据交互

模型与分析软件间配合。在接收建筑条件后，首先建立或转成结构模型，然后进入结构计算阶段，通过计算后，再完善结构模型。计算作为结构专业非常重要的一环，如果计算模型与BIM模型脱节，那实在是BIM在结构设计过程中的一大遗憾。

作为国内主流结构计算软件，PKPM在努力打通与市面上主流的三维设计软件的数据壁垒。目前PKPM也正在尝试通过ISM和Bentley系统的三维设计软件进行数据的交互。Bentley系统的ISM是专为结构专业设计的交互模式，可实现结构软件间的双向协同，如图3所示。

结构施工图绘制

三维设计不同于传统设计之处就在于模型信息准确和高效的利用，包括几何形体和非几何属性。几何形体的一致性可以使施工图绘制的构件与所设计的构件表达一致，非几何属性的一致会使图面中标记的信息与构件的属性一致，避免设计过程中频繁的修改而导致模型和绘图不一致的情况。

然而在实际制图过程中，需要考虑本地化绘图习惯和制图标准，因此需要定制大量满足国内制图要求的符号化构件。在符号化构件库齐备的情况下，可大幅提高施工图绘制效率，且准确性得以保障。如图4~6所示。

节点详图。对于节点钢筋的绘制可以通过两种方式来实现，一是在剖面内通过绘制三维实体钢筋来实现；二是通过二维线型表示钢筋来实现。其中方法二是为了满足施工图出图而进行的二维处理方法。三维设计中节点的表达方式更为准确和直观，在二维的详图中附加详图的局部三维视图，这样可以清楚的表达详图，减少施工过程中的出错几率。如图7、8所示。

结构专业对BIM的期待

BIM的前景一定很广阔，结构专业在BIM技术的应用上遇到了诸多的限制条件和阻碍，因此，对BIM技术我们还有诸多期待。

快速建模。BIM技术要能在设计行业内得到大力的发展，首要解决的问题是效率问题，只有效率的提高才能吸引更多的设计院对BIM设计的大力投入，也只有行业内的各大设计院都能来推动BIM的发展，才能使得BIM的发展更加的快速和有效。效率在一定程度上取决于BIM软件能否快速的实现快速建模、出图等操作。如能实现快速批量创建和编辑模型，同时能快速赋予模型非几何信息，这些都是目前软件本身不能很好的实现。通过软件自身的改进和第三方软件开发商来解决这些最基本、也是最需要解决的问题直接决定了软件的本地化程度。

结构计算。结构计算是结构设计中最重要的部分，目前BIM设计软件与国内结构计算软件的配合都不能完美的转换。我们希望能实现的是BIM设计软件中构件的几何信息和非几何信息在与结构分析软件的转换中都能得到很好的转换，不希望在转换的过程中丢失任何信息，只有无缝转换对结构设计才有意义，这也是未来BIM设计中需要解决的又一大问题。

BIM技术是设计行业的又一次变革，同时在设计行业全生命周期中作用是不言而喻的。它是贯穿于设计、施工和后期运维整个全生命周期，对结构设计带来挑战，同时也给予了另一种工作模式。纵然各种BIM设计软件存在着一定缺陷，但随着软件的逐步完善和本地化程度的提升，相信三维设计会像二维设计一样完善和成熟，其优势在未来几年一定会有明显的体现。

通过以BIM技术在结构设计中的应用探索，我们可以发现BIM技术目前能基本实现在结构设计中的要求。虽然存在着诸多困难，尤其在施工图表达上，但通过我们的努力，基本能实现从建模到施工图出图的整个过程，而且在施工图的绘制过程中某些编辑要比二维设计中更加方便，比如：板平法钢筋的绘制。第三方软件的开发也能一定程度上加大BIM的发展力度。结构专业如能解决上述困难，则全行业内结构设计真正实施BIM设计指日可待，这也是从BIM翻模到BIM技术真正完成生产任务的转变。只有从初步设计到施工图设计的全过程实施BIM设计，才能控制过程成本，才能对后期的运维有更大的意义。