BIM 技术在建筑结构设计中的应用

庞洁

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司，山西晋中 032000）

0 引言

对于建筑工程项目设计而言， 结构设计是重点，其是整个建筑稳定与安全的关键性影响因素[1]。新形势下，为能推动建筑工程发展，建筑结构形式日益复杂， 对设计质量的要求也日益严格。 引入BIM 技术开展结构设计是一种趋势， 该技术以信息模型构建为基础，科学指导各单元设计工作，保证设计的连续性、科学性与系统性。

1 BIM 技术概述

BIM 技术是建立虚拟化三维立体模型， 模拟、直观地呈现建筑工程实际情况[2]。其采用数字技术，助力模型构建， 其信息库中包含了建筑物几何信息、状态信息等，并涉及了非构建性对象的真实状态。 以BIM 技术构建三维立体模型，可集成性处理建筑工程相关信息，呈现出建筑工程的整个施工周期[3]。 可在三维立体模型中全面整合各信息，设计、施工、 运营的单位可利用BIM 开展协同管理活动，实现高效率工作，获取最大化的经济效益。

2 BIM 技术特点

2.1 可视化

通常而言，在建筑结构设计流程方面，大多数结构设计方案会使用2D 平面设计软件， 可全面呈现建筑结构主体方案情况，然而也有很多特殊部位构件的具体内容、 空间位置等无法利用2D 平面图纸实现清晰完整呈现。 引入BIM 技术后，在工程设计过程中可构建3D 立体结构的数学模型， 在模型中将充分整合建筑结构设计中各项参数与信息，并以空间领域的方式反映出来，确保结构中的内容得到更好的表现。 在建筑整体设计中发挥BIM 技术的作用，确保了方案达到直观、清晰等方面的要求，使后续施工获得良好条件，确保施工质量和效率都得到大幅度提升。

2.2 协调性

在应用BIM 技术时结合各项工程参数， 确保有力调控相关作业流程，提高部门间的协调性。将BIM技术应用到工程施工阶段， 很多重要程序都可以模拟操作，特别是细节部分能采取模拟操作的方式。 在3D 立体数学模型生成后，也要制定科学合理的预算方案，遇到紧急状况后也有应对措施，确保后期环节运行更加稳定。

3 BIM 技术在建筑结构设计中的应用实例

3.1 工程概况

该建筑工程总面积为4 136 m2，且要求耐火等级为二级标准。 同时，该建筑上层结构八层，下层结构两层，均为钢筋混凝土框架结构。

3.2 BIM 技术应用流程

一是全面细致勘察工程现场情况， 充分掌握地质、水文等方面的信息数据。

二是明确工程施工的各项规定、分项目标，主要涉及建筑使用寿命、 荷载水平以及施工内容， 要在BIM 数据库存储上述数据。其中，荷载效应设计值计算如式（1）所示。

式中：SGik表示根据第j 个永久荷载标志值Gjk 计算的荷载效应值；SQik表示第i 个可变荷载标志值Qik 计算的荷载效应值；ΨCi表示第i 个可变荷载Qi的组合系数；m 表示参与组合的永久荷载数；n 表示参与组合的永久荷载数。

三是在项目建设中充分应用BIM 系统，做好分类与统计等工作，掌握各类构件设计内容、建设投入以及工艺措施等，让后续工程管控有良好条件。 四是借助Revit 软件构建项目三维模型。 将BIM 技术应用到本工程项目中，主要技术流程如图1 所示。

图1 BIM 技术应用流程

3.3 构建结构模型

本项目采用钢筋混凝土结构，结构设计中重难点是各构件的连接部位，在应用BIM 技术后，先全面细致分析所有结构设计的相关参数、一般特性等内容，对所有构件进行连接设计后，执行相关参数。在BIM 技术支持下形成项目的三维模型后， 还要不断调整不同构件的设计参数，调整结束后需自动完成构件距离等更新，这样才能为设计精度与效率提供可靠保障。

在项目结构设计过程中， 借助BIM 技术形成三维模型后，在Revit 软件中生成建筑结构分析模型，全部构件连接部位都当作是一个节点，利用节点使构件之间可自动完成连接。对于模型的构建来说，需全面分析建筑工程的结构柱、结构板以及梁等因素，具体方法如下：①确定适合的样板文件。②与项目BIM 模型完成连接。 ③形成轴网，同时确定标高等数据。④以上流程结束后，创建样本文件、构件族等。⑤科学设计混凝土柱结构。⑥创建混凝土结构板。 ⑦全方位检查模型的情况，要及时优化改进存在的问题，形成模型后还要重视分析视图显示结果，最终获得初步的模板图。

在创建工程结构模型时，在标高相关数据上要达到科学性要求。 若调整一些构件，应该检查并调整标高，防止发生标高差的现象。 软件具备“族”的作用，然而也不能让建筑结构设计各项规定都获得满足，对此创建与调整结构模型时，若创建异性构件，还需创建专门的族文件，其各项数据也要有明确的定义。 面对着日益增多的建筑工程量，族库储存的内容将越来越多， 当初始模型创建结束后，很多时候易出现不能将建筑结构全部属性包含在内的情况。 对此需体现结构面板的功能，结合设计的规定对各项属性、参数等进行明确的定义。

3.4 分析建筑结构

在分析建筑工程结构相关性能的过程中，引入BIM 技术后将发挥出巨大的作用。在对数字化模型进行创建后， 能保证模型结构更加稳定。 在应用BIM 技术软件的过程中，要将参数计算、结构设计效果分析等作用体现出来， 优化调整结构设计方案，保证获得更好的结构设计效果。 同时在建筑结构设计时应做好安全防控管理，利用专门的软件分析结构设计方案，如Revit2016、ETABS2013 等。 应用这两种软件时，为数据通信的双向链接创造了条件， 在软件运行的期间能够发挥出数据交互的功能。 完成对所有数据的准确计算后，能对建筑工程结构的安全性作出最终判断。 分析建筑结构模型时，也可发挥出Revit2016 软件的作用，确保各项设计数据信息能自动化生成。建筑三维模型内包含了多个方面的构件。 要结合具体定义完成转换，针对不能转换的构件，要采取简化处理的措施，最后完成相应的设计计算。

3.5 施工图设计

将BIM 技术应用到建筑工程施工图设计中，能获得所需的三维效果图。在细致分析建筑工程结构三维效果图后， 相比于以往的二维设计方案，不仅在直观性上更具优势，也为科学评估施工图设计创造了条件，并保证施工图设计更高效，降低相关资金的投入。 不仅如此，BIM 技术也能提供施工图设计有关的数据，确保一些重要性指标设定更加科学，防止施工图在设计中发生偏差。 在施工图设计中应用BIM 技术，还可以优化钢筋参数配置，这需要利用结构软件评估其效果。

基于该工程结构设计要求，混凝土材料选择适宜C30，其变系数为2，墙高为20.10。 对于柱与梁结构，选择使用HRB335 带肋钢筋，对于箍筋材料最好选择HPB 光面钢筋。在接下来的施工过程中，若需调整配筋方案，需计算、对比与调整理论配筋、实际配筋。在绘制施工图时，最好创建共享参数，如此可使用Revit 软件， 这样参建各方均能共享数据。 这里，文件格式选择.txt 格式，若需在Excel 中查看文件，最好复制共享文件，再把.CSV 列为文件后缀，这样便可进行查看。

4 BIM 技术在建筑结构设计中的应用难点

4.1 成本高、系统不完善

当前BIM 技术在建筑行业应用非常广泛，提高了建筑业发展的规模化和标准化水平。对建筑企业来说也增加了资金投入量，配置专门的软件与协作平台，这增加了很多中小型企业的负担，特别是软件购置和维护成本上。 国内的BIM 技术也发展起步较晚， 企业在软件的应用与开发上明显不足，很多时候仅仅利用了其部分基础功能。

4.2 与传统设计方式的习惯不一

在建筑领域引入BIM 技术后可借助专门的设计软件获得模型， 这些模型基本上为三维视图，对模块参变量、系统参数等应用较多。 为与二维平面设计习惯保持一致，要改变模块参变量、系统参数等， 设计中若是发生系统参数设置不合理等现象，将难以避免发生很多问题。

4.3 特殊结构模块表达不理想

在以往建筑结构设计中采用几何图形绘制方法，不能获得柱、梁等构件尺寸等数据信息，在BIM技术支持下提取对模型中的各项数据。 利用BIM技术对建筑设计模型进行绘制，需要全面收集并存储构件相关信息数据， 打造成专门的建筑数据模型。 结构设计中也存在很多特殊结构模块，其三维视图、剖面视图等无法获得较好的施工效果，此时会采用原始设计方法解决问题。

4.4 对计算机的硬件性能要求高

应用BIM 技术构建的建筑模型往往会生产较大的文件，在三维图像方面也要进行渲染，一般的计算机无法满足BIM 软件运行要求。 现在的建筑工程不仅复杂，工程量也更大，对计算机配置的要求变得越来越高。 对Revit 软件来说可满足CPU多核架构的计算机渲染，不仅达到了快速处理的要求，也为BIM 模型建立与渲染创造了有利条件。

5 结语

在建筑结构规划设计中引入BIM 技术， 可提高设计效率与精准度，工程技术人员也可综合分析相关问题，并升级、创新与优化相关解决方案。 目前，在建筑结构设计中运用BIM 较为普遍，可为建筑行业创造最大化的经济效益，并有力促进了建筑行业可持续健康发展。