BIM技术在建筑结构设计中的应用

刘杭杭，项炳泉，安东兵，刘勇，乐腾胜

（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230032；2.绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230032）

1 引言

2017年4月26日住房和城乡建设部发布《建筑业发展“十三五”规划》，明确要求加大BIM应用和加强国产BIM软件开发。BIM（Building Information Modeling）是建筑行业全过程管理的智能控制系统。设计阶段BIM应用能够提升设计质量，减少设计错误，获取、分析工程量成本数据，并为施工建造全过程提供技术支撑，为项目参建各方提供基于BIM的协同平台。BIM设计阶段是全寿命周期内的关键阶段，本文依托安徽省建筑科学研究设计院建筑检测大厦三星级绿色建筑为工程实例，通过在BIM结构设计实践，浅谈BIM技术在结构设计中的优势以及存在的障碍。

2 BIM技术在结构设计方面的应用

目前，传统建筑结构设计主要是采用PKPM、YJK、MADAS、SAP2000等有限元结构分析软件进行建筑结构的设计和受力变形分析，然后再将计算结果导入到CAD中进行结构施工图的绘制。BIM结构设计主要是采用Autodesk Revit Structure软件建立实体物理模型，然后将实体物理模型导入相应的结构分析软件进行结构分析计算，再从分析软件中导出分析设计信息，更新实体物理模型和施工图设计，BIM技术在结构设计方面的目的是为了将结构设计和施工图的绘制二者相统一，实现无缝连接[2]。但是现在市场上宣传的接口软件，都是双向互连的模型中的构件必须是常规的，复杂的构件会导致数据的丢失或不全。所以，在将BIM技术应用到结构设计的过程当中，BIM模型与有限元结构分析模型实现双向无缝互连问题是影响结构工作者采用BIM的最大的阻力。

3 BIM技术的应用

3.1 项目概况

安徽省建筑科学研究设计院建筑检测大厦位于合肥市蜀山区山湖路567号，总建筑面积为27859 m2（地上建筑面积22265m2，地下建筑面积5594 m2）。建筑高度为88.35m。主要功能：办公、实验等，如图1所示。本项目进行了BIM绿色建筑分析、BIM三维建模、BIM内装设计、BIM幕墙设计、可视化展示、4D模拟（3D+进度模拟），不仅深化了设计、提高了设计质量及工作效率，还减少了后续施工期间的返工，保障了施工周期，节约了项目资金。本项目通过了绿色建筑三星级标识，2014年安徽省绿色建筑示范项目，安徽省建筑科学研究设计院建筑检测大厦BIM技术应用研究获得了第二届中国建设工程BIM大赛单项奖三等奖。

图1 项目总平面图及建筑方案效果图

3.2 BIM技术在结构设计中的具体应用

3.2.13 D参数化模型的建立

本项目采用Autodesk Revit Architecturer软件建立了3D参数化结构模型。主要步骤有：①根据样板文件和结构方案，创建结构标高；②根据《建筑工程设计信息模型交付标准》的相关规定建立基础和主体结构模型（包括基础、梁、板、柱、剪力墙、楼梯等构件）；③链接到各专业综合模型中。如图2、图3所示。

三维可视化模型，形象地表达了各构件之间的空间关系，每个构件信息不仅包含了几何形状信息，还包含了大量的非几何信息，如材料信息、逻辑信息等。链接后的Revit三维模型，通过动态漫游演示可以检查结构构件与设备构件是否发生碰撞，形成了问题报告，可以更加精确地找出问题点，达到深化设计的目的，从而优化空间设计，使布局更合理化。如图4所示。

图2 结构标高

3.2.2 异形构件

BIM族也称构建族，族有着举足轻重的地位。族分为常规构件族和特定构件族。在一个项目模型中，常规构建族可以通过设定现有的参数进行控制，从而实现在项目中的独特性与适用性。而往往项目中无法通过常规族进行搭建的就必须找到特定族，如果在族库中存在特定的族库可以直接调用，然后进行参数控制以满足项目所需。当然族库不是万能的，有些项目上需要的族在族库中可能无法找到直接调用，那么就需要我们自行创建一个符合项目所需的特定族。本工程项目建模时，有大量的异形构件，笔者创建了异形构件族，此族可以共享给其他项目直接调用，节约了建模时间，提高了设计效率。如图5所示。

图5 结构异形柱族库

3.2.3 钢筋3D可视化

由于BIM技术“所见即所得”的三维可视化特性和模拟性，钢筋3D可视化（图6所示）可以较为详细的展示钢筋节点的细节部分，对于实际工程中，梁柱截面变化位置，钢筋搭接长度，箍筋间距变化等细节情况，在现场施工中，通过附着于整体模型上的三维钢筋模型指导施工，更容易把握复杂节点的钢筋的空间搭接关系[1]。这些技术细节问题，在设计方向施工方技术交底时，施工方能从以往的二维图纸的理性认识上升到三维实体模型的感性认识上，直观地认识整个项目的设计情况，更加有助于施工方对图纸的理解和对设计意图的领会。

图6 三维钢筋实体模型

4 BIM在结构设计中的主要问题

4.1 结构计算分析

本项目的初期结构设计工作在建筑初步方案确定后才开始介入参与工作，使用PKPM软件结构建模并进行结构分析。BIM中Revit核心建模平台建立的结构物理模型只是提供示意空间构件和协同其他专业的三维模型，不能够进行结构分析及计算，结构分析计算需要依靠其他结构有限元计算软件的配合来完成，第三方软件必须要完全实现与Revit模型的完美链接。本模型后期采用了完全国产的YJK1.70结构计算软件进行结构分析计算，但是计算结果和PKPM计算结果还是有出入。

4.2 三维钢筋模型

通过三维实体的形式进行钢筋的表达其缺点还是有的，由于这种设计方案需要逐根钢筋的定位和长度等信息的处理，一些复杂节点，就要求结构工程师画图需细心，而且工作量很大的，另外，钢筋信息的增多对电脑显卡和CPU的要求也比较高。

5 总结

本项目BIM三维可视化设计和协调，使各专业工程师从三维的角度去沟通，提高了工作效率及设计准确度，指导了施工，提高了施工进度，但是本项目在结构设计中的最大的阻碍BIM结构物理模型与结构分析模型没有实现真正双向链接，没有最大地发挥BIM技术在结构设计中的优势。下一步将在结构物理模型与结构分析软件链接方面做进一步研究。BIM技术在结构设计中的发展将会加速促进BIM技术进入一个新的时代。