BIM技术在建筑工程结构设计阶段的应用研究

倪超杰 钟冬冬

（1.浙江工程设计有限公司，浙江 杭州 310000；2.中建八局第二建设有限公司，山东 济南 250014）

设计阶段是建筑工程建设全生命周期中的上游阶段，此阶段工作的合理性不仅可以为建筑后续施工打下基础，还可以保证开发的项目在市场运营中达到预期收益[1]。为满足设计阶段的工作需求，提高建筑结构设计的合理性，本文结合BIM技术，以真实案例作为载体，对技术在设计阶段的合理化应用给予帮助。

1 建筑工程概况

以某地区大型建筑工程企业承包的项目为例，对基于BIM技术的建筑结构设计工作展开分析与研究[2]。设计前，提取建筑工程项目信息，总结并整理项目概况，见表1。

表1 建筑工程概况

根据《建筑工程结构荷载规范》文件规定，设定此建筑工程项目所在场地的粗糙程度为A类，楼体相关结构（含楼面）为活荷载[3]。根据文件要求，设计建筑工程项目不同的荷载取值，见表2。

表2 建筑工程项目不同的荷载取值

2 BIM技术在建筑工程结构设计阶段的应用

2.1 基于BIM技术的建筑工程结构模型建立

引入BIM技术，首先完成对建筑工程结构模型的建立。对于建筑工程项目而言，从一个阶段到另一个阶段时，结构模型的精度应当逐渐增加[4]。为了确保在每一个阶段各个参与方都能够明确自身职责，在工程结构设计阶段，需要根据后续各阶段要求，对模型的详细程度进行不同等级划分[5]。按照结构模型的详细程度从低到高，依次定义为LOD100等级、LOD200等级、LOD300等级、LOD400等级和LOD500等级，每个等级对应的详细程度依次为：模型元件可用符号或通用方式表示，利用图形方式在BIM模型中表示预期相关联的元件信息；构建的模型元件可作为通用对象或物件，并且BIM模型当中需要包含尺寸、形状、位置等信息；构建的模型元件可作为特定对象或物件，BIM模型中同样需要包含上述三种信息；元件可作为特定对象或物件，并包含上述三种信息，且能够提供详图、制作和安全等具体内容；元件能够与施工现场的尺寸、形状、位置完全一致[6]。在对建筑工程结构模型进行建立时，可在Revit软件当中，完成对模型类型创建，如图1所示。

图1 Revit软件中BIM创建类型选择

在完成对BIM模型创建类型的选择后，按照创建标高→绘制轴网→布置结构构建→创建图纸→出图的流程实现结构建模。最后，完成对BIM结构模型的建立后，在Revit软件中以DWG或PDF的格式将BIM模型文件导出。

2.2 建筑工程结构方案设计

在完成对建筑工程结构BIM模型的建立后，在设计阶段还需要完成对工程结构方案的设计。在对结构方案进行制定时，其数据交换需要多个参与方的协调沟通和反馈，同时数据交换也会变得更加频繁[6]。图2为基于BIM技术的设计阶段建筑工程结构方案设计业务流程图。

图2 设计阶段建筑工程结构方案设计业务流程图

按照图2所示的方式对结构方案进行设计。在设计过程中引入IFD模式，实现各个参与方的提前介入，并通过协同管理模式，对碰撞和错漏缺等问题进行快捷、高效地解决。

2.3 设计内容深化

在完成对建筑工程结构方案的设计后，根据结构专业、水、热、电专业的修订建议，对结构方案进行调整和优化，使设计内容更加深入。在此阶段，要把建设项目的可行性、经济合理性作为评价指标[7]。在对设计内容深化时，主要内容包括：拟定设计方案、设计准则，对结构、水、暖、电等专业设计方案作为重点。根据结构专业、水、热、电专业的修改意见，进行结构方案的调整与优化，以加深对结构的理解[8]。在这一阶段，要以项目可行性和经济合理性作为评估的标准，同时还需要明确具体的投资金额和技术经济指标。设计内容中的技术经济指标主要包括结构面积系数、辅助面积系数、工程总造价等。其中，结构面积系数的计算公式为：

式中F代表结构面积系数；S代表建筑面积；S′代表结构面积。

除此之外，原有对机电施工图的深化设计也可在这一阶段完成。具体而言，在设计过程中，首先对上述构建的BIM模型进行载入，在此基础上，采用BIM技术可视化的特性，在结构工程中引入或连接的模式。新的工程模板必须以结构分析-定义CHNCHS为基础，以此根据建筑工程项目特点建立符合要求的项目样板[9]。在此基础上，对结构构件进行绘制。在平面视图当中，若某一参数发生变化，则任何一个视图中的参数都会同步发生改变，以此提高深化设计的效率。

2.4 二维图纸与三维视图关联

在完成上述设计内容的深化后，在Revit软件中完成对二维图纸的编辑。将导入的BIM模型各个方向上的视图以二维形式展现；对二维视图图纸进行汇编或编译，并从Revit软件中导出。将导出的文件载入到CAD软件和Excel软件当中，生成CAD图纸和表格；最后，将得到的图纸文件和表格文件进行发布和打印。生成的二维视图需要送审报批，BIM模型及生成的二维视图需要同时交付和归档[10]。按照上述方式获得的每张图纸都是由三维模型自动生成的，其平面与三维视图都是相互关联的。同时，在Revit软件的支撑下，能够进一步提高图纸生成和管理的效率。

3 实证应用分析

在已知建筑工程项目相关技术参数后，使用Revit软件，创建针对此建筑工程项目的几何结构模型，创建过程中，对节点与板面之间的节点进行自动连接设计。并在创建过程中使用不同的族、元、类，建立针对建筑结构构件属性的集合信息模型。参照上文内容，建立针对此建筑工程项目的基本结构模型，具体步骤为：①在操作界面选择建筑工程模型结构样本文件；②将样本文件与建筑各个结构专业之间进行连接，创建基本的BIM结构；③在界面中进行轴网的创建；④在界面中进行标高数据的导入；⑤在文件夹中选择适配的族样本，将其导出后，制作对应的构件族文件；⑥在结构模型中布置混凝土柱；⑦在结构模型中布置混凝土结构梁；⑧创建建筑工程结构板；⑨检查模型细部结构是否合理。

按照上述方式，完成对建筑工程BIM模型的初步构建，操作界面进行视图样板的调节，使视图显示成不同的样式，通过此种方式生成一个模板结构图。在Revit软件中，对结构物理模型的展示形式进行导出，见图3。

图3 结构物理模型展示

在此基础上，使用有限元建模软件，根据工程设计需求，进行梁顶面中心位置参数的修改，修改界面见图4。

图4 结构梁参数修改界面展示

完成上述设计后，对结构模型赋予对应的属性信息，根据《建筑工程结构荷载规范》文件规定，在Revit软件中选择对应的荷载与属性类型，进行荷载的添加。操作界面如图5所示。

图5 荷载展示界面

在此基础上，对建筑结构钢筋进行建模，操作步骤为：①在操作界面中选择本地文件或云端文件，选定项目所属服务器后，在界面上设定可进行读写操作的服务器有效路径；②将项目的Revit初始化文件复制到服务器中，将其作为钢筋建模的中心文件；③由设计人员操作界面打开文件，完成对中心文件工作集的创建；④由设计人员在中心文件中创建多个子集，并划分对应子集的所有者；⑤各个子集所有者将Revit用户名修改为与中心文件中子集所有者一致的名称；⑥子集所有者通过网络路径打开中心文件，将本子集的工作权限由“否”修改为“是”，再将中心文件以另存为的方式存储到本地文件夹中，将其作为初始化子集；⑦完成中心文件与子集的创建后，将信息录入结构模型。

完成上述设计后，将建筑工程中1～10层中的钢筋、梁节点碰撞作为测试指标，检查设计的图纸是否存在此种问题，见表3。

表3 1～10层中的钢筋、梁节点碰撞

表3可以证明本文设计的方法在应用中具有可行性。在上述内容基础上，对比基于BIM技术的结构设计方案与传统技术设计方案的实际应用效果，见表4。

表4 基于BIM技术的结构设计方案与传统技术设计方案的实际应用效果

综上，基于BIM技术的设计方案应用效果更佳。

4 结语

BIM技术作为建筑设计的主体技术，在工程建设的全过程中发挥了重要的作用，其中BIM的正向设计将直接影响到设计效果，然而，由于技术自身的特殊性原因，BIM在工程实践中的应用仍处于初级阶段，与实际推广使用相比还有一定的差距。

在后续的工作中我们应当：①对BIM技术在建筑设计中的应用进行深入研究，以期为BIM在工程设计中的应用提供参考；②在BIM的设计中，完善BIM的建模规范和交付标准，并建立行业内外的BIM模型。