BIM在工程结构设计优化中的应用

李长青， 赵桢木， 李方慧，*

(1.黑龙江大学 建筑工程学院， 哈尔滨 150080;2.中国建筑总公司 第八工程局有限公司，上海 200135)

BIM在工程结构设计优化中的应用

李长青1， 赵桢木2， 李方慧1，*

(1.黑龙江大学 建筑工程学院， 哈尔滨 150080;2.中国建筑总公司 第八工程局有限公司，上海 200135)

基于BIM平台及相应的改进策略，研究BIM技术在结构设计中的优化问题。以多层框架结构为例，利用BIM平台和PKPM软件进行设计与验算，两个软件间配合与衔接，完成结构计算、校核、结构优化等工作。通过对BIM在工程结构设计优化中的应用研究，发现基于BIM技术参数化结构设计具有全过程3D可视化、建筑与结构专业协同设计、便于结构优化的特点，从而提高工程的设计效率与质量。

BIM；多层框架结构；设计优化

BIM的全称是Building Information Modeling，即建筑信息模型，起源于20世纪70年代，目前在欧美等发达国家发展的十分成熟[1]。国内于2003年引进BIM技术，给我国结构设计带来了新的发展与挑战[2]。BIM摒弃传统CAD制图体系中资源不能共享、信息不能同步更新、参与方不能很好的相互协调、施工过程不能可视化模拟，检查与维护不能做到物理与信息的碰撞预测等弊端，具有可视化、优化性、协调性、模拟性等优点。

国外很多学者、科研机构都对BIM技术进行了大量的研究，并已取得实质性的进展。Smith[3]、Sarah等[4]研究了BIM在工程管理及施工过程中对工程量精确控制，针对初步设计、招投标、施工等阶段利用BIM数据进行精确工程量计算，并指出采用BIM技术提高工程造价水平，可以更好地为企业创造效益。此外，Porwal等[5]、Hasanceli等[6]对BIM在建筑设计中三维建筑信息模型的应用进行了研究，通过建立不同BIM模型，分析结果以便于减少材料的浪费，并且在建模的基础上进行有限元分析。同时，A Ra Ko等[7]、Shini等[8]对BIM在钢筋混凝土结构设计应用进行了研究，提出了基于标准化BIM下的自动化钢筋混凝土板边界元分析方法和检测砌体填充结构中钢筋混凝土框架构件受损位置方法。

目前国内研究人员对BIM技术应用进行了广泛的研究。陆海燕等[9]、樊裕伟等[10]、闫浩等[11]研究BIM在框架结构设计过程中的应用，对预制装配式混凝土框架结构进行参数化设计，并在实际工程中加以应用，取得了较好效果。此外，李凯等[12]、尚超宏等[13]、潘剑峰等[14]对BIM在钢结构方面应用进行研究，将BIM技术应用到钢结构方案优选、复杂钢节点深化设计、超高层钢结构施工管理等方面。同时，王菊等[15]、徐晖等[16]、乐玥[17]将BIM应用于桥梁建造过程中，解决桥梁建造过程中信息难以综合利用的难题，并且将BIM技术应用推广到桥梁加固与改造的过程中，实现BIM技术在桥梁建造全生命周期的应用。

1 BIM技术在结构设计中的优化

多层框架结构进行结构优化设计，是利用BIM软件建立数据信息模型，并通过数据转换技术提取BIM模型的结构信息数据，实现建筑项目中的信息共享，最终将所提取的数据导入结构设计软件进行结构计算，优化结构设计[18]。

BIM应用最广泛的软件有4大体系(图1)，每个体系可以完成建筑设计、结构设计、施工管理等一系列建筑生命周期的过程，如Autodesk公司提供的系列软件，Revit Archiecture用于建筑设计，Revit Structure用于结构设计，Revit MEP用于暖通设计，且各专业共用一个平台，可实时进行协同设计，同时Revit Structure 建立物理模型后，将该物理模型发送至Robot Structural Analysis 进行结构分析，再将优化后的有限元分析模型返回 Revit Structure中更新原有的物理模型。结构设计结束后，导入Auto CAD Structural Detailing得到施工图，实现完整的结构设计过程[19]。但是，目前的 Robot Structural Analysis所含中国规范有限，不能完全契合我国的规范进行结构分析。因此，需要对该体系进行相应的改进才能更好地服务于国内工程结构设计。

图1 BIM系列软件Fig.1 BIM series softwares

本文根据建筑信息建立三维建筑信息模型，通过BIM拓展功能进行构件自动布置，提取出结构信息模型，然后将模型导入国内普遍使用的结构设计软件PKPM进行设计优化。本项目为多层混凝土框架办公楼。总建筑层数为9层，建筑物总高度为32.1 m，建筑外观尺寸63 m×18 m。首层和2层柱截面采用700 mm×700 mm，3～9层的柱截面采用600 mm×600 mm。

结合本工程实例，在Revit三维建模平台上，建立完整的三维建筑设计信息模型(图2)。运用结构构件自动布置中的柱提取功能，提取其竖向受力构件结构柱(图3)。在三维结构柱布置基础上，运行框架梁自动布置功能，生成框架梁模型(图4)。最后运行板自动布置功能，生成屋面板和各层楼板(图5)。

图2 三维建筑信息模型Fig.2 3D building information model

图3 提取的结构柱模型Fig.3 Structural column model extracted

图4 框架梁自动生成模型Fig.4 Automatic generation model of frame beam

图5 板自动生成模型Fig.5 Automatic plate generation model

本文采用的是R-Starcad接口实现Revit Structure与PKPM数据的双向交换。R-Starcad安装后，在Revit structure与PKPM各生成一个接口，用来导出和接受.sc结尾格式的文件，同时接口能将二者的模型数据转化成该格式文件，通过这个中间媒介完成数据传递。但是R-Starcad转化数据时，不能识别轴线编号、楼板信息、荷载信息，因此，需要在PKPM中进行数据修正，然后进行下一步计算。

将Revit中结构信息模型导入PKPM，对模型施加荷载，接入SATWE中进行运算，分析各主要参数计算结果如下：

1)轴压比。从SATWE输出的计算结果中，查得柱轴压比最大为0.58，小于规范要求的0.85，结构延性性能较好，结构经济性能较好。

2)周期比。本结构计算周期比(表1)，1.267 5/1.358 3=0.93，大于规范要求的0.9，结构易出现较大的扭转效应。

表1 周期、振型等计算结果Table 1 Calculation results of cycle and vibration modes

3)位移比。本框架结构的最大位移比为：Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值为1.23，小于规范要求的1.4(表2)，但结构扭转效应较大。

表2 位移输出结果Table 2 Displacement output results

4)剪重比。本框架结构剪重比的最小值：X方向为0.033 9(表3)，Y方向为0.035 3(表4)，均大于抗震规范要求的楼层最小剪重比0.016，满足规定要求。

表3 X方向剪重比Table 3 Shear weight ratio in X direction

表4 Y方向剪重比Table 4 Shear weight ratio in Y direction

5)刚重比。本结构的刚重比(表5)大于10，能够通过规范的整体稳定验算，且大于20，可以不考虑重力二阶效应，结构在水平荷载作用下整体稳定性较好。

表5 刚重比Table 5 Stiffness to weight ratio

6)层间位移角。本工程层间位移角最大值为1/1 842<1/550，满足规范要求。

由PKPM计算结果，结构的抗扭刚度太弱，在地震作用下会产生较大的扭转效应导致结构破坏，需要加强结构的抗扭刚度。影响结构抗扭刚度的主要构件是结构抗侧力构件，由于框架结构中柱为主要的抗侧力构件，因此调整柱的布置是解决该结构问题的关键。在框架结构设计中，增强结构抗扭刚度的原则是：加强结构外围墙、柱或梁的刚度，适当削弱结构中间墙、柱的刚度[20]。调整方式可分为：调整柱截面大小和边柱与中间柱截面的差异。

本结构通过增大边柱的截面面积和减小中间柱的截面面积调整结构的抗扭刚度。将边柱面积增加，中间柱面积减小，每次增量50 mm进行试算。重点考察周期比、位移比等控制结构抗扭刚度参数的变化过程，同时确保其他参数在正常取值范围内。最后确定优化方案：将首层和2层的边柱截面由原来的700 mm×700 mm改为边柱800 mm×800 mm，中间柱600 mm×600 mm；3～9层的柱截面由原来的600 mm×600 mm改为边柱750 mm×750 mm，中间柱500 mm×500 mm。优化后计算结果见表6，各项参数指标满足规范要求，结构的抗扭刚度得到有效的提升。然后将PKPM中优化后的模型通过第三方接口传输到BIM平台上，进行下一步的出图工作，完成结构优化流程。

表6 优化后PKPM计算结果Table 6 PKPM calculation results after optimization

2 结 论

通过对BIM技术在多层框架结构设计优化中的应用研究，得到如下结论：

1)在结构模型建立方面，基于BIM平台从建筑模型提取出相应的结构模型，提高了结构工程师的效率。

2)在结构分析方面，Revit Structure对应的结构分析软件Robot Structural Analysis不适应在中国规范下进行结构设计和构件验算，采用R-Starcad将PKPM与Revit进行数据连接能够有效解决这一问题。

3)框架结构的抗扭刚度主要由周期比控制，采用调整抗侧力构件柱的布置方法进行结构优化，优化后结构的周期比由0.93降到了0.89，抗扭刚度得到明显提升。

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Application of BIM in technology structural design optimization

LI Chang-Qing1， ZHAO Zhen-Mu2， LI Fang-Hui1，*

(1.CollegeofCivilEngineering，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China; 2.ChinaConstructionEighthEngineeringDivision.CORP.LTD，Shanghai200135，China)

Based on the BIM platform and the corresponding improvement strategy， the optimization of BIM technology in structural design is studied. Structure calculation and checking， structure optimization are completed，based on the multilayer frame structure as an example， the design and calculation using BIM platform and PKPM software， two software coordination and cohesion. Technical parameters with the whole process of 3D visualization the building and structure， professional design， for the structural characteristics of collaborative optimization based are founded. Through the application of BIM in engineering structure design optimization of the structure design of BIM， so as to improve the efficiency and quality of design engineering.

BIM; multilayer frame structure; design optimization

10.13524/j.2095-008x.2017.03.034

TU375.4

A

2095-008X(2017)03-0015-05

2017-06-20;

2017-07-21

国家重点研发计划“智能型临时支撑安全技术与装置研究及示范”(2016YFC0802004)

李长青(1992-)，男，河南项城人，硕士研究生，研究方向：BIM技术优化应用，E-mail:651101354@qq.com;*

李方慧(1978-)，男，黑龙江肇源人，教授，博士，研究方向：结构风雪灾害、BIM技术优化，E-mail:2006001@hlju.edu.cn。