建筑结构设计中BIM技术的应用

赵军

(武汉中合元创建筑设计股份有限公司)

1 引言

将建筑信息模型（BIM）技术应用在建筑结构设计上，可以更好的实现结构施工图与结构设计的无缝连接，保持高度统一。具体的方法步骤是：设计师首先在BIM软件中建立建筑物的实体模型，然后基于实体模型建立钢筋的框架结构模型，并通过相互关联的构件属性参数与注释组，对实体模型以及施工图纸设计进行动态更新。

2 BIM技术的优势

BIM是建筑信息化模型（Building Information Model）的英文简称，它能够把建筑工程项目全寿命周期内每个不同阶段的过程、资源等信息全部集中在一个三维数据信息模型系统中进行全面描述，实现信息共享，项目各参与方都可以从中得到自己所需要的数据资源信息，对各专业施工起到很好的协调作用，做到设计、施工、运营管理、维护等全寿命周期的一体化管理和无缝连接，大大提高施工质量、效率，节约建设、管理成本。

BIM技术功能强大，优势明显，主要体现在以下几个方面：

1）可视化

在没有BIM之前，建造者只能是通过二维施工图纸的描述，对建筑物的三维实体结构展开想象。运用BIM技术可以直接建立三维实体模型，在可视化的情况下对构件之间的联系进行反应，还能直接生成数据表格，并可出图，实现了“所见所得”的展示效果，而且各施工专业之间的讨论沟通与方案决策都能够在三维实体模型的可视化状态下直接提出更改意见并进行实操模拟。

2）协调性

BIM建筑信息模型提供了碰撞检测技术，可以对各种专业工种在施工中的碰撞问题进行检测，并提前做好专业协调。还可以协调诸如电梯井布置、防火分区、地下排水布置等与其它设施布置的空间要求。

3）模拟性

BIM不仅可以对建筑结构进行模拟，还可以对建筑物的日照、通风、节能、热能传导等情况进行模拟。BIM技术的模拟性可以说既反应了现实，同时又能超越现实，在放大、旋转等功能性命令的辅助下，可以对现实情况下不可能实现的操作通过模型进行模拟查看。BIM还可以在三维的基础上增加时间、价格要素，建成4D或5D模型，协助建设者做好施工进度和工程造价的动态管理，控制好施工成本。还可以对后期的运维以及突发状况下的应急响应进行模拟。

4）优化性

BIM提供了海量的数据资源，包括形状、位置的几何、物理以及规格信息等资源，这些资源对于设计方案的进一步优化提供了巨大的帮助。有了这些强大的数据资源信息，BIM就可以对建筑结构设计中的一些复杂数据进行快速的处理和优化，对工程量进行准确计算统计，加入价格因素，就能计算造价。BIM可以通过碰撞检测，对结构设计中的错误自动纠正。在施工中发现问题时，可以直接通过模型查找来解决。如果在结构设计中需要更改某个组件或参数，往往是“牵一发而动全身”，但在BIM中，就只需要在界面上输入更改的内容，一键确定，其他关联信息就会自动更改生成，如果是传统的CAD图纸修改，整个设计方案都得重来。

3 适用于建筑结构设计的BIM软件

BIM技术在建筑工程中的应用，并不是一个软件就能实现的。它是以BIM核心软件作为平台核心，再链接上其他专业的相关软件，一般常用的有BIM方案设计软件、可持续分析软件、机电分析软件、结构分析软件、可视化软件、以及模型检查、深化设计、造价管理、能耗分析、运用管理等相关专业的软件一起形成的一个BIM广义系统。

BIM核心软件的功能主要就是建模，在建筑行业领域使用最多的是Revit软件，由欧特克公司开发，此软件共有三个不同的版本，应用于结构设计的主要是Autodesk Revit Structure软件。这款软件集成了独立分析、可编程以及多材质物理模型的所有优势，最大程度的保证了设计准确性与多专业的协调能力。

4 钢筋混凝土结构设计基于BIM的两种表现形式

钢筋混凝土是目前建筑工程中普遍采用的结构形式，将BIM运用于建筑结构设计中，可以对钢筋构件做三维钢筋实体建模，生成结构以及构件的剖面图；也可以在结构平面图上进行符号标注。下面就对BIM常用的三维钢筋实体模型法和平面配筋注释法进行分析说明。

4.1 三维钢筋实体模型法

所谓三维配筋建模，就是以建筑的实体结构为基础，把钢筋的框架结构建成BIM模型（见图1），通过BIM的数字化三维技术对钢筋进行表达，向设计者呈现结构中的细部构件，对钢筋的定位、节点、尺寸、搭接长度以及箍筋间距变化等情况进行细节描述，对位置冲突上的避让进行说明，让隐蔽工程可视化，对框架结构的实际信息进行真实反应。可以作为技术交底资料指导施工，让施工者对建筑物有个更为感性的认识。并且可以直接对钢筋以及混凝土进行算量，并生成造价预算表格。采用这种方法优势比较明显，主要表现在四个方面：

1）钢筋骨架模型化

相较于普通建筑模型，在建筑结构模型的基础上增加了钢筋实体模型，可以直接查看以三维立体形式呈现的结构钢筋网。模型中包含钢筋的尺寸、捆扎形式和空间定位等信息，对结构复杂的位置可以放大显示，用于实操指导，提前避免实际施工捆扎钢筋时可能出现的出现钢筋碰撞。

2）隐蔽工程可视化

钢筋是混泥土框架结构中的隐蔽工程，四周有混凝土包裹，在现实中是观察不到这些内部结构的，但在BIM呈现的三维视口中，通过修改混凝土参数、改变材质透明度、设置剖面视图等多种方式，可以清晰的看到内部钢筋的排放位置及相关信息。

3）超越现实视角

BIM模型是基于现实实体基础上计算机模拟呈现，可视化的角度和大小是可调的。使用者可以根据自己需要观看的重点进行放大或缩小视图，也可以从任意角度和方位观看，这些操作只需要在软件中进行旋转或放大缩小命令操作即可。而现实实体观察却做不到这一点，人的视角有一定的局限性，也不可能对庞然大物放大缩小或旋转。

4）自动化算量

精细化建模下的BIM模型包含了进行材料算量所需的各种基本信息，设计人员可以方便的在模型中直接查看工程的混凝土、钢筋用量，根据混凝土类型、钢筋直径等特征生成材料清单，方便快捷的进行成本核算和比对（见图1）。

但采用三维钢筋实体模型显示钢筋框架结构也有一些缺点：需要对每根钢筋的长度、定位等信息进行逐一处理，信息量多，工作量大，图纸量大。而且对电脑的CPU以及显卡的配置要求较高。

4.2 平面配筋注释法

在BIM中也可以用平法表达钢筋的相关信息，与传统的平面图不同，BIM的平法表达不止有抽象的符号，它给构件赋值了钢筋的相关信息，可以进行提取交换与分析（见图2）。注释族与属性栏里的参数相互关联，只要修改属性栏参数，平法施工图内对应的注释符号、位置以及数据就会自动更改。

图1 三维钢筋框架结构实体模型

图2 梁属性栏参数与梁平面注释族的关联

采用这种表示方法的主要优点在于制图简单，工作量小，电脑配置要求不高，而且节省图纸，在一张图纸上可以表述多条钢筋的信息。但是它的缺点也很明显，没有三维效果，对施工过程的指导作用不大，目前也不能利用BIM对结构进行直接分析。

5 结语

将BIM技术应用于建筑结构设计中，生成可视化三维结构物理模型，可以提高施工者对建筑结构的感性认识，其具有的模拟性、协调性、优化性特点可以把工程施工中的很多实际问题提前在设计阶段解决掉，可视化用于指导施工，可以大大提高施工效率，而且在基于3D模型的基础上，可以计算出钢筋、混凝土的使用量，再加入时间、单价因素，在施工进度和工程造价动态管理上都有很好的表现。但BIM技术在建筑结构设计中的功用还不够完美，尤其是在物理模型跟结构分析软件的链接上，还有待进一步研究。