BIM技术在某钢结构厂房全过程设计中的应用

严 旭

（中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，成都，610021）

0 引 言

自2000 年左右起，以电力设计院和石油设计院为主的工业设计院，相继引进PDMS 或SP3D 等BIM 平台软件，采用数字化设计手段开展工艺设备管道的布置与设计［1］，一键形成DWG 格式的支吊架节点详图。

在民用建筑物的BIM 应用中，通常是根据已出版的图纸创建结构BIM 模型，凡是有修改均依据书面的升版图、设计变更、施工联系单等，故能够实现BIM模型与图纸完全一致。在工业建筑物设计中，工艺专业开展数字化设计，其中一个最基本的设计输入就是结构专业的BIM 模型，根据初步的梁、柱定位进行管道和设备的布置设计，再根据施工图阶段准确的梁、板、柱定位确定荷载、孔洞、埋件、支墩并完成支吊架的选型和出图。以火力发电厂主厂房为代表的工业结构，体量大、结构构件多，各工艺专业设备、管道、线缆繁多，设备订货往往滞后于设计进度的要求，设计周期长，出图进度的要求紧。结构专业在完成初步的布置后，主要是确定了柱网、柱截面大致尺寸、垂直支撑的位置、次梁的大致布置时，就需要向工艺专业提资，并向热机专业提供BIM 模型。结构专业通常是以“翻模”的形式创建三维模型配合建筑、机电等专业进行BIM应用。此BIM模型可以在完成二维CAD 图纸后由人工创建，其问题在于很难实时跟踪结构设计图的变化，常常发现BIM 模型与最终成品图有不一致；若通过导入结构分析模型而创建，其问题主要在于构件的标高和次梁的定位通常不够准确，每次导入后都需要人工调整。而且这样创建出来的BIM 模型，结构专业无法进一步予以使用。

许多学者对BIM软件与结构分析软件的数据交换以及如何实现BIM出图进行了研究。乔保娟等［2］研究和开发了PKPM-Revit的双向接口。吴文勇等［3-4］提出 Revit 转换接口和 AutoCAD 自动成图。杨党辉等［5］研究了IFC 与结构分析软件的数据转换。刘照球等［6］提出将BIM 模型先转到PKPM 或 YJK，然后利用 PKPM 或 YJK 提供的接口转到其他的分析软件。李坤［7］在地铁车站的设计中采用Revit 建模并导入Robot Structrue 进行结构分析。赵华英［8］、王勇等［9］在创建 Revit 模型和平法图纸后，利用CSIXRevit 将模型导入Etabs 中分析。肖新瑜［10］、孙晓翔［11］等采用YJK-Revit进行结构建模与出图的尝试。郝国龙［12］在完成结构计算后使用Revit建模并创建结构施工图，董爱平［13］使用Revit实现了梁、板、柱、基础的平法施工图。乔恩懋等［14］基于Revit 进行二次开发空间网架的建模，并实现了自动检查干涉和遗漏。张士昌等［15］在上海某漂流乐园的结构设计中采用AutoCAD Architecture进行结构的精确建模。

尽管提出了各种BIM数据转换和BIM成图方式，各软件商和设计院开发了多个辅助设计软件，但仅仅减少了“翻模”所耗费的时间，并不能同时提高BIM 设计的效率和质量。“翻模”的方式也确确实实能满足碰撞检测、管线综合、净高分析、施工模拟、漫游及渲染等BIM应用的要求，但对结构专业本身几乎没有实际的益处。在没有额外收费的情况下，结构专业不会采用BIM正向设计方式。

在不使用任何插件的情况下，将Revit 替代AutoCAD来完成布置设计，效果到底如何，是一个值得研究的问题。本文以孟加拉某钢结构主厂房上部结构为例，基于建筑业使用最普遍的Revit软件，首次全过程地完成从投标、概念设计（即初步设计）、到施工图阶段除了总说明和节点详图以外的BIM布置设计。

1 工程概况

孟加拉电力发展局拟建一座联合循环电站，厂址位于孟加拉某地，包括2 台燃机发电机组、2台余热锅炉和1 台蒸汽发电机组，蒸汽发电机组设置在主厂房内。主厂房结构形式为钢结构，投标时提供了2个方案，表1为主厂房推荐方案的主要尺寸。

表1 汽机房（推荐方案）主要尺寸一览表Table 1 Major arrangement dimensions of Turbine House m

2 确定结构BIM设计原则

常规火力发电厂的每个汽机房通常约90 m长、50 m 宽、45 m 高，4 000 根余杆件。相比于常规火力发电厂，本工程汽机房体量小，仅有38 m长、21 m 宽、檐口22.4 m 高（图1），约550 根杆件，荷载、孔洞、埋件均少，结构设计工作量降低很多。为配合热机专业的PDMS 数字化设计，验证BIM正向设计的可行性，研究决定首次结构专业采用全过程BIM 正向设计方式，以实时向热机专业提供结构BIM模型。

图1 汽机房结构整体三维视图Fig.1 Turbine house aerial view

本项目的设计中，热机专业采用PDMS 进行数字化设计，其他专业均采用传统的AutoCAD 绘图设计方式，即结构专业独自采用Revit软件进行BIM 正向设计。包括热机专业在内的所有专业均用DWG 图纸向结构专业提供设计资料。结构专业在向热机专业提资时，采用第三方插件将Revit模型输出为一个中间格式文件，由热机在PMDS中采用插件读取；结构专业向其他专业提资时，均将Revit图纸导出为DWG图纸。

由于Revit能很方便地创建BIM 模型，并将模型显示为平、立、剖图纸［16］，但Revit“画图”的功能确实不如AutoCAD 方便。故采用Revit 完成结构的布置设计，结构总说明和钢结构节点连接详图仍旧采用AutoCAD绘制和修改。与传统二维设计方式相比，实质是采用Revit代替AutoCAD 来创建BIM模型并形成各层平面布置图、各框架立面图。

Revit 中的图纸保存在RVT 文件中，AutoCAD的图纸保存在DWG文件中，相互之间不传导。向外方业主和总包方提供PDF 图纸、出版成品图纸时，均分别在Revit 中、在AutoCAD 中打印PDF文件。

本汽机房全部的结构分析和绘图工作由土建室的指派1 名结构工程师完成，因人力安排的原因，该工程师是第一次采用BIM方式进行设计。数字化设计中心BIM工程师提供样板文件，完成本次设计所需的族库，并提供全部的BIM技术支持。

钢结构设计图分为单线图、双线图［17］，两种方式都被广泛使用着。考虑到单线图在AutoCAD下绘制方便、修改便利，能明确构件两端的约束释放，便于工程师自身和各级校审对图纸和分析模型进行校核，我院在钢结构DWG图纸中一直采用单线图的形式。根据我院曾经开展的钢结构工程建模与出图的实践经验［18］，决定本次出图时，各层平面布置图采用单线图的形式，各立面图采用双线图的形式。

为减少连接节点的计算和画图工作量，便于工程师将精力投入到优化设计中，在业主同意的情况下，决定在施工图设计阶段采用节点通用图（图2）的形式，拷贝以前类似结构的DWG连接节点通用图纸，修改为本结构所用的图纸并存放在DWG文件中。所有的刚接节点都按等强设计，铰接节点则在施工图中提供内力统计表（图3），由钢结构详图深化公司查找构件的连接形式，计算各连接节点所需的螺栓直径与个数、连接板大小与厚度。

图2 节点连接大样图示意Fig.2 Sample diagram of joint connection

图3 铰接钢构件及节点内力统计表Fig.3 Statistical List of Hinged Steel Member and Internal forces

3 投标阶段BIM设计

轴网及标高由建筑和工艺专业共同确定。结构专业本阶段主要任务是进行结构布置，确定结构方案并进行计算。最终要确定柱截面的大致尺寸、垂直支撑的截面和位置、各层钢梁的大致布置，然后向其他专业提供结构的布置资料。由于工艺专业的管线多，后面的设计阶段要求柱截面尺寸只能减小不能加大、垂直支撑的定位不能变、次梁的位置随时需要调整。

由于结构布置受到工艺布置的限值，故确定本结构为框架-中心支撑结构，横向刚接加支撑，纵向铰接加支撑，中间平台的框架梁双向刚接。有孔洞的情况下，次梁布置到孔边；其余情况下，次梁按均布布置考虑。

楼板下均设51 mm 厚楼承板，楼承板与钢梁间采用剪力钉连接。运转层混凝土楼板总厚度151 mm，其余混凝土楼板总厚度100 mm。

结构分析软件为Bentley 公司的STAAD.PRO V8i。

钢结构连接节点均采用10.9 级高强螺栓，在国内加工后运往现场，以最大程度减少现场焊接工作量。

在Revit 中建模后，结构工程师同时人工在STAAD.PRO 中建模计算，按均布荷载输入楼板荷载，输入假定的吊车荷载，输入实际的风荷载的地震作用。当在STAAD.Pro中调整杆件大小和定位时，人工在Revit中进行同样的调整。这个过程和传统的二维设计方式是一样的，仅仅是使用Revit替代AutoCAD画各平面图、立面图而已。

最终形成了投标推荐方案的各层平面图（图4、图5）、典型框架立面外形图。

图4 5.000 m层结构平面布置图（投标）Fig.4 5.000 m Structural Layout（Bidding）

图5 5.000 m层三维视图（投标）Fig.5 5.000 m aerial view（Bidding）

4 概念设计（初步设计）阶段BIM设计

本阶段工艺专业将提供大的管道和设备荷载，以及主要的工艺孔洞。结构专业的主要任务是基本确定柱截面尺寸，验证垂直支撑，根据现有孔洞和荷载的位置确定次梁的定位和截面尺寸。

本阶段同样由结构工程师同时人工修改Revit 模 型 和 STAAD.PRO 分 析 模 型 。 当 在STAAD.Pro 中调整杆件大小和定位时，人工在Revit 中进行同样的调整。这个过程的操作和投标阶段的操作是一样的。

最终，根据投标模型形成了概念设计阶段的各层平面图（图6、图7）、典型框架立面外形图。

图6 5.000 m层结构平面布置图（概念设计）Fig.6 5.000 m structural layout（Conceptual Design）

图7 5.000 m层结构平面三维视图（概念设计）Fig.7 5.000 m aerial view（Conceptual Design）

5 施工图阶段BIM设计

本阶段工艺专业将提供正式的管道和设备荷载、全部的孔洞和埋件等设计资料。结构专业的主要任务是根据孔洞位置确定所有梁的定位，根据施工图阶段的荷载对结构进行详细计算，确定梁、板、水平支撑的截面尺寸，对柱截面尺寸和垂直支撑截面尺寸进行优化。

本阶段同样由结构工程师同时人工修改Revit 模 型 和 STAAD.PRO 分 析 模 型 。 当 在STAAD.Pro 中调整杆件大小和定位时，人工在Revit 中进行同样的调整。这个过程的操作和投标阶段、概念设计阶段的操作是一样的。

在本阶段，最终确定汽机房夹层混凝土板面标高5.050 m，板厚100 mm，则钢梁标高为4.950 m；运转层混凝土板面标高8.950 m，板厚151 mm，则钢梁标高8.799 m。

相比前面设计阶段，本阶段新增的工作有：

（1）因Revit 中已创建了各层梁布置图，故复制后即可创建各层楼板布置图，表达埋件和孔洞等除了钢梁以外的内容。本图中不标注钢梁的截面型号（图8）。

图8 5.050 m层楼板布置图局部（施工图）Fig.8 Part of floor arrangement at EL.5.050 m（Construction Drawing）

（2）用AutoCAD 绘制结构设计总说明和节点连接详图，这些图纸是用以前类似结构的图纸拷贝和修改而成，保存在DWG文件中。

（3）对于各非等强连接的铰接构件，需要在结构分析软件中统计并提供杆件内力表，以便钢结构深化公司进行具体的节点连接设计。

最终，在Revit中根据概念设计阶段的模型完成了施工图设计阶段的各层梁平面图（图9）、各层楼板布置图（图10）、各轴线框架外形图（图11）。

6 BIM布置设计总结

采用Revit进行结构的布置设计，将模型显示为平、立、剖图纸是非常方便的。在设定好样板文件后，可以形成要素齐全、风格统一的图纸。目前需要人工操作的内容有：所有的尺寸的标注，孔洞和埋件的放置，孔洞和埋件的型号标记。所有梁、柱、支撑、孔洞、埋件的型号标注直接利用Revit内置的功能快速标记，仅需要人工调整避让标记文字的位置。

在投标阶段，因为不能仅创建典型平面和立面图，还需要创建整体模型，故新建结构BIM模型比AutoCAD“画图”的方式需要多耗费了0.5 d 的时间。但因能利用Revit一处修改、处处更新的功能，在后续的概念设计（初步设计）、施工图设计阶段均可以利用上一阶段的BIM模型和图纸继续修改和深化，所以总耗时比传统“画图”方式少。

图9 汽机房4.950 m层梁布置图（施工图）Fig.9 Turbine house EL4.950 m beam arrangement（Construction Drawing）

图10 汽机房5.050 m层楼板布置图（施工图）Fig.10 Turbine house EL.5.050 m floor arrangement（Construction Drawing）

全部的结构分析和绘图工作由土建室指派1名结构工程师完成，因人力安排的原因，该工程师是第一次采用BIM方式进行设计。数字化设计中心BIM工程师提供样板文件，为确保进度，还创建了第一版投标BIM 模型，并随时创建本结构需要的族库。通过仅仅约30 min 的现场教学，结构工程师即可自行开展BIM建模与成图。在各阶段的设计过程中，BIM 工程师透过Revit 中心文件，定时打开模型协助检查，若有问题则通知结构工程师进行修改。

施工图设计阶段，在有参考图纸可以套改的情况下，在AutoCAd 中绘制结构总说明和通用节点图非常快捷。将以前类似图纸拷贝并修改为本结构的节点通用图，总耗时不到1 小时。在结构分析软件中分类统计铰接构件的内力后，在AutoCAD中绘制构件内力统计表，总耗时约0.5 d。为了修改方便，建议不要将结构总说明和通用节点图放在Revit中。

图11 汽机房1轴线框架外形图（施工图）Fig.11 Turbine house elevation of axis 1（Construction Drawing）

7 BIM设计需解决的问题

由于其他专业向结构的提资均为DWG图纸，故需由结构工程师自行在Revit 中放置埋件、孔洞。当埋件、孔洞数量多时，此操作比较繁琐，而传统的二维设计方式还将长期存在，故需考虑开发插件读取DWG图纸中的埋件、孔洞。

对埋件和孔洞的标记，人工操作比较麻烦。应考虑开发插件，一键标记所有的埋件、孔洞，由人工调整避让即可。

对梁、板、柱的定位尺寸标注，以及本次采用的对埋件和孔洞的原位标注方法，需要人工一一完成。这个工作看似麻烦，其实只需要做一遍，修改也方便。但当埋件和孔洞是批量由插件生成时，这样去标记埋件和孔洞的型号和标注定位尺寸就繁琐了，此时可开发插件计算每个埋件和孔洞的相对位置，结合Revit的明细表，以列表法进行表示［19］。

结构工程师在投标阶段创建STAAD 计算模型时，是根据Revit 的布置而人工创建计算模型。后续有修改时，均是同时修改Revit 模型和STAAD 模型，一直到施工图阶段。在Revit 中，可以指定结构构件是否在Revit 分析模型中予以显示（图12）。为了形成Revit图纸，已经指定了构件的截面尺寸、材质、杆端约束释放，再施加以全部的荷载、指定荷载组合、补充STAAD 计算所需的全部参数［20］，即可完整地写入.tsd文件，并在Revit中直接调用STAAD进行计算［21］。

图12 汽机房结构三维视图、分析模型视图Fig.12 Turbine House aerial view&analysis model view

8 结 论

对于常见的框架结构，不与其他专业进行BIM 协同设计的情况下，可以单纯地用Revit 替代AutoCAD 完成布置设计，并将Revit模型显示为风格统一的平、立、剖布置图纸。在投标和概念设计阶段只需要提供典型的平、立、剖布置图，恰好可以全部用Revit来完成。在施工图设计阶段，可以继续细化Revit模型及平、立、剖布置图，并采用节点通用图的形式，用AutoCAD 快速地套改已有的通用图。

Revit 模型和图纸、AutoCAD 图纸都宜分别保存在各自的文件中，除非展示和宣传的需要，没有必要全部放在Revit 中，也没有必要全部放在AutoCAD 中。向业主提供电子版PDF 文件、出版正式图纸时，各自分别形成PDF即可。

与传统的二维设计方式相比，BIM 正向的布置设计能大大减少了“画图”工作，让工程师更能专注地投入于“设计”之中。

BIM 正向设计所形成的BIM 模型是真实模型，不仅有100%正确的几何形体，满足其他专业的需要，还能让结构专业自身得到好处：比如读取构件内力实现构件内力统计表，读取柱脚内力实现混凝土短柱和钢柱脚节点的设计和计算，一键标注所有的孔洞、埋件、支墩等等功能。