建筑结构设计中BIM技术的应用研究

白 冰 山西省煤炭规划设计院（集团）有限公司

1 前言

结构设计是建筑工程的初始工作，更是影响工程质量、成本、安全性等最主要的因素，因此应对这项工作引起重视，并思考如何才能对结构设计进行实时有效控制。BIM 技术是一项能够通过可视化手段综合反映建筑信息的建筑技术，将这项技术与建筑结构设计充分结合，利用BIM构建建筑模型，然后在模型上逐渐调整设计细节，由此就可使建筑结构设计逐渐完善，保证后续施工的顺利进行。

2 BIM技术概述

2.1 含义

BIM 的中文名称是建筑信息模型，英文全称为Building Information Model，BIM的含义体现在两个方面，分别为工具和过程。就工具而言，我们可以将BIM模型看成一件工具，是相关技术人员结合建筑工程各项数据所制作的三位模型，模型上详细记录着工程数据，可为工程管理提供有效指导，因此可以将其看成辅助性产品。就过程而言，BIM模型从开始的建立到最后投入使用有着一整套的详细流程，使用过程中还能分享信息，从而可作为一个大型建筑资源数据库使用[1]。多数人对BIM的理解都存在偏差，认为BIM只是建筑的3D模型，其实这只是BIM的一方面，BIM不仅具备3D模型的一切功能，同时也能够操作、储存和共享信息，它是建立在计算机基础上的新型建筑理念，不仅功能强大，而且资源极为丰富，可创新传统建筑施工设计，促进生产效率的不断提升。BIM分别由产品模型、决策模型、过程模型等共同组成，三者是BIM的基础，保障着BIM各项功能的发挥。

2.2 功能

BIM的概念一经提出就获得了广泛认可，且建筑领域针对BIM 做了大量研究，对其功能做了如下总结。第一，BIM 具有可视化特征，这一特征是BIM最为明显的，其可在建立模型之后将建筑工程各项细节直观呈现在人们面前，而且可体现在工程的全部环节，可让人们通过模型直观感受工程的变化。第二，BIM具有协调功能，BIM可以协调建筑工程的各项信息，促进信息在内部的顺畅流通，这样就不会出现信息不对称的问题，进而令各部门能够默契配合，使工程进行中的各种问题都能够得到迅速解决，进而达到提升施工效率的目的。第三，BIM可模拟性。在工程进行期间，可使用BIM对有可能存在的问题进行模拟，或者模拟工程在结束后可能出现的问题，从而在设计和建设阶段加以控制，这样便可保证工程质量。第四，BIM可优化设计。建筑工程的复杂性比较高，如果存在还没有完善的内容可能难以被及时发现，而通过BIM 模型可使不完善的部分直观呈现，然后可通过操作模型进行优化。第五，可利用BIM模型详细描绘工程管线图，然后改进管线布置方案，以此促进建筑功能的完善。第六，利用BIM 可对工程实施一体化管理，从设计到运营都可参考BIM模型，极大提升了管理成效。第七，平衡参数。制作BIM 模型过程中如果出现了参数误差，整个模型就会随之改变，因此结合模型的变化即可有效控制误差。第八，BIM 具有完整的信息，且工程逻辑关系和拓扑关系十分完善，能够显著提升工程描述的完整性。

3 BIM技术在建筑结构设计中的应用

3.1 应用要点与难点

应用BIM 技术开展建筑结构设计，需要明确的要点和难点共有以下几个方面：第一，应用BIM技术不能完全抛弃2D设计习惯，并要保证连贯设计，明确每个环节数据的呈现形式。第二，相关人员应熟悉BIM模型的应用方式，保证将3D模型的作用充分发挥出来，必要时可参考2D效果图。第三，保证BIM模型数据和数据库之间的连接。

3.2 碰撞检查

通常在正式开始建筑施工之前都需要结合图纸进行碰撞检查，避免不同施工内容发生冲突，导致工程难以顺利进行[2]。因此，应将碰撞检查体现在BIM模型中，然后利用三维模型开展碰撞检查，达到减少施工问题和降低错误率的目的。

3.3 转换BIM模型

这一点主要针对的是结构模型和结构分析模型，以某工程为例，在实际应用过程中设计人员通过以下方式开展了相应工作。第一，向计算机中导入建筑模型，这一步使用的软件为Revit，导入之后对建筑模型的有效性进行分析。第二，完成分析工作且确定模型有效后，在Revit 软件中导入建筑结构的分析模型，建筑结构模型的构建工作就可以基本结束（见图1）。但有一点需要注意，为避免丢失数据而影响模型的后续分析和使用，在BIM模型转换过程中要合理更改重要数据，同时视图比例应以1：1 进行控制，避免出现过大的图片轮廓线，随后再详细分析有可能会出现的问题，以保证后续工作可以顺利进行。

图1 Revit转换模型

3.4 预埋件设计

建筑施工必然会涉及各种类型的预埋件，而且预埋件的数量还比较多，因此一定要在设计阶段做好预埋件的布置工作。但由于预埋件的布置较为复杂，对设计工作提出了很高要求，为了保证后期施工质量，可以利用BIM 模型布置预埋件，先在模型上明确各种预埋件位置、数量等。比如，科学选择和布置吊钩形预埋件、确定预埋件的位置等，设计过程中应提前了解预埋件布置要求，然后将布置要求也体现在BIM 模型中。另外，应着重强调梁板、墙体等部位的预埋件，避免在施工过程中出现预埋件和梁板等施工发生冲突的情况。以图2 为例，该图是利用BIM 模型设计的预埋件，在模型上科学规划了预埋件洞口，保证了后期预埋件施工的顺利开展。

图2 BIM预埋件布置

3.5 钢筋设计

在建筑结构设计中虽然已经普遍运用了BIM 技术，但钢筋设计一直是弱项，大多数软件都无法和钢筋设计充分融合。对此，笔者结合某酒店建筑对此做了简要分析。该酒店高达150m，建筑面积为4万平方米，设计过程中使用的钢筋软件为Proconcrete，BIM软件为Revit，从钢筋规格选择、配筋等入手构建了钢筋设计的BIM模型，如图3所示。设计过程中首先全面分析工程信息，同时构建整体的钢筋设计模型，最后将模型相应位置和具体数据与工艺进行关联，然后再优化改进不符合要求的部分，最后完成BIM的钢筋设计[3]。

图3 BIM钢筋设计

3.6 框架设计

在BIM 模型中对框架尺寸进行确定，为保证框架结构的抗侧刚度，使框架在地震影响下不至于损毁，不应选择过强的框架梁，因此将钢筋混凝土框架柱控制在6m到8m之间即可。如果对空间的要求比较高，可以模型中采用大柱网的设计形式，但要注意，选择这种形式必须明确标注梁柱截面尺寸。如果是饭店、医院等小空间、多墙面型的建筑结构设计，可以在模型中选选择小柱网梁截面。

设计过程中应在模型中体现出框架梁中心线和柱中心线的重合，如果二者不能重合,应测试柱子偏心是否会受到梁荷载的影响[4]。为了梁轴线和柱轴线的偏心距能够得到合理控制，同时又能很好地承托墙，可在这部分设计中标明处理方法，比如可使用挑板承托的方式。实际偏心距应以柱截面为基础进行控制，具体应控制在柱截面的1/4.如果抗震要求高，同时偏心距无法控制在1/4，就应在模型中明确处理办法，比如通过增设梁水平加腋等，但同样要测试梁荷载对柱子偏心的影响情况。

总之，设计过程中，应在BIM 模型中明确框架形式，比如横向承重、纵向承重、双向承重等，另外由于地震和风对框架的影响大多都是侧方向作用力，因此还要对框架的抗侧力结构加以明确。关于柱网尺寸的设置，在框架高度方向和各层平面应保持一致，同时避免偏心过大。

4 结束语

综上所述，建筑结构设计是一项极为重要的工作，对后续施工质量有很大影响，而使用BIM技术开展建筑结构设计，可保证设计工作的稳步进行，为后续施工提供有效参考。本文首先对BIM 技术作了简单阐述，随后分析了BIM 技术在预埋件、钢筋、框架等方面的应用，以期为相关人员提供一些有价值的参考，进而为建筑行业的进一步发展提供动力。