关于建筑结构设计中BIM 技术的应用

倪静

（安徽寰宇建筑设计院，安徽 合肥 230000）

0 引言

改革开放以来，我国建筑行业随着经济的飞速增长在持续快速发展，但建筑行业的结构设计过程中仍然存在很多的问题和缺陷，这些问题和缺陷主要体现在设计软件不够完善、建筑结构设计的程序不够规范。第一个问题主要体现在建筑行业在使用BIM 技术的同时会用较多辅助软件，但因为BIM 技术进入我国时间尚短，很多的软件使用的是盗版或者简化版本，不能很好地辅助BIM 技术发挥作用，应用效率不高。另外，建筑结构设计程序不够规范的问题，主要是因为我国建筑设计行业起步较晚，设计流程不够科学。在我国建筑结构设计各个子项目中，大多都是不同专业的人单独完成自己的领域，子项目之间缺乏合理沟通，在遇到一些疑难问题时不能统筹解决，造成项目滞后、浪费项目资金的后果。且即使保证了各个子项目之间的进度统一性，也无法保证各个子项目之间的工作人员能够进行有效技术信息交流，进行联动设计，极易导致施工项目返工，使得项目整体的难度系数加大[1]。

1 BIM 技术概述

20 世纪90 年代末，CAD 技术在我国快速推广，改变了传统图板手工绘图的设计方法与生产模式，将设计人员从传统设计计算、反复手工改图中解放出来，将更多精力放在专业问题处理与设计方案优化上。但是，21 世纪以来随着建筑结构种类与构件构造形式的变化，二维表达方式的局限性凸显，目前BIM 技术的推广应用为建筑工程设计、施工与管理提供了新的技术思想。BIM，中文翻译为建筑信息模型，是信息技术在建筑行业发展的必然结果，结构设计作为建筑设计阶段的重要环节，传统设计方式已经无法满足设计需求，BIM技术的推广应用既是机遇也是挑战。

从建筑结构设计流程来看，主要分为4 大阶段，分别为方案设计、结构计算、施工图绘制以及碰撞检查，基于CAD 的二维设计方法下，上述4 大阶段是相互独立的，各阶段之间缺少必要的配合，以至于结构设计专业内容无法实现协同设计，缺少必要的沟通交流。同时，由于CAD 是基于二维点、线、面的几何组成，无法承载构件材料属性、空间位置、钢筋直径、混凝土保护层等建筑结构构件基本数据信息，对此设计各参与方必须根据二维图纸构想三维空间模型，且需手绘各种视图（平立剖），此过程需耗费大量的精力，且容易出现错误，后期修改过程长、难度大，存在设计周期长、效率低下等问题，甚至影响后期正常施工。现代建筑结构设计中，通过BIM 技术的应用可发挥共享性、可视化、模拟性、协调性等作用，具体优势可归纳为如下4 点。

（1）共享性。基于BIM 技术在建筑结构设计中的应用，可充分利用信息化的手段消除传统意义上的信息壁垒，协同各方同时参与设计。同时，通过信息数据的实时共享与修改，有利于减少变更，提高设计效率，缩短设计周期。

（2）可视化。建筑结构设计中，借助BIM 技术可通过建模将结构设计方案立体展示出来，设计人员可直观查看结构设计单元，尤其是管道、走线等可实现跟踪观察，切实减少安全、质量隐患。

（3）模拟性。建筑结构三维建模的同时可推演建筑结构的预处理，对所有的建筑结构单位相关数据加以演算，提前预检测施工过程中出现的碰撞问题，并模拟关键工序，全面把握施工进度与质量管理工作，同时还可渲染建筑施工效果，统一组织框架构图。

（4）协调性。与CAD 技术相比，BIM 技术不仅实现了建筑结构的可视化，还可动态展示建筑模型成型过程，设计人员可据此调整结构设计方案，同时各个部门可将工程相关信息输入BIM 软件，实现设计方案优化与协调管理。

2 BIM 技术在建筑结构设计中的应用

2.1 建筑结构和场地环境分析

企业在对建筑的结构进行设计的过程中应遵循一定的原则，其中的原则主要体现在安全性和稳定性两个方面，目的是满足人们对于房屋建筑安全性的需求。在建筑结构设计时利用BIM 技术衡量建筑结构的合理性，能有效提高建筑的稳定性和安全性。同时，利用BIM 技术对建筑工程施工地周围的地形进行分析，对比先前设计的建筑结构方案，能找到双方在某个设计点出现的属性冲突，并以此优化设计方案。企业有条件的情况下也可以将施工工地周围的地质结构、地质情况等信息输入BIM 系统，利用BIM 系统综合分析施工条件、地质影响、气候影响等客观因素，用长远的眼光看待建筑结构设计和施工场地环境之间的内在联系，确保在施工过程中不出现意外，保障施工的安全和效率。除此之外，BIM 技术也可以分析项目对于环境的总体影响，将项目对施工工地周边的生态环境污染降到最低[2-4]。

2.2 结构可视化设计

BIM 技术的三维技术能将各种抽象的设计信息汇总并生成较为具体的三维图像数据。这种三维图像能为建筑结构设计人员全方位展示设计成果，将各种细节问题放大。如设计人员可以对建筑构件的大小、方位以及采用的材料进行追溯，并对发现的问题进行综合性分析。同时，BIM 可视化的技术特点也能让设计师用肉眼观察建筑结构设计中可能存在的漏洞，利用BIM技术观察建筑结构的总体结构布局，使设计师在进行结构设计时更加富有张力，帮助设计师更好地发挥自己的实力。

同时，可视化特点能够更好地确保制定出的结构设计方案更加符合实际情况，能在发现不合理的因素后快速对问题原因进行调查，并对设计中不合理的部分进行及时补救。由此可见，BIM 技术在建筑结构可视化中发挥着巨大作用，利用BIM 技术进行建筑结构设计，不仅能提升设计效率，也能规避大量设计风险，提高设计总体质量[5]。

2.3 准确计算结构设计参数

设计人员在对建筑结构进行设计的过程中往往涉及大量的数据计算和数据分析，BIM 技术能将各种相互关联的数据进行串联，并主动提醒设计者哪些设计的数据存在异常，帮助建筑结构设计者找到设计中存在的问题。为了提升设计的质量，建筑结构设计人员可以利用BIM 技术对数据进行宏观联动更新，避免在人为修改设计内容过程中造成修改误差，更大程度上保证工程设计的内容和设计要求一致。

建筑结构设计人员可以通过建立BIM5D 关联数据库，准确快速计算工程量，提升施工预算的精度与效率，将BIM 应用在算量中。对于建筑结构设计而言，为保障设计成果的最终质量，设计人员可以采用BIM 技术对要计算的数据进行变量控制，对各种不同的数据按照设计要求进行梳理，以增强结构设计的合理性。以预制结构为例，为了避免设计结果和后期施工过程中发生建筑结构变形和结构裂痕，应对预制材料各方面的物理数据进行科学计算，预测形变量的范围，从而满足各种设计要求[6]。

2.4 优化房屋建筑形体结构

建筑结构的设计优化不仅仅是对房屋的结构进行优化，同时也要对建筑的外形形体进行合理化设计，从而达到更高层次的设计要求。就此而言，BIM 技术能在对建筑结构优化设计的同时提高建筑的稳定性和安全性，并根据要求对建筑的布局、外观进行合理化设计指导，确保建筑外形既符合当下人们对建筑审美的要求，又能通过建筑的外形对房屋结构设计进行补充。设计人员可以利用BIM 技术科学地调整建筑内部的创新设计，在原有结构优化的基础上对建筑内部的布局和形状进行调整，提高设计完整性。设计人员还可利用BIM技术收集建筑选址、建筑布局、周边环境、气象条件等综合信息，让设计人员通过这些信息重视建筑外形对整体结构设计的影响，利用建筑的外形解决一些结构设计中存在的问题和困难。同时，BIM 技术也能对一些特殊结构进行设计调整，如对连续性结构以及杆系结构BIM 优化设计，保障其发挥设计预想功能的同时不破坏房屋外形的美观性，增强房屋外观和结构设计之间的紧密性。

2.5 实现建筑节能设计

建筑节能设计是结合建筑本身的结构特点，对建筑周围自然资源进行合理的运用。建筑节能设计主要有室内采光设计、室内通风设计等方面，在建筑节能设计的过程中，通过BIM 技术的有效应用，可以更加清晰地掌握信息数据库，同时也能呈现出可视化的动态设计图，利用BIM 技术实现建筑与自然环境的有机结合，充分利用自然采光环境优化建筑物的采光，实现建筑物在采光方面的节能效果。另外，建筑物会受到本身的建筑结构、所处环境以及建筑物朝向等因素影响室内的通风设计，而若在设计过程中应用BIM 技术进行模拟，可以对影响建筑物室内通风设计的因素进行充分的掌握和分析，建筑设计人员将周边环境数据通过BIM 技术输入系统数据信息库，然后再根据当地的自然环境状况，如日照、气候等环境的分析，从而设置出建筑参数值，结合数据对建筑设计进行分析调整，使得建筑物周边环境得到有效的利用，以最优质的设计结构与设计比例实现建筑无采光节能设计，并有效提升建筑工程结构设计质量与水平。

3 建筑结构设计中BIM 技术的功能要点

多专业一体融合的BIM 设计功能能为设计人员带来建筑外形、结构、内部设备等具体参数的直观化体验。其所建立的建筑结构三维立体模型能最大程度地避免因结构问题导致的建筑安全隐患。各专业的设计人员可以通过服务器或者其他可移动终端对设计文件进行权限内编辑，满足建筑、结构、设备等不同专业的跨专业的相互独立又互为整体的施工需求。在建筑结构设计过程中，BIM 技术通过汇总设计子方案提供的设计信息，组合成专业的综合数据模型，方便各专业设计人员对不同领域信息进行了解，为各专业设计人员能更高效地进行沟通和协调提供必要条件。在整个过程中，设计人员也能根据BIM 技术生成的各种回馈信息发现专业设计中的错、漏处和不足，优化设计图纸，减少设计中的不可预测性。

同时，BIM 技术作为现代互联网科技的衍生产品，其在从业者的不断开发下逐渐具备了同时接收多终端信息，并对不同种类的信息进行实时汇总并处理的能力。这一能力能在如计算工程量之类的BIM 数据模型时最大限度优化资源配置，有效缩减各专业人员数据统计的时间，从而提高房屋结构设计的效率。设计人员通过BIM 技术将相关的数据录入数据库，为自己工作提供便利的同时，别人也可以通过访问数据库查询的方式获得自己想要的数据信息，实现了数据信息资源的共享，设计人员可以通过参考数据库提供的数据信息及设计成果等得到建筑设计方面的启发，从而不断优化自己的设计方案，使得建筑设计方案更加的科学、合理、全面，这也在一定程度上促进了我国建筑设计水平的提升。在互联网快速发展的大背景下，大数据及云计算等技术的出现，也为BIM 技术的信息管理及功能的提升提供了更大的空间，BIM 技术在建筑设计中的应用，以及设计数据信息共享功能的实现，有效地促进了我国建筑结构设计水平及设计效率的提升。此外，通过软件之间的数据传输，可以实现多个设计项目之间的联动，有力保障了诸多大型建筑及其配套设施的建筑结构设计工作。

4 结语

BIM 技术作为当前建筑结构设计中的新兴技术，还有很多细节需要不断地进行优化。但就目前BIM 技术在我国建筑设计领域的应用而言，能较大程度地提高建筑工程的整体设计效率和设计质量，并能借助BIM 技术可视性、综合性的特点，优化建筑内部结构布局以及外部形体，优化建筑结构，提升建筑安全性和稳定性。对整体提升我国建筑行业生态环境，发挥着不可替代的积极作用。因此，建筑设计人员要提高对BIM 技术重视程度，不断提升BIM 技术在建筑结构设计中的应用水平，促进我国建筑行业的健康发展。