建筑结构设计中BIM技术的应用分析

文／陈朗道 金斯嘉 浙江省工业设计研究院有限公司 浙江杭州 310000

引言：

建筑结构设计所面临的作业流程相对复杂，部分建筑现场所面临的不稳定因素较多，导致建筑结构设计期间易出现缺漏问题，易引发后续设计变更问题。近些年来，为全面增强建筑结构设计水平，设计单位将BIM技术应用于建筑结构设计工作当中。与传统技术手段不同，BIM技术所具备的模拟化、可视化以及参数化功能可以消除传统设计方式存在的信息共享效率不高等短板问题。最重要的是，基于BIM技术的建筑结构设计工作可以提前识别施工风险问题并加以应对处理，有效减少施工风险问题，保障建筑结构现场施工质量安全。

1、BIM技术内容及优势分析

BIM主要针对建筑信息模型而言，技术应用过程中主要以建筑工程项目各项相关信息数据为核心基础，以数字信息仿真模拟以及相关技术为实现条件，通过科学构建建筑模型，确保建筑物所具有的真实信息可以仿真模拟出来。与传统CAD技术不同的是，BIM可以对建筑工程各个阶段进行模拟分析以及完整表达，提前识别现场施工作业可能出现的风险问题，采取切实可行的技术手段以及方法措施，全面调整与优化设计方案，减少现场设计变更问题。结合实际应用情况来看，BIM技术所表现出的优势特点主要如下。

1.1 可视化

可视化基本上可以视为BIM技术的重要特点体现。其中，所谓的可视化可以理解为所见所得的一种技术形式。对于建筑行业而言，实现可视化操作管理可进一步对建筑工程项目全过程流程进行梳理优化，提前识别风险，保障工程项目建设质量安全。结合以往的管理经验来看，传统建筑工程项目管理工作更加依赖于人工管理。在管理过程中，容易受到管理人员资质能力以及专业素养的影响，可能会出现管理效率不高或者风险问题。

通过依托于BIM技术的可视化管理功能，可将传统二维平面设计转化为三维立体实物图形，让建筑结构设计人员以及施工人员可以在三维模型上对建筑各工序以及设计要点内容进行可视化表达。可以说，基于BIM技术的可视化功能可以满足同构件之间的互动性与反馈性可视要求。最重要的是，可视化反馈结果除了可以生成效果图以及报表内容之外，还可以在项目设计以及建造运营中发挥良好的功能作用，如建筑工程项目全周期都可以在可视化状态下进行。

1.2 协同性

协同性作为BIM技术的重要特征表现，区别于普通的技术手段，BIM技术所具备的协同性特征可协调各类施工问题，并提出解决方法，保障建筑工程项目建设质量安全。最重要的是，BIM技术所具备的协同性功能可以加强各参建部门之间的互动联系。如各参建部门可以在BIM建筑模型中对各工种所涉及到的技术流程以及风险问题进行提前掌握，并采取科学合理的措施手段提前规避风险并加强应对。

在前期规划设计过程中，专业设计师可通过利用BIM技术所具备的协同性功能特征，对建筑工程项目施工作业流程所涉及到的专业矛盾问题以及碰撞问题进行提前把握。以暖通专业管道布置优化为例，可利用BIM技术的协同性特征提前识别暖通专业管道布置期间可能遇到的风险问题，如识别当前结构位置是否存在梁等构件的碰撞问题。除了可以解决各专业间的碰撞问题之外，BIM技术的协同功能还可以加强各专业设计之间的协调性与关联性，如保障地下排水布置与其他设置布置协调等。

1.3 模拟性

BIM所具备的模拟性特征基本可以实现对建筑工程项目全周期运作流程的模拟分析，管理人员可根据模拟分析反馈结果，对建筑工程项目各阶段流程所涉及到的重难点问题以及风险管控问题进行重点强调与科学部署。在前期规划设计阶段，设计人员可利用BIM技术对重点设计内容进行模拟实验。如可以通过开展节能模拟以及紧急疏散模拟等，对设计关键点问题进行重点把握。

在招投标以及施工阶段，可通过利用4D模拟技术手段对当前施工方案所存在的不足之处进行及时改进。在具体实现过程中，需要利用施工组织设计对实际施工情况进行模拟分析，根据分析结果，适当改进施工方案以及管理内容。在此过程中，也可以通过利用5D模拟技术完成对工程项目造价成本的控制管理。除此之外，在后期运营阶段，可通过利用BIM技术的模拟化功能对日常紧急情况处理方案以及具体流程进行动态模拟分析。如可重点针对消防人员疏散模拟问题进行动态模拟与分析。

1.4 优化性

从客观角度上来讲，建筑工程项目全周期阶段基本上可以理解为一个不断优化、不断改进的过程。其中，通过合理运用BIM技术可以达到更好的优化效果。举例而言，BIM模型可以为相关人员提供建筑物几何信息、物理信息以及规则信息等重要参数信息。在具体拓展应用过程中，相关人员可利用BIM及其配套的优化工具完成对复杂项目流程的优化调整。同时，基于BIM技术的优化功能可初步完成下述工作内容：

（1）完成项目方案优化工作。在具体优化改进过程中，相关人员可利用BIM技术的优化功能，结合项目设计与投资回报分析内容。其中，相关人员可结合重要参数信息对设计变化所产生的影响内容进行实时计算，尤其是对于投资回报的影响。这样一来，业主可以更加明确设计方案是否可行，并通过多方对比与研究，选择更符合实际情况的项目设计方案。

（2）完成特殊项目设计优化工作。近些年来，随着高层建筑以及超高层建筑的深入发展，异型设计屡见不鲜，像某些裙楼、幕墙等均可以看到异型设计内容。与常规建筑相比而言，异型设计所表现出的施工难度以及施工问题更多。如果单纯利用传统建筑结构设计方式，则难以达到预期效果，建议设计人员可通过利用BIM技术的优化性功能，对施工方案以及设计方案进行全方位优化调整，保障最终设计效果达到预期。

1.5 可出图性

BIM所具备的可出图性特征并不是传统意义上理解的建筑设计图纸或者某些构件加工图纸。而是通过利用BIM技术所具备的功能优势实现可视化展示以及协调模拟过程，保障建筑设计图纸更具真实性、动态化特征。结合以往的经验来看，基于BIM技术的可出图性特征可以帮助业主出如下图纸内容：

（1）综合管线图。利用BIM技术的碰撞检查以及设计修改等功能可对最初综合管线图所存在的错误问题进行有效消除，减少现场可能出现的设计变更问题。

（2）综合结构留洞图，也就是预埋套管图。

（3）碰撞检查侦查报告以及相关建议改进方案。

与常规出图方式不同，传统以人工绘制为主的出图方式所表现出的错误性以及风险性特征明显。而通过基于BIM技术的可出图性特征可通过融合各项参数数据，绘制出安全可靠的施工图，进一步为后续施工作业提供安全保障。

2、BIM技术在建筑结构设计领域中的应用可行性分析

2.1 建筑结构设计重难点问题分析

建筑工程项目建设期间容易受到人为操作因素、管理因素以及气候因素等条件影响，导致现场施工作业期间出现风险隐患问题。再加上现场施工工序流程较多，如果协调不当，就很容易出现专业施工矛盾、安全隐患等风险问题。其中，建筑结构设计作为建筑工程项目建设的难点问题，因其所表现出的协调性以及专业性特点相对明显，要求设计人员必须主动结合建筑工程项目特点以及设计要求，对设计图纸进行合理调整与优化。

在前期设计阶段，设计人员必须加强对隐蔽问题的妥善处理，尤其要重点加强机电专业设备以及管线碰撞问题的严格把控，以防止各专业在后期运行使用过程中出现风险问题。结合上述内容不难看出，建筑结构设计所表现出的复杂性、专业性特点比较明显。强调设计人员必须依托于建筑工程建设要求以及特点，做好协调设计工作，保障现场施工质量安全。

2.2 应用可行性分析

2.2.1 突破并解决建筑结构设计信息化难题

传统建筑结构设计比较依赖于人工完成数据采集以及图纸设计等一系列工作内容。在这一过程中，所表现出的效率性以及精确性明显不高。再加上相关因素的干扰影响，导致设计人员难以预测施工作业期间可能出现的风险问题，甚至会出现结构缺陷以及材料资源利用效率不高的问题。而BIM的推广应用无疑是颠覆了传统建筑结构设计局面，建筑结构设计人员可通过利用BIM技术的可视化以及虚拟化等特征优势，对设计图纸进行三维化设计分析。如此可直接增强结构设计完整化程度以及可视化程度，可有效规避传统以人工为主设计理念存在的弊端问题。

2.2.2 增强建筑结构设计效能

传统建筑结构设计更加侧重于强调以图纸数据为设计标准，在对工程内部缺陷以及施工过程能耗分析方面存在落实不到位的问题。因数据获取有限，导致设计人员难以对建筑结构碰撞承载力极限值进行科学计算。而一旦缺乏上述数据的支撑，建筑结构设计方案所表现出的安全性以及效率性将会明显降低，容易对后续现场施工作业实施过程构成安全威胁。而通过高效应用BIM技术基本上可以实现对各专业设计数据的共建共享，并保障不同领域人员可以利用BIM技术的协同性特征优势，加强对各专业流程运作特点以及风险问题的识别管控。对于设计错误或者矛盾问题，应进行及时调整，以保障工程项目顺利开展。

2.2.3 实现科学高效施工管理过程

依托于BIM技术的建筑结构设计可通过利用虚拟化以及可视化管理优势，对施工作业期间建筑结构情况进行模拟分析，根据分析反馈结果对可能出现的问题进行提前识别，并通过预演以及计算等一系列操作方法对结构设计方案进行健全优化。除此之外，BIM技术可通过利用计算机模拟以及三维模型分析等功能优势，对施工作业期间所涉及到的各类资源进行优化配置与高效利用，保障建筑结构施工作业水平得以全面增强。

3、BIM技术在建筑结构设计领域中的应用实践及策略方法

3.1 辅助设计

在辅助设计期间，设计人员可利用BIM技术的模拟化以及可视化功能优势，对建筑结构方案协同设计内容进行全过程梳理与优化调整。在此过程中，设计人员可利用BIM模型构建特点完成对建筑本体的真实展现。同时，可利用3D立体模型实现对建筑物外观以及框架结构的真实分析。根据分析数据结果，对当前建筑物外观以及框架结构所存在的不足之处进行及时调整。关于建筑物建设环境以及施工方案的部署优化问题，设计人员也可以利用BIM模型完成辅助设计操作。

在具体设计过程中，可根据BIM模型所反馈的数据信息以及模拟流程结果，对各施工工序以及操作节点、重难点问题进行科学把握。在此基础上，设计人员可对预先选定好的施工计划进行模拟分析与综合对比。经流程模拟以及可视化管理之后，选择最优的方案进行施工建设。除此之外，设计人员也可以利用数字模型对具体参数进行调节优化，确保参数数据可以控制在标准范围之内，避免后续施工出现设计变更问题。

BIM技术的辅助功能也体现在图纸结构修改过程中，由于建筑工程施工环境较为复杂，设计方案会出现参数及细节变动问题。传统建筑结构设计工作有修改一小部分内容的情况，也需要在其他关联地方修改环节投入大量的时间与精力，导致设计效率及质量不能得到基本保障。借助BIM技术的辅助功能，自动更改相应参数，切实提升了初试修改工作效率，节约工程设计时间。

借助BIM技术构建起的建筑结构三维模型，也可以从根本上提升图纸修正效率，其他图纸信息可在BIM系统的辅助下自动修正，使修正后的设计图纸质量及精准度更高。设计人员可以对图纸内涉及到的数据及信息进行细致分析，确保设计方案科学合理，切实满足建筑工程后续施工及运行要求。

BIM系统内的参数共享功能也可以辅助设计工作高效开展。如在建筑物内螺栓数量与间距设计过程中，通过调节设置参数，可形成新的连接件。加强件及连接件的设计人员只需要绘制大样，技术人员对相应位置进行参考，就可以找到精准的构件设置位置。

3.2 可视化设计

可视化功能基本上可以视为BIM技术的重要功能体现，应用于建筑结构设计工作当中可实现对三维立体模式的构建与传达。与此同时，BIM技术可以主动与VR技术进行融合应用，让设计人员可以在三维立体模型中观看管线设计情况以及管线碰撞情况，根据实际情况对当前施工建设方案进行适当调整与优化。最重要的是，通过依托于BIM技术的可视化功能可以保障建筑工程项目整体建设流程都处于可视化状态，除了建筑结构设计之外，还可以体现在施工建造以及运营管理等环节当中，能够有效增强施工透明度。

以建筑给排水结构设计为例，可视化技术可以在消防泵房以及给水泵房中体现出良好的应用优势。在具体应用过程中，设计人员可利用可视化功能对未知区域管线布设情况进行可视化分析，根据分析反馈结果，对管线布设所存在的重难点问题进行提前掌握。并按照精细化布设原则，有效控制泵房层高，减少风险隐患问题出现。除此之外，设计人员也可以利用可视化技术功能对给排水施工阶段作业流程中的难点问题进行提前识别，通过布置科学合理的应对方案，保障现场施工质量安全。

3.3 碰撞检测

实现碰撞检测基本上可以视为BIM技术在建筑结构协同设计中的重要应用表现。与传统2D图纸设计明显不同，设计人员可通过依靠BIM模型对施工环节所隐藏的安全问题以及隐患问题进行重点识别。通过及时查找碰撞问题存在的不足，利用科学合理的方式手段加以排除。与此同时，设计人员可利用BIM模型的可视化特点对重要施工位置如工艺管线以及管道安装等，提前开展碰撞检测。根据检测结果对当前所存在的缺陷问题进行完善处理，尽量将误差控制在合理范围内。在管线结构完善方面，设计人员可采取碰撞以及调节等技术方法，对当前管线结构模型的可操作性进行深度研究与分析，尽量减少模型与实际存在的误差问题。

为确保结构设计与建筑专业方案匹配程度可以达到预期效果，设计人员也可以利用碰撞检测功能进行检测分析。在开展碰撞检测工作期间，设计人员应结合设计方案内容，加强对机电专业设备以及管线布置冲突问题的关注程度。结合以往的经验来看，如果设计人员要在Revit环境下实行碰撞检测工作，就必须利用Navisworks软件作为应用支持。在具体实现过程中，技术人员需要提前构建结构模型机电模型。并将相对应的数据导入到软件当中，在软件当中完成碰撞检测操作。操作完成之后会自动生成检测报告，根据检测结果，对机电专业设备以及管线布置冲突问题进行详细了解。

3.4 参数化设计

基于BIM技术的参数化设计功能对建筑结构设计过程中所涉及到的要素内容进行深度研究与分析。在具体分析过程中，可通过运用函数以及各类算法对全部设计要素所涉及到的参数数据进行整合应用，并生成相应模型。结合当前应用情况来看，可通过运用Revit参数化建模插件方式选取节点，并利用可视化编程方式完成对操作模型各节点参数的控制管理。同时，也可以运用Dynamo软件，实现对管道穿梁以及墙体开洞过程的控制管理，尤其要重点加强对开洞尺寸的严格控制。除此之外，在参数化设计过程中，还可通过运用RevitAPI二次开发功能，对管网损失情况进行重点研究与分析。根据分析结果合理布设管径，保障管材利用效率得以全面增强。

结语：

总而言之，以BIM技术为核心健全优化建筑结构设计体系已经发展成为当前建筑设计行业予以重点关注的问题。针对于此，在今后的发展过程中，建筑设计行业内部人员应加强对BIM技术以及相关软件的深度开发与利用强度，保障建筑结构设计水平以及管理决策效果得以深化加强。与此同时，建筑设计人员应该主动立足于建筑智慧建造目标要求，对当前BIM技术在建筑结构设计中所存在的短板问题进行及时补齐。并主动结合BIM技术的前沿发展趋势，积极将最新技术以及理论方法应用于建筑结构设计当中。相信在建筑设计行业人员的不断努力下，BIM技术在建筑结构设计领域中所发挥的功能作用将会越来越强。