基于BIM的建筑结构设计与土建算量一体化研究

黄 莹 韦智睿、2

（1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 545004；2.广西建工集团第五建筑工程有限责任公司，广西 南宁 545001）

建筑信息模型技术的理念是创建并利用数字化模型对建设项目设计、建造及运营全过程进行管理和优化[1]。许多学者致力于通过BIM 技术改善传统工程算量模式的不足，尤其在设计阶段与工程算量阶段的BIM模型互通还不够完善，因此，本文通过一个大型项目设计模型与预算模型的数据对比，探寻设计阶段与算量阶段的问题所在。

1 BIM下的设计与算量

1.1 BIM辅助设计操作流程

BIM在我国发展迅速，在建筑工程的各个领域都有涉及，以下特别概述BIM在设计阶段和造价中算量阶段的运用。

利用BIM 设计软件，对于常规的建设项目进行辅助设计的操作如下：第一步，在服务器（或公用电脑）上建立用于交互的中心文件，其余各专业人员将在中心文件进行上传与提资；第二步，建筑专业从方案设计、初步设计开始，设计并建立建筑模型后，再设置好各分专业的工作集，包括结构、水电暖等设备专业；第三步，各专业完成建模后，互相提资反馈确认；最终建筑专业确认后，完成初步设计模型的建立。

1.2 基于BIM的算量模式

1.2.1 关于BIM算量的相关研究

我国诸多学者致力于对BIM 算量展开研究，侯献语总结了BIM 技术在三维算量过程中存在的问题，针对问题分析了其原因并提出了三维算量发展的建议措施[2]；在中国市场上主流的支持BIM 算量的软件分为两类，一种是基于开放数据库互联（open connectivity，ODBC）原理对BIM 软件二次开发的算量软件，如斯维尔；另一种是基于应用程序编程接口（application programming interface，API）的模式，将BIM 模型的格式转换为算量软件自身可识别的格式文件，提取BIM 工程量信息至专业计价软件中就算工程量，如广联达[3]；王亮等针对现有的两种算量模式的可靠性展开研究，用广联达土建算量的GCL 模型作为准确工程的来源，分别于三种方式得到的BIM 模型量值做对比分析[4]。

1.2.2 BIM辅助算量

传统造价模式的特点是工作量大、业务流程烦琐且计算精度要求高。理论上，通过BIM 设计模型传递至算量阶段从而生成的BIM 算量模型，可以将设计信息比较完整的传递至算量阶段。造价人员可以直接使用BIM 设计模型，通过计算机完成工程量的计算工作，在此基础上挂接施工做法和套相关定额。减少了重复建模的步骤，并将机械化的算量过程交予计算机完成，可让造价人员减少一定的工作量，在一定程度上提高了造价阶段的效率。

1.3 设计算量一体化目前存在的问题

工程造价管理的基本要求是工程计量的准确性。直接导入BIM设计模型进行算量，与广联达内建模型数据相比较，发现工程量的误差较大，无法达到一体化的基本要求。基于此，分析其中存在的问题，优化设计算量一体化的操作模式，就显得尤为必要。

2 基于BIM算量分析方法与指标

根据行业内学者的研究，将Revit 模型转换成GFC 文件格式导入广联达算量软件比转换成IFC文件格式更加匹配[4]。所以，此处针对算量模式可靠性的分析方法是：在传统算量模式中，利用广联达BIM 土建计量平台GTJ2018 软件（后简称GTJ）建立GTJ模型，其对应的工程量数据信息为基准，对转化成GFC格式的Revit模型导入GTJ后的工程量数据信息，用准确性（评定指标为量差百分比q）进行对比分析[4]。准确性公式：

其中q为准确性；a为直接在GTJ 软件中建立的GTJ 模型工程量（下述均称GTJ 模型工程量）；b为Revit 转换成GFC 格式导入GTJ工程量（下述均称BIM设计模型工程量）。

3 案例分析

3.1 工程概况

广西某城市档案中心地下一层，地上3～16 层，其中地上部分分为ABC 三个区，A 区与B 区为钢框架结构，C 区与出地面楼梯为钢筋混凝土结构。将广联达创建的GTJ 模型作为标准，由传统算量模式通过施工图创建该项目的算量模型；利用基于Re⁃vit的鸿业插件设计创建建筑模型，利用盈建科与Tekla进行结构设计，并导入Revit 中生成结构模型，将建筑与结构模型合模作为后续信息交互应用和研究。

3.2 BIM设计模型与GTJ模型工程量对比分析

根据《广联达算量模型与Revit 土建、钢筋三维设计模型建模交互规范》对Revit 模型进行命名与映射，通过插件将Revit 模型转化成GFC 格式文件，导入广联达GTJ 软件生成算量模型。因GTJ 软件无法对钢结构进行计算，所以将钢结构部分全部定义为异形截面梁，其混凝土标号定义为工程没有的C80，后续算量会扣除相应的部分。模型的转化率为100%。

将转化好的中间文件导入到GTJ 软件中，利用软件中自动检查功能，自动或简易的手动修复部分重叠错误。得出设计模型与GTJ模型工程量准确性对比分析见表1。

表1 BIM设计模型与GTJ模型工程量准确性对比分析

图1 A1区Revit模型、BIM设计算量模型、GTJ算量模型

表2 A1区域混凝土、模板工程量准确性对比分析

由表2可见，没有经过系统处理的BIM设计模型相较于GTJ模型的工程量误差较大，无法满足设计算量一体化的基本要求。

3.3 对比分析小结

在此过程中，我们发现造成BIM设计模型与GTJ模型工程量差异的主要原因有：①BIM 设计模型中缺失圈梁、过梁、构造柱等构造，使得混凝土量及模板量减少；②BIM设计模型中的钢梁在广联达软件中被定义为C80 混凝土构件，使混凝土量及模板量增多；③GTJ模型中的女儿墙定义为了剪力墙，使得混凝土工程量增多，砌体工程量减少。

对于交互过程中，还有一些不可忽视的问题：①对结构构件的重新命名占用了绝大部分时间；②BIM 设计模型中柱梁板图元搭接方式有误，导入算量软件时会产生误差。

4 原因分析

4.1 模型精度问题

BIM的设计端模型精度要求在LOD250-LOD350之间，相较于算量模型，结构模型会缺失部分构件。

由于设计模型中的结构部分直接由结构设计软件导出，而结构设计软件只进行主体结构的受力计算，部分构造构件在受力分析中不考虑。如：圈梁一般设置墙体中以增强砖石结构房屋的整体刚度，在结构整体计算不予考虑；构造柱是一种抗震构造做法，保证分承重墙的墙体稳定性，结构设计时的布置较为灵活，在结构整体计算不予考虑；过梁为设置在门窗洞口上支撑其上部荷载的横梁，在结构整体计算不予考虑。直接将未进行深化的初步设计模型导入造价软件之中进行算量，会导致混凝土工程量、砌体工程量、模板工程量与实际用量不符。

4.2 无法进行精确钢筋算量

使用结构设计软件配置钢筋，是根据结构整体计算、构件内力配筋计算的结果进行配筋的，是软件结合选筋参数设置自动生成的结果。然而软件自动生成的配筋一般满足不了设计需求，这就需要结构设计师在软件自动生成的成果基础上继续进行迭代式的优化设计，如钢筋型号的重新选择、钢筋归并等等。

由结构设计软件导出至BIM 软件的钢筋模型，只能输出软件自动配筋的初步成果，无法输出结构设计师调整后的配筋成果。最后配筋的模型与实际具有较大的差异，所以直接计算由结构设计软件导出的模型中的钢筋工程量，与实际钢筋工程量不符。

大多数算量软件并不能直接利用BIM模型中的钢筋工程量进行钢筋计算，各类钢筋属性都需要手动输入，这就大大增加了造价人员的工作量，没有体现BIM一体化的优势。

4.3 软件问题

该项目A 区与B 区为钢框架结构，C 区为钢筋混凝土结构。计算AB区域的钢框架结构时，发现造价软件不能同时计算钢框架工程量与混凝土工程量，钢框架会识别成为异形截面混凝土量，从而增加混凝土方量。

直接将未处理的钢梁模型导入造价软件之中进行算量，会导致混凝土工程量、模板工程量与实际用量不符。

为了使上游的设计BIM模型更好地传递至造价算量模型，需要符合规范地对模型构件进行命名，赋予构件对应的几何信息和非几何信息。但是，从结构软件导出的IFC 文件中的模型命名方式不符合造价模型的命名规范。为了使造价算量软件准确识别设计BIM 模型的信息，设计师需要对模型中所有的构件进行重新命名，此操作浪费了大量的时间，不符合BIM 一体化的思维。

柱梁板墙图元之间的连接方式问题，在先行的清单规范和工程预算定额计算规则，混凝土墙、梁、板、柱搭接处是以3,2,4,1的优先级计算扣减；而从结构计算软件中导出的结构部分梁板柱的搭接方式与之不匹配。

5 优化设计算量一体化的相关措施

5.1 提升模型精度的相应对策

5.1.1 提升精度的方式

其一，提升导入前设计模型的精度。对初步设计BIM 模型进行深化设计，增加设计端模型精度，增加包括但不限于：构造柱、圈梁、过梁等构件以及防水保温做法和装饰装修做法。

其二，提升导入后算量模型的精度。将设计模型导入至造价软件中，在造价软件内对算量模型进行深化。

5.1.2 两种模式的对比

提升设计模型精度是更符合一体化思维的做法，提升设计模型的精度不仅仅能减轻算量造价阶段的工作量，更能为后续的施工阶段甚至运维阶段提供丰富的信息。与之相比，会在一定程度上增加结构设计师的工作量，在Revit之中进行这类深化工作，操作更繁复，且丰富信息的同时，模型承载的大体量也会给硬件设备带来一定的挑战。

提升算量模型精度的方式是传统的做法，是过度至设计算量一体化妥协的模式，在造价软件中，深化工作更便捷，但这类方式仍未完全解放造价人员，且后续的施工阶段与运维阶段的深化工作依旧没有落实。

决策者可以根据企业自身的情况选择上述两种模式提高模型精度，笔者建议将两种模式相结合进行使用，如：构造柱、圈梁等构件的，对后续施工运维影响大的构件可以用方法一在Revit上操作；装饰装修这类操作复杂，对后续影响小的，可以在造价软件中进行操作。

5.2 处理BIM钢筋的相应对策

虽然结构设计师可以将优化配筋的操作从结构设计软件转移到BIM软件中，即——在导出软件自动配筋结果后在Revit软件进行配筋的优化设计。但是庞大的钢筋图元数量会造成计算机的卡顿，让结构设计师的软件操作举步维艰，很难进行优化工作。

结构模型从结构设计软件导出时，其钢筋信息可以以钢筋集、钢筋标注的形式进行表现，设计师在此基础上进行修改优化，当需要检查钢筋碰撞时，再调用生成相关构件的钢筋三维图元，这就大大减轻了计算机的运算负担，改善了设计师的工作环境。

5.3 BIM软件开发的相关建议

BIM 设计软件与造价算量软件的对接模式尚未成熟，为了更好地实现设计与造价阶段的一体化，应针对问题对软件进行完善和开发：结构设计软件导出接口文件时，命名方式，可按照算量模型与设计模型建模交互规范对构件进行命名，搭接方式，可按照预算定额计算规则进行搭接；造价算量软件可以增加相应模块，拓宽可计算工程的种类，提高其算量的准确性，提高计算的可信度；结构设计软件增加导出钢筋集模块，算量软件增加对应读取钢筋集信息的模块，更好地实现BIM 设计模型与造价算量模型一体化。BIM软件的开发与运用是我国发展BIM的根本，国家可以鼓励软件公司对BIM软件的研发，相关企业使用软件的同时也应积极与软件公司沟通，促进软件的更新换代。

5.4 优化项目交互的相关对策

目前设计算量一体化还在初步阶段，很多细节部分把控不到位会大幅度的延长设计时间，影响交互的质量。

a.项目开始前，先在Revit中制订好项目的样板文件，统好标高及轴网；

b.将各类构件按照交互标准规范进行建模，节省后期命名及修改时间；

c.提前分区域分楼层的将BIM设计模型导入算量软件中进行算量，提前发现问题，解决问题，避免后期建模遇到相同的错误屡次更改；

d.由于设计模型精度与算量模型精度有差异，对于一些需要增补的构件，如圈梁、过梁、构造柱、装饰工程等，需提前规划确定提升精度的方式。

6 结语

本文探寻了普通房建项目的建筑结构设计与算量交互出现的问题，通过实际的项目进行分析，针对其中模型精度、钢筋算量、软件的问题，提出了一些措施和建议，以供参考。很多学者认为BIM 的引入能让工程项目信息最大化的保留，避免造价阶段施工阶段的重复建模，但目前BIM的一体化只是初步发展，尤其是设计与算量一体化尚未成熟，许多问题亟待解决。