BIM技术在某项目结构优化设计中的应用研究

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(1.湘潭大学土木工程与力学学院，湘潭 411105； 2.四川柏慕联创工程技术服务有限公司，成都 610015； 3.北京构力科技有限公司，北京 100013； 4.中南大学土木工程学院，长沙 410075)

引言

在工程项目的建设过程中，造价是决定其是否可行的关键性指标，对工程造价的控制贯穿每一个工程项目的建设全过程。其中，在设计阶段对项目的造价进行控制，具有至关重要的决定性作用。统计研究表明，虽然项目设计阶段的费用仅占建设成本的2%～5%，但其对项目工程造价的影响可达75%以上[1]。正因如此，工程优化设计与造价控制成为当前工程界研究的热点。传统的结构优化环节，结构设计师的优化目标普遍单一，往往只依据可靠度作为目标进行优化，很少考虑到其优化结果对于全专业的影响； 同时，由于我国建筑行业习惯是对项目造价进行事后控制，并没有掌握造价对建筑结构设计的主动控制权，最终导致我国建设项目成本控制实践中，造价控制主要集中于项目实施的环节。为了有效地控制项目投资，尽可能减少目标值与实际值的偏离，必须抓住工程设计阶段这个关键点[2]。基于BIM技术构建的三维信息模型管理平台可以实现对建筑物全生命周期的精细化管理，有效实现数据协同共享的功能，为成本管理的有效实施提供稳定的依据[3]。BIM全专业协同技术在工程项目全过程中都可以应用，通过可视化建模方式，有助于减少视图的误差，通过碰撞检查，有益于优化施工方案，控制成本，而通过动态数据库，有利于各管理线的协同工作信息共享[4]。BIM技术能够实现对工程造价的有效监控，同时为工程造价的控制问题提供强有力的技术支持。提高工程造价的控制水平的同时，保障工程施工的整体效益[5]。

本文尝试将BIM技术引入结构优化设计阶段，促进造价信息与优化设计方案的有效结合，对选择优化设计方案时所需的各项数据进行系统的分析和研究，提出基于BIM的更为简洁高效的结构优化设计流程。

1 工程概况及初始设计方案

本工程位于湖南省，为某高校大型图书馆建设项目，建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度值为0.15 g，建筑场地类别为Ⅲ类，基本风压0.55kN/m2，地面粗糙度为B类，基本雪压为0.45kN/m2，钢筋采用HPB300级、HRB400级混凝土强度等级C35。

楼(屋)面荷载情况：楼面恒荷载标准值采用3.8kN/m2，屋面恒荷载标准值采4.5kN/m2。报告厅采用3.0kN/m2，办公室活荷载采用2.0kN/m2，消防楼梯活荷载采用3.5kN/m2，密集书库活荷载采用12.0kN/m2，公共卫生间采用8.0kN/m2，屋面(按不上人考虑)活荷载采用0.7kN/m2。

基于PBIMS设计平台实现同一中心文件下的建筑结构设计，直接形成建筑结构的三维模型，原PBIMS方案建筑、结构以及专业串联三维模型如图1(a-c)所示。

BIM技术通过参数化的建模过程(Parametric Modeling)，保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息，将几何信息组构成参数组件，如墙、柱、梁、板等； 除了携带几何信息外，这些参数组件更可以携带如材质、成本、使用年限等信息，这些优势也给将BIM技术应用于工程造价领域创造了可能。

原方案建筑平、立、剖面图如图2(a-c)所示。

利用BIM技术一致性、可出图性的优势，其自动化的图文产出减少了大量的人力与时间成本，设计变更所耗费的成本也随之降低； 一处修改处处更新的特点，也能帮助设计师准确、快捷地优化方案中的每一个细节。

2 基于BIM的优化方案

本项目在接到相关专业条件进行结构施工图设计时，首先确定结构方案为钢筋混凝土框架结构，并初步给出了框架梁、框架柱的截面尺寸。利用PBIMS结构设计软件建立结构模型，然后用SATWE对结构内力进行计算和分析。随后对不满足规范要求的节点或构件重新进行修改，直至满足规范的要求为止，从而完成初始的结构设计工作。

(a)建筑三维模型 (b)结构三维模型 (c)专业整合模型图1 建筑结构的三维模型

(a)平面图 (b)立面图 (c)剖面图图2 原建筑方案

在以往的结构设计过程中，通常是根据经验先确定结构方案，估算出梁、板、柱等主要构件的截面尺寸，然后利用软件计算分析后再调整不满足要求的构件。采取这种方式确定的构件截面尺寸主观性较大，最后得到的截面尺寸也增加了工程的造价。

建筑功能与建筑造价是建筑结构的两大关键内容，在建筑结构设计过程中应予以全面考量，在空间及成本既定的基础之上尽可能实现最优化结构设计[6]。钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料组成的，这两种材料受力原理不一样价格也有明显差距，建筑物自重最轻时不代表其造价就最低。工程造价是优化设计的关键与首要目标，也就是说，结构优化设计的目标应该是消耗材料、人工等的成本，这样才能做到真正地优化结构，使工程造价降到最低[7]。本文选取钢筋、混凝土用量、模板面积、人工费等四个因素来比较不同结构优化方案的工程造价。

本文选取项目四层1/01-3/03轴交1/K-Q轴的图书藏阅区部分进行优化分析，此部分结构需求空间较大，利于展开比较。本文分别考虑对所选部位选取肋梁楼盖、井字梁楼盖、无梁楼盖三种结构方案，通过PBIMS、柏慕1.0等软件进行结构以及数据分析，得出三种方案其各类材料及人工消耗量。三种不同结构设计方案如图3(a-c)所示。

三种方案的轴网及梁柱尺寸如图4(a-c)所示。

通过计算框架结构荷载，完成三种优化方案的结构计算并得出三种优化方案的材料用量以及工程造价。三种方案其钢筋骨架如图5(a-c)所示。

(a)肋梁楼盖方案 (b)井字梁楼盖方案 (c)无梁楼盖方案图3 结构方案

(a)肋梁楼盖方案 (b井字楼盖方案) (c)无梁楼盖方案图4 轴网及梁柱尺寸

(a)肋梁楼盖方案 (b)井字梁楼盖方案 (c)无梁楼盖方案图5 各方案钢筋骨架图

(a)钢筋 (b)混凝土

(c)模板 (d)人工图6 各方案对应的材料用量

经过统计之后得出的各个方案的钢筋、混凝土用量，以及模板和人工费用如图6(a-d)所示。

从以上三维柱状图可以看出，从井字梁楼盖到肋梁楼盖再到无梁方案，可以看出从井字梁楼盖方案到无梁楼盖方案，随着梁架数量的减少，整个结构所消耗的钢筋量逐渐增多，混凝土体积也逐渐增多，这是因为随着梁架数量逐渐减少，剩余的框架梁的截面高度增加，框架梁自重及梁柱配筋率均相应上升，总的钢筋消耗量也相应上升； 同时，随着梁架数量减少，框架梁截面高度增加、楼板厚度也随之增大，使得混凝土总体积也随着上升。在模板使用量方面，因为肋梁方案在梁截面尺寸以及主次梁数量上都处于中间位置，导致其模板使用总量较高。

3 优化方案的综合比选

根据算出的工程量，使用算量软件将工程量换算成实际工程造价。套用2008年全国建筑工程劳动定额，与《湖南省住房和城乡建设厅关于发布2017年湖南省建设工程人工工资单价的通知》，分别获得钢筋单价3 377.43元/t，商品混凝土单价353.06元/m3，木模板单价46元/m2，人工工资单价100元/工时，并统计得出了三种优化方案的工程造价，以及各类因素影响造价占比，如图7(a-d)所示。

(a)井字梁楼盖 (b)肋梁楼盖

(c)无梁楼盖 (d)各因素影响造价占比图7 各方案成本构成

优化设计的目标就是控制工程造价。只要严格遵守“经济、实用、合理”的原则，认清优化设计在造价控制中的重要性，确定合理目标，积极创造适宜条件，主动采用科学的控制方法，就一定能搞好设计阶段的造价控制[8]。

从统计结果来看，在以上三种优化方案的工程造价中，模板造价是影响井字梁楼盖方案与肋梁楼盖方案的主要因素，这是因为框架梁的侧模以及底模消耗量大量模板； 而在无梁楼盖方案中，商品混凝土造价则占据了主要影响因素。可以看出随着梁架数量减少，框架梁截面高度增加、楼板厚度也随之增大，使得混凝土总体积也随着上升，消耗量增加。

从三种优化方案的工程造价可以看出，以无梁楼盖方案为基准方案，井字梁楼盖方案的优化率为13.4%，肋梁楼盖方案的优化率为5.51%。因此，井字梁楼盖方案在本工程中可作为最优方案选择。

4 结论

结构方案优化设计是一个较为系统的工作，优化设计的关键目标是控制工程造价。只有严格遵守“经济、实用、合理”的原则，认清优化设计在造价控制中的重要性，确定合理目标，积极创造适宜条件，主动采用科学的控制方法，才能做好设计阶段的造价控制。本文结合BIM技术平台以及广联达算量平台，对工程实例建立三维信息模型，在综合考虑了混凝土用量、钢筋用量、模板用量以及人工消耗量等因素之后，得出了不同优化方案的工程造价，结果表明井字梁楼盖优化方案是最优方案。建筑工程的优化设计是多种因素综合考量的结果，不应只从本专业出发，而应从整体综合上考虑，本文选取了混凝土用量，钢筋用量，模板用量以及人工消耗量等四种因素，提高了优化方案比选结果的准确度。基于BIM技术的优化设计能够通过三维可视化以及中心工作平台的方式，更好地提高优化效率，实现对工程造价的有效监控，同时为工程造价的控制问题提供强有力的技术支持。提高工程造价的控制水平的同时，保障工程施工的整体效益。

参考文献

[1] 周润平. 建设项目设计阶段的造价控制体系研究[D].上海：同济大学， 2008.

[2] 于连东， 王伟.建筑结构设计对建筑造价成本的影响[J].工程技术， 2016， 5(5)： 28.

[3] 赵华英.BIM结构设计应用[J].土木建筑工程信息技术， 2015, 7(3): 30-39.

[4] 黄亚斌.BIM技术在设计中的应用实现[J].土木建筑工程信息技术， 2010, 2(4): 71-78.

[5] 闫锟. 基于BIM的工程项目全生命周期成本管理研究[D].天津：天津大学， 2015.

[6] Ignacio.，Victor Y，Fernando，G，& Antonio，H.Multi Objective Optimization of Concrete Frames by Simulated Annealing[J].Computer-aided Civil and Infrastructure Engineering， 2008, 23(8): 596-610.

[7] 秦兴勇. 基于工程造价控制的钢筋砼建筑结构优化设计[D].广州：华南理工大学， 2012.

[8] 杨义兵， 曹小琳.工程项目进度控制目标的经济性分析[J].土木建筑与环境工程.2003, 25(2): 102-105.