基于BIM的建筑结构多专业协同模型创建方案分析

高 华

广州城建职业学院，广东 广州 510925

0 引言

自20世纪初BIM技术作为建筑行业革新和发展的信息化技术，经过十多年的发展，我国建设行业BIM技术的应用已日趋成熟系统。2017年以来中华人民共和国住房和城乡建设部先后颁布了5本BIM国家标准，包括设计交付标准、施工应用标准和制图标准等，建筑项目全寿命周期不同阶段标准的制定，为建筑信息模型的全专业交付打通了设计、施工、运维各个环节的应用，带来了建筑设计思维模式与技术应用的变革，传统的建筑、结构专业各自独立的设计模式已不符合现在的的信息化发展需求，建筑、结构多专业模型的协同创建是BIM技术革新的一个主要方向，也是BIM价值的重要体现。

目前国内对于结构与机电管线多专业模型的协同工作，碰撞优化处理技术已较为成熟，而如何将建筑模型与结构模型进行合理融合，如何利用结构模型快速搭建建筑模型，提高建筑模型创建效率仍存在不同做法；将BIM的物理模型与结构计算分析软件进行有效组合，共享计算数据，使BIM模型的不必要的修改和重复建模大大减少，达到 BIM一次建模，结构分析各软件同步更新修改数据效果，这将是 BIM技术在结构领域的应用趋势。

1 结构BIM模型在国内的应用情况

传统结构设计基于CAD二维平面，缺少Z向数据，空间表达能力较弱，结构设计工作产生的数据为后期全专业全过程生命周期的信息利用率较低。目前国内利用BIM软件创建的结构模型主要为基于Revit创建的三维结构模型，不仅有效提高结构设计的空间表现力，作为一个完整有效的信息载体，结构模型为后期的全专业BIM软件融合提供了基础。基于Revit建立建筑项目的结构模型，一般框架建筑建模的基本流程为：选择样板-建立新项目-轴网建立-楼层标高设定-结构柱-混凝土梁-混凝土楼板-楼梯-基础层模型。在Revit软件中，基础构件会自动关联结构柱的底部信息，实现基础构件与框架构件的联动，实现模型的一处修改，全视图都自动匹配修改，保证了结构模型的高度统一。

国内结构设计需要结合平法施工图进行标注，设计过程中一个构件的修改需要对应不同的图纸，导致设计审图难度提高，效率降低。利用Revit创建的三维结构模型利用共享参数和自制标签族等等保证构建信息参数的共享，实现一处信息修改后其他位置信息联动修改，保证信息的一致性，实现了结构模型与平法之间的结合，使得数据信息能够服务于整个寿命周期，有效提高了工作效率。

2 建筑模型与结构模型的区别分析

基于Revit创建的结构模型主要呈现受力构件的表达，而建筑模型重在展示不同精度的建筑项目建模效果。除了主要框架结构的构件模型之外，建筑模型需要详细表达门窗尺寸位置造型、间隔围护墙体栏杆构件的位置参数、内外墙面装饰装修做法、楼地面天花板装修做法，依据制图标准进行合理标注、线型设置等。相较于结构模型，建筑模型需要按照设计标准、施工标准和制图标准进行构件模型创建、合理优化平立剖面视图构件的线型显示样式和可见性的设置等，使得BIM工程师需要消耗大量的精力在建筑模型施工图优化工作中，下文以某商业广场利用Revit软件进行BIM协同设计为案例，如下图1，就如何利用已有的结构模型来进行建筑-结构BIM模型协同创建，利用不同的创建思路进行实践分析，考虑如何为下游施工图设计优化的工作争取到充裕的工作时间，进行详细的分析和介绍。

图1 某商场结构模型与建筑模型完成对比图

3 建筑-结构BIM模型协同创建的思路分析

自BIM技术在国内推广以来，基于Revit平台的结构专业BIM技术应用在国内的使用力度相比建筑、机电专业略显单薄，近几年随着全专业BIM正向设计理念在国内的普及，对结构模型的应用能力要求不断提高。在项目实践中如何提高结构模型在多专业协同设计中的应用价值成为越来越多结构工程师研究的方向，而Revit软件作为一个全专业融合的BIM软件，为建筑-结构BIM模型协同创建提供了较好的实践平台，基于结构专业的BIM模型不需要二次修改和调整可以直接进行建筑专业模型的创建和修改，具有较大的便利性。

（1）基于结构模型直接修改完善形成建筑模型

在Revit软件中创建的结构模型主要完成框架构件的创建，在协同设计中，一般会利用已有的框架模型，直接增设饰面层来达到快速完成建筑模型的目的。利用饰面层材质编辑中的图形参数和外观参数设置，控制整体模型的精度LOD值和项目整体的可视化效果。

在创建结构模型创建过程中，工作人员需要考虑后期建筑模型的融入，模型创建精细度、专业融合度等以达到后期多专业的高度协同；建筑结构模型的无缝衔接，为后期机电模型与建筑模型融合后的全专业模型碰撞检测带来了便利，在项目时间充裕，专业融合度高、BIM技术虚拟仿真施工和全过程工程造价控制的项目中应用优势明显；但此种多专业模型协同思路必须优先完成结构模型，这将不利于整个项目的协同分工，不适用于项目进度紧张、团队人员充足的情况。下面以建筑楼板和隔墙创建的操作方法具体介绍基于结构模型直接修改完善为建筑模型的思路。

1）为已有框架构件增设饰面层

依据项目专业协同设计好的项目标高基数，确定结构模型与建筑模型的共同标高，利用Revit软件建筑-结构-机电系统全专业集于一身的优势，将创建完成的结构模型复制重命名为建筑模型，利用已有的结构模型，按照LOD400进行补充完善为建筑模型。

以楼板为例，首先在建筑样板里按照项目设计要求，重新定义一个装饰楼板类型，如下图2，基于机构模型的建筑模型，不需要考虑楼板的混凝土结构层，直接按照商铺楼板装修层的构造层次分别给定装饰板基层、找平层、结合层、附加层和面层的材质与厚度。为了便于楼板构造层次的区分，直接将底板基层设置为结构层，形成此处结构混凝土楼板对应的装饰面板，接着对照混凝土楼板创建位置直接绘制对应的装饰面板，完成建筑楼板的创建。创建过程中，利用Revit软件“视图平铺”的功能，实时进行模型比对，保证建筑模型创建的精确度，避免二次修改，提高设计效率。

图2 利用已有结构板创建装饰面板BIM模型对比图

同装饰楼板做法，后续继续定义天花板、屋面防水构造层、墙体内外饰面板等装饰面板，对照结构模型逐一绘制于结构模型对应构件面层，利用结构模型快速完成建筑饰面层的创建。

2）隔墙模型创建方法

完成饰面层增设后的建筑模型已经初具雏形，前期结构模型里中缺乏分隔维护的建筑墙体，继续依据建筑设计要求创建新的墙体构件类型，在创建好的隔墙上布置门窗栏杆等，形成完整的建筑模型。创建建筑墙体的方法有多重，第一种为直接将墙体的主要材料层和内外饰面作为一个构件进行创建，这种创建方法优点在于精度高，建模快，可视化整体性强；但对于后期材料消耗量统计不能按照砌筑工程和墙体装饰面层的实际消耗量进行工程实物量计算，工程量计算误差较大；第二种为，基于BIM模型贯穿设计-造价-施工-管理全过程信息数据的目的，可以将建筑隔墙的内饰面层、砌体层、外饰面层依次分开按照对应位置创建墙体类型，叠加绘制墙体模型，此种建模方法前期建模略耗时间，显得效率降低，但将大大提高BIM模型在下游造价工作中的利用度，有效提高BIM协同的价值。图下图，砌体层加饰面构造层总厚度为100mm的卫生间墙体，按照单一整体创建只需要绘制一道墙体即可。而按照材料进行区分的第二种创建方法，至少需要在同一位置创建3个墙体模型，为了对比区分，本图将饰面层和砌体层之间预留了空隙，项目实践中，需要将各个饰面层表面进行对齐，通过数据计算，可以确定墙体总厚度保持不变。具体建模过程的构造区分见下图3。

图3 建筑隔墙一体化建模与分构造层次模型对比图

（2）建筑、结构模型分专业独立创建

国内项目在BIM技术应用的实践中，建筑模型和结构模型彼此独立，各自建模的情况也较为普遍，建筑组按照初步设计创建建筑模型，结构组依据施工图初步设计完成结构模型。分开独立的操作可以实现专业分工、加快各专业模型完成进度；建筑模型创建过程中不需要考虑结构构件的干扰，碰撞构件可以在建筑模型中统一协调，对于建筑团队而言模型精度高，利用率和周转率较高。

结构设计关键工作之一是将结构设计模型转为结构分析模型，并进行结构分析计算。通过对比分析，基于Revit创建的结构模型进行的结构分析，与将Revit建立的结构模型导入专业结构分析计算软件的结果基本准确，也能在后期结构分析计算软件中导出结构分析数据，但复杂构件和异形构件数据等容易出现识别不了的状况，导致在建筑、结构分专业建立BIM模型时，基于Revit的结构模型后期利用率不高，影响同一软件创建结构模型的积极性，使得后期多专业协同匹配度降低。

利用Revit软件完成建筑-结构多专业模型创建的项目，在后期专业协同过程中，利用链接合成的全专业模型构件重复率较第一种方式要高，建筑与结构专业在主要手里构件处碰撞点较多，后期依据结构模型的数据调整优化建筑模型，提高了结构模型在专业协同过程中的定位，从项目设计精确度上使得设计质量有效提高，但从时间成本降低了建筑模型创建的工作效率；使得结构模型在设计阶段价值较低，仅服务于后期施工模拟过程中，进行4D施工进度模拟分析，不能有效的实现专业协同设计，整个项目多专业协同设计中的人工消耗成本较高。

（3）分楼层建筑-结构专业同步进行

目前国际国内智慧城市建设如火如荼，随着CIM平台研发应用的日益完善，分楼层的BIM模型能够提供精度更高，数据更准，信息更全的一体化数据，使得建筑空间由外向内切换时可视化数据更完善。因此，按照建筑和结构专业模型可依据实际情况按建筑分区、按子项、按施工缝、按楼层划分的模型拆分规定，近几年有部分BIM技术人员结合CIM平台的应用要求提出一种分楼层多专业协同设计的思路。本项目案例分楼层建筑-结构模型对比图，如下图4。

图4 分楼层建筑-结构协同模型对比图

《建筑工程设计信息模型交付标准》规定施工图设计阶段对应的模型精细度等级不宜低于LOD300，以框架柱为例，要求柱子按照施工工法分层建模。考虑全专业BIM协同设计的应用深度，在项目实施初期，BIM项目负责人需要统一整个设计团队全专业的项目样板，确定建筑结构协同一体化高程坐标，确定建筑-结构专业构件划分原则及权限，保证项目进行过程中协同数据的一致性。具体实施过程中，根据项目体量将团队成员依据进度安排进行任务量的划分，一般同一楼层的建筑与结构专业由同一人执行。此执行模式对项目参与人员的专业能力要求更高，设计人员不仅要考虑实际工程设计需求，还需要具备一定的软件应用水平，同时还需要具备不同软件之间的信息共享与双向交互的能力。

分楼层多专业协同产生文件数量较多，对储存空间要求高，同时在后期整个项目合成过程中，文件链接数量过多，为保证协同数据处理，在项目完成时需要针对每一楼层进行绑定链接-复制-监视，重复工作量加大，导致整体效率降低。但是分楼层建筑-结构专业模型协同设计的思路，能够将建筑信息数据有效结合，做到了实时验算建筑净空高、合理进行室内空间布局，减少了不同专业技术人员修改设计方案的冲突性，保证了建筑施工图纸的一致性和准确性。

（4）“工作集”协同建筑-结构模型同步进行

Revit软件针对BIM协同工作提出的“工作集”概念其实就是一种工作共享的工作模式。针对同一项目的的BIM模型数据，要求在同一局域网利用工作集的方式对中心文件进行划分，一般按照专业设定工作组成员，建筑-结构专业组成员可以各自在自己的终端，对服务器的中心文件进行同步设计，过程中实时将自己的文件同步到中心文件，不同专业组的成员按照设定的权限可以相互查看对方设计进度与成果，中心文件可以在服务器终端对整个项目进行实时监控与调整优化，此过程中项目工作人员实现了数据信息的实时传递与共享，对项目的协同应用效果明显。此时不论是采用以上三种建筑-结构设计中的任何一种方式都能够满足协同设计的目的。

但工作集协同模式在项目实施过程中，所有参与者的过程文件都需要按照时间进度节点及时传递到中心文件，对承载中心文件的终端设备要求较高，导致终端设备造价较高；各参与者的应用管理权限设定必须清晰，否则容易出现文件被误改误删的现象；且必须在同一局域网内部实施，对于异地同步工作不能充分发挥作用。

4 结束语

近几年来，我国建筑行业随着BIM技术推广力度的逐步加大，应用能力日益成熟，基于BIM的多专业协同正向设计成为根本追求。在项目实践过程中，不断对比分析论证不同协同模式的优缺点，建立具有推广性的多专业协同思路以及标准化文件；利用协同设计，实现BIM技术应用过程中数据共享、全专业一体化信息集成，真正发挥BIM技术在项目全寿命周期中的作用，助力智慧城市的发展与建设，是每一个BIM工作者不断前行和努力的方向。