基于BIM的建筑结构正向设计

丛开良

上海市建工设计研究总院有限公司 上海 200235

建筑信息模型（building information model，BIM）技术作为一种可应用于工程全生命周期的数字信息平台，在项目策划、设计、实施至运维的全过程中，均发挥着重要的作用。尤其是在设计阶段中，可以通过定义模型构件参数及属性，实现信息的实时同步与精准反映。在面对各种大量复杂工程的信息时，BIM能够帮助设计人员更为直观和准确地处理信息，在提高工作效率、合理缩短工期并优化成本控制等方面发挥着其应有的作用。

1 基于BIM的正向设计

目前，BIM技术的主要应用是针对设计阶段后期和施工过程的核对，按既有图纸将二维数据转换为BIM三维模型来排除图纸错误，检查碰撞、冲突等问题，即在设计与施工之间增加二次排查，也就是BIM技术的反向应用。但当工程复杂性高时，上述反向应用反而会造成人力、资源等成本投入成倍增加，多专业的反复修改会导致设计周期延长，从而降低了工作效率。

BIM技术的反向应用对BIM技术的附加值使用较低，无法最大程度推动设计行业的飞跃，因此基于BIM的正向设计[1]概念应运而生。

1.1 正向设计

基于BIM的正向设计是以BIM模型为设计基础，由多专业在同一信息模型平台上完成项目全过程的三维设计。模型完成后，生成对应的综合和专业施工图纸，即 先有模型，后有施工图 。通过BIM模型数据，可以从中提取多种目标信息，通过计算机的同源信息直接读取，避免了不同专业的信息误差、人为主观等因素带来的复合信息差异的影响，大大提升了项目的工作效率、设计精度和质量。基于BIM的正向设计，通过建立BIM模型实现多专业协同设计、信息协调、施工图出图、施工深化及后期运维管理，提早发现设计缺陷，实现同步提升模型与设计图纸，统一BIM模型与二维图纸设计，提高了设计效率及图纸质量，降低了施工难度并节约了成本。

1.2 工程案例

本文以上海市黄浦江滩地地带某会议中心工程为例，工程地上为3层钢框架结构，地下为3层地下室，工程设计为BIM正向设计，采用地上地下同步逆序施工。

2 基于BIM的设计的优势

2.1 三维立体设计

建筑结构设计目前通常通过PKPM、YJK等专业软件计算后，采用CAD等二维软件进行绘图，在设计过程中,传统平面、立面和剖面图纸不能完整表达主体建筑信息。而BIM技术可以将建筑结构设计信息通过三维模型构建出相应的实体模型，更加直观、清晰地对构件信息进行全面设计模拟和同步设计，完整地反映整体设计信息。

首先，通过BIM设计，在BIM模型中，三维可视化展示能够将建筑结构关系、建筑结构与水暖电等的关系直观准确地反映出来，结合相关设计工况更好地模拟实施过程，能够对设计方案中可能发生的碰撞、冲突等问题提前做好预案，从而提高设计效率和质量。案例工程中，通过BIM设计提前对结构构件较大处的复杂水暖电管线情况，采用结构预留套管、梁上开洞等手段进行处理，从而有效地解决了室内使用空间净高不足的问题。

其次，利用BIM技术模拟建筑设计中关键的、重点的环节，必要时可以模拟整个施工过程。根据模拟具体施工工况，设计师能够规避潜在问题，进而合理地调整设计方案。

2.2 多专业多角度协同设计

BIM设计可以实现在设计建筑结构的同时，通过检查室内外观感效果、室内空间净高检测、水暖电管线总体排布等关键环节，实现多专业的完美协调和互相配合，并通过模型数据精准反映出建筑设计中存在的不合理问题，有效缩短自查、会审等时间，有针对性地制定解决方案，减少额外工作成本。

案例工程的地下主体结构完成后，因后续要求增加水暖电管线而导致局部实际室内净高不满足装饰要求。最初，梁柱节点处设计采用环梁锚固钢筋，环梁占用空间较大，新增线路无法通过，因此，设计时将环梁改为环板锚固钢筋，使问题得到解决。

2.3 实现项目信息集成化，构建智慧建筑

BIM设计实质是构建出一个虚拟数据信息模型，可以实现各阶段的信息集成，进一步推动智慧建筑建设。通过智慧建筑的概念，BIM技术、建筑技术与现代高新技术结合，形成以计算机技术、通信技术、自动控制技术和多媒体技术等系统工程为基础的建筑运营BIM全生命周期智能化平台。

综合BIM技术的要求，建设符合运维的兼顾建筑功能与现代信息技术的现代智能化建筑群落，BIM能够很好地推动城市智慧建筑的构建，未来智慧建筑的建设必将结合BIM等现代建筑技术。案例工程中集成了计算机技术、无线通信技术、智能控制技术、生物识别技术、多媒体显示技术等多项技术系统，通过管理内部设施、建筑环境和信息，应用BIM进行正向设计、实施管控等，为后期运维提供必要保障。

3 基于BIM的建筑结构设计

3.1 建筑结构设计中的优化

BIM技术能够直观高效地模拟建筑结构和其他专业的实体，优化较复杂的工程建筑结构方案。在复杂的建筑工程设计中，BIM技术以动态的形式将整体建筑结构等表现出来，更直接地对建筑结构尺寸、空间、颜色等参数进行对比，及时发现建筑结构设计中存在的质量问题，确定更加完善的方案，从而采取有效的优化措施。案例工程中表现为：建筑模型对结构板面标高、预留洞口等的优化统一，以及结构构件尺寸、建筑墙体位置和门窗洞口位置的优化。

同样，在设计过程中可以利用BIM平台技术模拟施工过程中的内容方法和应用措施，并基于水暖电综合模型，按照使用功能对建筑结构进行反优化，及时发现设计中不合理的情况，并修改设计方案，避免返工，提升建筑结构设计的质量、效率。

3.2 BIM在施工图设计阶段的应用

众所周知，施工图质量在一定程度上决定了施工质量，对工程建设的开展和工程品质的保证都很重要。在施工图设计阶段，BIM本身族库构件的数量、外观效果与实际工程存在差异，在项目施工图深度模型的搭建过程中，需对出图族进行二次深化加工（或者新建族），主要包括出图视图样板的建立、标注标记及显示的设置等，在保证图模一致的前提下，满足出图深度要求，过程中要注意以下几个方面：

1）建立项目BIM标准。首先，项目准备阶段需制定符合相关国家和行业标准的实施规则，明确项目的全部工作内容，根据项目实施的时间节点，制定项目各阶段进度计划安排。其次，在项目开展时，逐步深化项目的工作模式和后续交付、审查、使用标准，制定BIM实施标准。此外，根据专业划分的模型文件、图纸文件命名规则应规范合理、简洁通用，模型构件的名称应基本与现行规范的对象名称统一，名称关键词简洁适用。

2）软件平台兼容要求。各专业确定统一的BIM软件和版本。案例工程中：全专业模型软件主要采用Revit软件2016版，所有模型以此作为统一的软件平台；采用结构专业YJK软件计算结构，模型可转换为Revit格式，导入总体模型中进行综合；采用Fuzor软件输出轻量化三维模型，用于会议讨论、展示汇报等；采用Navisworks软件检测碰撞并汇总到专业问题报告中；应用Lumion软件制作效果展示输出文件，以达到比Revit软件渲染效果更亮丽鲜活的目标。

3）BIM用户的协同模式。BIM内部的配合采用链接与中心文件结合的方式：土建与设备专业间采用链接的协同模式，减少因多专业配合带来的人为操作失误；建筑与结构、设备内部专业采用中心文件协同模式，保证平行专业间信息传递的完整性和可调整性。此外，BIM模型构件应按不同专业、不同系统进行总体拆分，涵盖建筑、结构、水暖电等专业的BIM建模最小单元，完成BIM模型分解后的最小模型，案例工程采用专业、自然楼号、自然楼层来划分。

4）在施工、运维阶段的延伸。一方面，BIM技术通过施工模拟的动态模型，能够实时反映施工进度，通过对人工安排、材料消耗、机械配备和施工方法的实际情况与计划进行对比，及时将相关信息反馈给设计人员和管理人员，以便及时对相关内容进行调整；另一方面，BIM技术的应用能够对后续全程进行跟踪管理，对全部环节进行控制和管理。

4 BIM设计推广的难点

基于BIM的正向设计是设计行业未来的发展趋势和必然要求，但是在其发展推广的道路上存在尚未解决的问题，需要政府、行业和设计人员共同努力去解决。

4.1 结构计算功能劣势

目前，虽然Revit软件平台可以完美对接结构计算软件YJK，但仍无法实现基于Revit平台本身的直接结构计算功能，因此，Revit软件无法直接进行构件各种工况下力学性能的分析，只能在结构计算软件（如YJK、PKPM和Sap2000等）中进行结构分析，再转换为Revit格式导入平台中。这在一定程度上限制了全专业BIM协同的发展。

4.2 专业设计人员缺口

由于BIM软件本身比较复杂，在设计过程中，专业人员需具备全面且系统的BIM专业知识以及全专业设计知识和技能。对从业人员培养的要求相对较高，且需要大量实践和培训，因此符合要求的专业设计人员相对缺乏，在一定程度上限制了BIM的推广。

4.3 设计标准不统一

Revit软件在出图方面略有缺陷，在建筑专业大样图、剖面图出图过程中需要进行完善。如文字说明、标志和线形显示等。目前Revit软件尚不具备通用标准。

5 结语

随着计算机的飞速发展、BIM技术带来的革新、建筑行业的迅速发展和创新，基于BIM的设计也得到越来越多的重视，同时，政府推广力度持续加强、高校人才培养逐年增多、设计相关企业推动BIM团队组建等，一定能够推动设计行业的革命。