BIM技术在连云港玉米深加工包装间结构设计中的应用

张 利，程歆琛，殷小龙

(长春工程学院土木工程学院，长春 130012)

BIM技术在连云港玉米深加工包装间结构设计中的应用

张 利，程歆琛，殷小龙

(长春工程学院土木工程学院，长春 130012)

传统的2D建筑结构设计方法在现阶段的结构设计上显得力不从心，怎样将更丰富的设计理念融入到建筑中，使设计的过程变得可视化，将整个设计理念完整地通过三维模型表现出来，是当前建筑业的当务之急，对比了基于BIM技术的建筑结构设计流程与传统结构设计流程的不同，重点介绍了BIM技术在连云港玉米深加工包装间结构设计上的应用，并利用ETABS和PKPM进行分析结构的对比，同时介绍了在Revit中施工图的绘制方法。

BIM；结构设计；设计流程；施工图

0 引言

近年来，随着计算机技术的快速发展，信息化已经过入各个行业，建筑业的设计模式也受到了巨大的冲击，信息化给建筑业带来了革命性的影响，建筑行业一直在寻求一种能够降低项目成本、提高生产效率和工程质量，并且能减少项目交付时间的技术手段，BIM技术的出现有实现这些目标的潜力[1]。随着复杂的建筑结构形式逐步增多，存在项目各参与方沟通困难、数据重复利用率低下及各专业设计信息交流障碍等问题。传统的2D建筑结构设计方法在现阶段的结构设计上显得力不从心，怎样将更丰富的设计理念融入到建筑中，使设计的过程变得可视化，将整个设计理念完整地通过三维模型表现出来，BIM技术的实质实际上是基于信息技术的一种新的“工作模式”，BIM包含了建筑物在项目建设周期中所有相关的真实信息，不仅仅包括几何信息。几何信息是指建筑模型外部和内部空间上的三维几何表示，通常是用基于参数化的三维构件模型来表达，如梁的长度、宽度等。本文将重点介绍BIM技术在连云港玉米深加工包装车间结构设计中的应用。

1 设计流程对比

与传统的结构设计模式相比，基于BIM技术完成的结构设计有很大的不同，由于利用BIM技术进行设计的项目通常要求使用同一个总体模型。故结构设计的模型都是来自于建筑专业提供的建筑模型，之后结构专业设计人员再在建筑模型的基础上进行结构设计。在这一阶段包括对结构构件的进一步修改、删减等，将边界条件、荷载等分析元素添加到模型中，结构模型也就基本建立完成。再将建立好的结构模型通过建筑信息模型转换插件或其他信息传递方式导入到结构有限元软件中，然后把结构有限元软件中的分析、计算结果反馈到核心建模软件中。当建筑模型发生变更修改时，结构工程师也能根据建筑师的要求进行结构模型的实时修改。

民用建筑设计阶段分为概念设计、方案设计、初步设计及施工图设计等4个阶段，这样能够使设计流程变得更加清晰和合理，即能提高各专业之间的合作效率，也更加便于对设计周期的把控和管理。

在整个建筑设计流程中，建筑结构设计是必不可少的一环，建筑设计和结构设计有着十分巨大的差别。建筑工程师更加注重的是建筑物的外观造型以及建筑空间的安排，但是，结构工程师更加注重建筑物的安全性能和对建材的利用。传统的结构工程师在结构设计软件中建立的模型都是分析模型，分析模型中的构件都已经对结构构件进行了简化，而简化模型也无法在后期对其进行利用。

相对于传统的设计流程，基于BIM技术的设计流程发生了以下的改变：

1)数据传输的改变。BIM技术的应用能够帮助各专业之间在同一个数据库中完成各自的工作内容，并且能够看到其他专业及时的变更，实现了各专业之间的实时数据同步，有效地避免或解决了设计过程中各专业之间的设计冲突，使得专业之间的协调更加完美，从而达到了提高设计质量的目的。基于BIM模型的分析、模拟和展示，比传统的二维图纸与平面效果图的协调方式能带给设计师更加直观和丰富的感受。

2)工作流程的改变。目前国内各大设计院的设计周期通常被压缩得非常紧张，通常需要通宵达旦地加班赶图，BIM技术能使各参与方参与时间提前，能使整个建筑的项目周期在合理的范围内缩短。在每个设计阶段，工作任务会有一定程度的前置，设计人员能提前进行相关的检测与分析，并能降低变更成本，减少错误。设计审核不再是传统的阶段性审核，而会根据实时模型对其进行审核，也是从传统二维图形审核变化为BIM模型的三维审核。

3)设计质量的提高。在方案设计阶段，立面图、剖面图、平面图等二维视图都能根据BIM模型自动生成，也会更加精确，设计师不再需要花很多时间去绘制平立剖图，并能把主要精力放在设计创意上。在BIM模式下，设计师可以更加快捷、高效地解决碰撞、错漏缺等问题，由此能大大提高设计质量。

2 工程项目简介

连云港玉米深加工包装间总建筑面积3 749.04 m2，该建筑为工业建筑，长60.00 m，宽23.80 m，结构体系为钢筋混凝土框架体系，主要用于玉米变性淀粉的加工，建筑物耐火等级为二级。建筑层数为10层，结构形式为钢筋混凝土框架结构，建筑设计使用年限为50 a，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，设计地震基本加速度为0.10g，特征周期为0.35 s。50 a一遇基本风压为0.55 kN/m2，100 a一遇基本风压为0.65 kN/m2;场地地面粗糙度类别为A类。

新的核磁共振技术，无一例外地面临着诸多挑战，而要成功地将这些技术应用于临床，仍有大量工作要做。DTI的研究已经产生了最实质性的成果，但在这项技术被广泛应用于临床之前，仍然需要进一步的改进，然后进行标准化。目前，国内外各学者对 DTI相关参数在病理基础表现上持有不同的观点，在预后判定方面还未做系统的研究。有关ADC值、FA值变化的病理机制、临床意义及与临床预后的研判方面的研究将是在未来的几年里研究的重点与热点。脊髓成像界无疑会取得许多伟大的成就，未来的研究转化将使临床从中受益。

图1为经过结构选型后，结构专业的物理模型。在进行模型修改之前，需要先定位好建筑模型中的标高，以防止在结构模型中出现标高差。

在建立结构信息模型的时候，软件自带的族远远不能满足实际设计的需求，在面对项目中的异形构件时需要单独建立族文件，并定义构件族属性参数。一般情况下，族分为内建族和可载入族，构件时需要单独建立族文件，并定义构件族属性参数。一般情况下，族分为内建族和可载入族，企业在应用BIM技术时，完善族库是一个漫长的过程，经历的项目越多，族库也会更加的庞大和完整。与常规二维结构建模不同，在建筑结构设计中，先根据建筑模型建立物理模型，其次建立分析模型，初始的结构模型是不具备结构属性的，需要在结构面板中添加结构专业的参数与属性，之后能在项目浏览器中结构平面图和三维视图中出现分析属性，分析模型如图2所示。

图1 结构专业物理模型

3 结构分析

采用ETABS 2013结构计算软件与Revit 2016 进行数据的交互，进行双向链接，完成结构的安全性计算，针对Revit模型，Computers and Structures公司推出了CSixRevit 2016接口软件，在Revit 2016的附加模块中单击“外部工具”里“Export to Create New ETABS or SAP2000 Model”即可生成后缀.exr格式的文件，如图3所示。由于刚性楼板假定无法在Revit中实现，同时在Revit中无法定义地震信息，故在ETABS中对模型进行调整。

在Revit中梁的分析模型由黑、白、灰3种颜色的线段组成，如图4所示，黑色为梁的起点，白色表示整个梁，灰色代表终点。与有限元软件相似，可以通过改变设置区分起点和终点。在软件默认的设计参数中，梁的分析线段位于梁的顶面中心位置，在实际工程中可以根据要求进行修改，更改参数如图5所示，本工程中的梁的分析线都在梁顶面的中心线上，故不需要偏移[2]。

图2 结构分析模型

图3 Revit导出选项

图4 梁分析线段图

Revit2016中自动生成的结构分析模型如图2所示，在分析模型中，多数构件都能根据定义自动转换以线和面为表现形式的分析模型，对结构中某些无法转换的构件进行简化，不参与结构整体计算，只需要将荷载信息施加到分析模型。在现阶段的结构设计中，基础和上部建筑通常是分开分析的，一般是上部结构单独建模分析，之后通过上部结构加荷载计算将传递下来的荷载施加在基础上再进行设计，故将柱基础的模型禁用，如图6所示。

在整体结构计算中，对楼板的处理通常是假定其为刚性楼板，以控制楼板在平面内的变形来计算层间位移角，配筋通过其他方式计算。在Revit中无法进行刚性楼板的假定，之后在ETABS中进行修改，ETABS分析模型如图7所示。

图5 梁分析参数变更

图6 柱基础禁用表示

图7 ETABS分析模型

在ETABS完成结构分析后，整体结构的科学性和合理性是规范特别强调的内容。规范用于控制结构整体性的主要指标主要有:周期比、位移比、刚度比、刚重比、剪重比等[3]，部分分析结果见表1～2，图8～9分别为X、Y方向在风荷载作用下的层间位移角，图10～11分别为X、Y方向在地震作用下的层间位移角。

表1 结构基本自振周期对比

表2 层间位移角对比

图8 X方向风荷载作用下层间位移角

图9 Y方向风荷载作用下层间位移角

4 施工图设计

BIM技术在建筑工程设计阶段的应用，施工图的绘制是必不可少的工作。目前有部分结构将模型成果作为相应的文件交付内容，但传统二维图纸在很长一段时间内难以被取代，所以，目前BIM技术的应用前提是必须将建筑信息模型和施工的动态关联，模型发生修改调整的变化能实时地反应到施工图纸上，这是应用BIM技术在施工图中的一大优势。

根据结构分析软件中的结果进行钢筋混凝土构件配筋设计。在计算参数中预设材料属性。混凝土采用C30，强度特征值为20.10，容重为26 kN/m3，徐变系数为2，梁、柱主筋采用HRB335带肋钢筋，梁、柱箍筋采用HPB300光面钢筋，通过计算配筋与理论配筋对比，调整实际配筋。平法的核心是表达钢筋信息，而钢筋信息是BIM的重要组成部分，如平法的抽象注释符号[4]。

图10 X方向地震作用下层间位移角

图11 Y方向地震作用下层间位移角

4.1 共享参数的创建

在Revit中绘制施工图主要将用到共享参数这一功能，共享参数是Revit中将一方参数共享给另一方为目的的参数类型，具体使用方式与其他参数类似，但最大的不同之处在于共享参数可以保存在与任何族或者Revit项目中不相干的文件中，但依然可以在其他不相关的文件中使用该参数，共享参数是一种信息的集合，能将其中的信息同时共享给多个族和项目，从而可以在对项目构件进行标注时实时更新标注信息。创建共享参数前需要先在电脑中安装Revit_CHSRebar字体用来表达中国平法图集中的钢筋符号，我国混凝土规范已经规定了普通钢筋强度标准值以及普通筋强度设计值[5]，见表3，表3中规定了不同级别钢筋的不同符号表达方式。照此操作可将平法中的钢筋符号用其他符号代替，详见表4。

表3 普通钢筋强度设计 单位：N·mm-2

表4 钢筋符号输入输出显对照表

Revit中自行创建的参数都是.txt格式的文件，可以将创建好的共享参数文件复制出来，将文件的后缀修改为.csv格式，就能在Excel里将文件打开了，更加方便用户的参考。

4.2 创建标注族

根据11G101—1的要求，按规定创建标注族文件，再将族文件载入至项目中，完成柱结构施工图的标注。

生成的施工图纸可以导出为CAD格式的图形文件，现阶段应用BIM技术在出图方面无法离开二维图纸，因为很多细部的表达还是需要二维图形来表示。

图12 柱标注族

总体上讲，BIM技术在施工图上的应用与平法标注是相结合的，BIM模型是三维的表达方式，平法则是二维的表达方式，从信息表达上看，存在一种互补的关系。

1)本文是借助BIM软件对施工图设计中绘制图进行操作，利用创建共享参数和标签族文件实现BIM与平法的结合，也体现了BIM 协调一致性的优点所在。

2)平法与BIM之间的结合在表达方式上存在一些问题，BIM中的平法和传统的平法存在差异，

要在BIM中实现平法，需要在制图规则上做一些改动。

3)BIM软件可很好地管理施工图文件。

5 结语

本文研究了基于BIM技术的建筑结构设计流程，并对比分析了基于BIM技术的结构设计流程与传统设计流程中的不同点，以连云港玉米深加工包装间为基础，完成了对BIM技术应用在钢筋混凝土结构设计中的技术方法的应用，利用CSIxRevit 2016实现了Revit中建筑信息模型与结构分析软件ETABS的分析模型之间的双向链接，并与国内设计院较为常用的结构分析软件PKPM进行了设计结果的对比，两者分析结构基本一致，计算误差在允许范围以内，保证结构的安全性与稳定性。通过建立共享参数的方法实现了在Revit中进行平法标注，能大大提高设计效率。BIM技术在结构设计中的应用还有很大的发展空间，国内主流设计软件之间的信息交流还存在不少问题，软件之间的接口研究还需进一步完善，中国亟需自己的BIM体系软件，只有拥有符合国内行情的BIM体系软件才能保证BIM技术在中国的快速发展。

[1] Azhar S.Building information modeling (BIM):trends,benefits,risks and challenges for the AEC industry[J].Leadership & Management in Engineering,2011,11(3):241-252.

[2] 杨鹏飞.钢筋混凝土框架结构BIM协同设计研究[D].北京：北方工业大学，2015.

[3] 李宏彬.框架支撑结构在中小学建筑中的应用及性能分析[D].邯郸：河北工程大学，2013.

[4] 龙辉元.结构施工图平法与BIM[J].土木建筑工程信息技术，2011(1)：26-30.

[5] 中华人民共和国建设部.GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

The Application of BIM Technology to the Structure Design of a Packaging Room for Corn Deep Processing in Lianyungang China

ZHANG Li,et al.

(SchoolofCivilEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

The traditional 2D building structure design method is hard to cope with the structural design of the present stage.How to integrate the more abundant design idea into the building,to make the design process become visualized,and to express the whole design idea through the three-dimensional model completely are the current development trends in construction industry.In this article,the design process of building structure design based on BIM technology and the traditional structure design process are compared.The application of BIM technology in the structure design of a packaging room for corn deep processing in Lianyungang China has been introduced as the key point.Then by using ETABS and PKPM the analysis to the structure differences has been compared,and the drawing method of the construction drawing in Revit has been introduced as well.

BIM; structural design; design process; construction drawing

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.003

2016-12-05

张利(1960-)，男(汉)，内蒙古赤峰，教授 主要研究建筑结构与混凝土耐久性。

TU311.41

A

1009-8984(2017)01-0010-05