BIM技术在结构设计中的应用分析

【摘要】随着我国经济社会的快速发展和科技水平的进一步提升，建筑行业在前所未有的良好机遇下迅速发展，其工程规模进一步扩大，建筑投资额度逐渐增加。然而，随着现代社会人们对建筑工程质量关注度和重视度的进一步增强，如何进一步优化建筑工程结构设计成为相关工作人员思考的重要问题。在此背景下，BIM技术的出现及应用为建筑工程结构设计优化带来了新的思路。因此，针对BIM技术在结构设计中的应用分析有着重要的理论意义和现实价值。

【关键词】BIM技术;结构设计;应用

建筑工程结构设计作为建筑工程设计的重要内容，结构设计的合理性在极大程度上直接影响着工程结构的最终建造质量。为进一步保证整个工程建造质量，结构设计人员在此过程中大膽引用了BIM技术并取得了良好成效，为工程结构设计质量的保证打下了坚实的基础。在此背景下，本文从BIM技术应用于结构设计的优势出发，以广东韶关某在建体育场为主要研究对象，进一步探讨了BIM技术在结构设计中的应用，旨在给BIM技术平台下建筑结构设计的改良及优化带来更多的思考和启迪。

1、BIM应用于结构设计中的优势

通常情况下，传统模式下的建筑工程结构设计在工程施工图设计阶段有着较大的工作量，而该阶段结构设计的相关工作直接影响着建筑物的安全性及经济性，同时，该阶段的设计变更会给设计师带来巨大的工作量及工程造价不确定性的增强，而BIM技术平台在施工图设计阶段可借助成熟系统的BIM模型建立，以降低工程项目施工图纸的设计变更，进而有效降低工程项目的建造成本及后期运维风险。在此过程中，BIM技术平台的优势大致可总结为以下几个方面。首先，BIM技术平台可借助三维实体模型的构建，以更准确、更形象的方式向相关工作人员展示工程建筑各部分的空间关系，从而改善工程设计单位、施工单位和建设单位间的技术交流与沟通效率。同时，三维结构模型的建立不仅能有效解决二维建筑图纸难以发觉的本专业的设计缺陷以及难以与其它专业协同配合的难题，更可以借助三维演示有效解决了建筑工程重要部位和设备模型等预留空间是否合适的核查问题，为工程项目顺利施工奠定了重要基础。其次，BIM技术平台能对建筑工程实体进行配筋模拟，从而强化设计人员及施工人员对工程结构复杂部位或复杂节点的配筋施工，快速及时地发现工程配筋过程中可能出现的问题并针对性地制定相关解决方案，为工程施工过程中钢筋量的计算、下料和成本节省等工作提供数据支撑。最后，BIM技术平台还能够有效实现建筑工程实体模型的参数化设计和各专业的协同设计。众所周知，建筑工程实体模型的参数化设计主要表现为结构构件定义的参数和不同图元之间参数的约束关系及各个图元之间参数传递的关联。设计工作人员利用BIM技术平台的参数化关系，可有效提升建筑工程模型的建模效率。同时，BIM技术平台还能够有效弥补传统二维施工图设计中设计图元不具备实际意义而不能实现一处修改、处处更新的问题，为建筑结构设计中人为错误及设计人员工作量的减少等奠定一定的基础。

2、BIM技术在结构设计中的应用——以广东韶关曲江体育场为例

2.1工程概况

该体育场位于广东省韶关市曲江区城西北部，总体建筑面积18000㎡，观众席位3000席，采用半自动化的屋面系统，是目前整体面积较大的县级体育场。该体育场整个屋面结构由固定部分和活动部分组成，活动部分屋面主要采用平面桁架体系，固定部分屋面主要采用空间桁架体系。

2.2屋盖体系的参数化建模

参数化是BIM技术平台的重要内容和技术支撑，在极大程度上弥补了传统模式下建筑工程结构设计难以快速更改设计信息和优化设计结果的缺陷。在BIM技术平台上引入参数化技术后，其三维实体模型不再单纯是固定形状和属性的对象，而是由相关设计师定义一系列参数、几何规则及其他非几何特性对象的可变模型。在此过程中，设计师所定义的参数和规则可和建筑工程结构模型的其他构件部位相互关联，从而根据建设单位需求的改变和周围环境、施工环境的变化等实现对建筑工程整体结构模型的自动更新，这在极大程度上提升了工程建筑结构设计的工作效率。就该体育场项目而言，设计人员利用了rhino软件插件实现了屋盖桁架体系的参数化设计和建筑模型生成，其结构示意图如图1所示。

2.3数据库的搭建

众所周知，建筑工程结构设计的过程主要是建筑信息数据流动与交换的过程。设计人员有效利用BIM技术以避免建筑工程结构设计中信息孤岛的形成，避免重复进行二次建模。在建立BIM框架时，设计人员建立可通用的全局数据模型，从而实现工程设计过程的信息加工，为创建整个工程数据模型奠定基础。同时，设计人员在建立并应用框架时，考虑建筑工程结构在整个建筑产品设计过程中的重要地位，加强其与建筑专业及设备专业设计环节的连接和沟通，从而使相关接口与数据信息流动性和兼容性加强。但设计人员必须重视该类数据库平台不够完善的缺点，首先是设计人员需在不同的平台和软件上进行信息交互以完成工程建筑结构设计涉及到的相关任务。其次是平台和平台之间接口兼容性的不足，从而引起的版本更新和软件变化导致的建筑工程信息丢失。因此，根据项目实际特征而建立的单独的BIM数据库平台有着极其重要的意义。图2即为该体育场共同BIM数据库信息交互结构示意图。

图1  屋盖桁架体系参数模型示意图

图2 体育场共同BIM数据库信息交互示意图

2.4基于数据库的钢结构优化设计

该体育场项目的钢结构屋盖为大跨度空间结构。因此，为了在保证钢结构设计安全、可靠和稳定的基础上节省建筑工程建造成本，设计人员可进一步对钢结构杆件和节点进行优化改良。在此过程中，相关设计人员进一步利（下转140页）（上接138页）用了BIM数据库制定了钢结构杆件和节点优化流程。就结构杆件的优化而言，其设计流程如图3所示，设计人员从BIM数据库中获取相关数据模型信息后，导入软件分析其结构杆件应力，并借用自主开发的截面优化程序对钢结构进行校核和优化改良。同时，设计人员还在杆件结构优化结束后对相应的BIM数据库信息进行更新和补充，从而保证数据库信息的准确性和及时性。就钢结构节点优化设计而言，设计人员从数据库中提取相应的节点信息后，搜索其节点的控制内力分布情况，在讨论节点所属类型的基础上对节点的承载力进行有限元分析和调整，为钢结构节点承载力的合格奠定坚实的基础。

2.5基于数据库的钢结构设计修改

该项目由于业主方考虑造价因素，后期取消中间活动顶盖并开空。如果在二维状态下的结构设计，结构设计的返工工作量巨大，由于采用BIM数据库的应用，通过减少荷载和构件，相应的构件通过数据更新传递，图纸做出相应的修改，结构设计相应减少很多工作量。

结论：

总之，BIM技术平台作为包含整个工程项目建造信息集成和协同设计的重要平台，其独特优势在建筑工程结构设计中有着不容忽视的重要意义，为提升整个建筑工程设计质量做出了重要贡献。而随着现代科技的进一步发展和人们对建筑工程质量重视度的进一步提升，BIM技术必将在建筑行业大放光彩，为提升整个建筑工程设计质量和施工质量奠定坚实的基础。

参考文献：

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作者简介：

向爱国，上海尊邦建筑设计有限公司，上海。