基于BIM技术的结构施工图设计应用

2021-04-12王子俊林紫茹

土木建筑工程信息技术 2021年1期

刘俊王子俊林紫茹胡笳王磊

(1.上海理工大学土木系，上海 200093； 2.北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045； 3.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

1 BIM技术应用现状

三维技术在石化、电力、机械等行业较为成熟的应用是到施工图阶段。在石化、电力行业，三维技术主要解决的是管线众多导致的碰撞问题，同时达到建设材料零库存，有效精确控制投资规模。在机械行业，三维技术实现了设计与数控机床无缝衔接，达到设计和生产一体化[1-2]。BIM的定义由三部分组成，BIM是一个建设项目物理和功能特性的数字表达； BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息、为该设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业[3-5]。目前建筑和机电专业能使用BIM工具软件较好地完成施工图设计[6]。

但结构专业由于需要计算分析模型，同时结构施工图是通过“平法”表示，而目前BIM工具软件不具备该功能，因此处理好计算模型和“平法”表示，是实现基于BIM技术做结构施工图的前提[7]。在建筑工程BIM模型自动转换方面，已有学者进行了相关研究，实现了基于IFC标准模型自动生成ETABS、SPA和MIDAS等结构计算模型的功能[8-9]。

2 基于Revit平台的三维协同设计

2.1 Revit平台的协同设计应用

Revit是Autodesk公司一套系列软件的名称。Revit系列软件是为建筑信息模型(BIM)构建的，可帮助建筑设计师设计、建造和维护质量更好、能效更高的建筑。Revit是我国建筑业BIM体系中使用最广泛的软件之一。在Revit模型中，所有的图纸、二维视图和三维视图以及明细表都是同一个基本建筑模型数据库的信息表现形式。在图纸视图和明细表视图中操作时，Revit软件将收集有关建筑项目的信息，并在项目的其他所有表现形式中协调该信息，即二维图形和三维图形联动[10]。

在Revit中进行多专业协同设计时，可以利用软件提供的一系列协同机制实现在同一平台上的共同工作，各专业的最新工作成果可以直接反应在集成后的模型中，共享给其他专业参考。与二维工作模式相比，协同工作简化了繁琐的对图环节，实现了各专业工作的实时同步，从而即时暴露并解决问题，减少设计中的错漏碰缺[11]。因此，工作实时同步是三维协同设计较常规二维设计的最大优势。

2.2 结构专业协同设计流程

参照建筑的Revit模型，建立结构的Revit模型。对于复杂结构，相比以平面图为基础建模，可以直观的掌握具体空间关系，防止结构布置的不合理；所建模型可以转换成计算分析模型，与传统结构设计流程相比，未增加建模工作量的同时，提高了模型的准确性。同时为建筑和机电的设计提供了可参照的结构模型，提高了各专业协同设计的效率。

与常规设计流程相比，结构专业在进行三维协同设计时，主要需要处理以下三方面的额外工作，一是处理好与建筑专业的交界面，例如需要与建筑专业约定到竖向构件的归属，如果属于结构范围，那么建筑面层需要单独建立并附加在墙柱表面。另一方面是处理好与结构计算软件的同步，目前已经有几款商用结构工具软件能够实现结构计算软件与Revit软件的对接，该部分将在下一章详细介绍。总体来说，工具软件能够简化一部分结构计算模型与Revit模型之间的重复建模工作，但不能完全消除两类软件之间的数据鸿沟，因此难以避免需要同时维护结构的三套数据表达，即计算分析表达，Revit三维表达和施工图二维表达。第三方面是在Revit中绘制施工图，Revit与CAD软件的底层驱动模式不同，没有图层的概念，主要依赖于族和构件来控制不同类型的视图表达，较为繁琐，这部分工作目前也可以依靠工具软件来简化工作量，在下节中叙述。

3 BIM技术在施工图设计阶段的应用研究

3.1 平法

建筑结构施工图平面整体设计方法，即行业内称为平法表示法，是我国目前混凝土结构施工图设计的表示方法。平法的表示形式，概括来讲，是把结构构件的尺寸和配筋等，按照平面整体表示方法制图规则，整体直接表达在各类构件的结构平面布置图上，再与标准构造详图配合，即构成一套新型完整的结构设计图。结构施工图平法的核心是表达钢筋信息，在平面布置图上有平面注写方式、列表注写方式和截面注写方式三种。

Revit实现平法表达的过程，是将构件具体的钢筋信息通过平法符号族进行表达的过程。平法符号族能与构件具体钢筋信息形成关联，实现信息表达联动[12]。实现Revit平法表达能让图纸表达更为简洁，降低对电脑性能的要求，同时也与现有设计施工人员的习惯相对接，利于实际应用。

3.2 基于Revit的结构施工图设计软件特点比较

YJK建筑结构设计软件系统是一套全新的集成化建筑结构辅助设计系统，功能包括结构建模、上部结构计算、基础设计、砌体结构设计、施工图设计和接口软件六大方面。结构施工图设计软件可进行钢筋混凝土结构的楼板、梁、柱、剪力墙、楼梯、基础的结构施工图辅助设计。它接力其它YJK软件的建模和计算结果，自动选配钢筋和进行施工图设计。软件按照2011年9月发布的国家建筑标准设计图集11G101《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》自动绘制施工图纸，钢筋修改等操作均在平法图上进行。

REVIT-YJKS产品主要分为结构模型、计算信息、施工图三个部分的内容，实现了Revit和YJK在模型几何定位、结构计算信息、构件钢筋信息、施工图绘制以及三维实体钢筋的数据传递和共享。

探索者结构三维施工图软件TSPT for Revit是为结构专业开发的三维平台自动生成施工图软件。软件通过读取计算分析软件的结果，自动在Revit上生成结构施工图，并通过关联关系，实现了关联修改效率的最大化。

广厦结构BIM正向设计系统GSRevit是基于Revit平台进行二次开发的结构计算软件，可直接针对Revit模型进行荷载输入、总信息输入，通过调用结构计算模块和施工图生成模块完成相关设计计算工作并将结果快速导入Revit平台[13]。

相对于探索者TSPT需要读取外部数据，Revit-YJK与YJK只需内部数据传递，数据更为稳定。而且Revit-YJK和YJK为同一平台产品，对设计人员而言，使用上也更加习惯。广厦GSRevit虽实现了结构设计施工图一体化，但针对复杂结构，人工可干预程度较Revit-YJK偏低。因此，在工程案例中模型转换时采用了Revit-YJK。

3.3 基于BIM技术的结构设计流程

随着BIM技术在结构设计中的不断应用，依次出现以下三种BIM结构设计方式。

1)在Revit平台上，基于建筑模型直接建立结构模型，然后通过接口导出结构计算模型。之后分别维护Revit模型和结构计算模型。该方法能够较高效的得到精确的三维结构模型，并且可与各专业进行协同设计，并可直接通过Revit生成结构模板图，但由于Revit模型和结构计算模型没有产生关联，所以构件配筋信息不能传递到Revit平台，因此在Revit平台出不了配筋图。

2)在结构计算平台上，直接建立结构计算模型，经结构计算后，将结构模型和配筋信息导入到Revit平台中，能够生成模板图和施工图。但由于结构建模时无法如方式一参照建筑模型，所以模型精度较难保证。

3)首先建立Revit建筑模型，然后基于Revit建筑模型用Revit-YJK建立结构模型。将结构模型导入到YJK进行结构设计，并用YJK生成施工图。再将带钢筋参数的结构模型导入Revit-YJK，并关联模型(关联后的结构模型可根据建筑、机电提资进行修改)，最终生成Revit平台的结构施工图。

3.4 基于BIM技术结构设计的优缺点

目前在进行基于BIM技术的结构设计时，主要采用3.3节中的第三种方式。但在具体结构模型建立时，又细分为两种方法。

1)将建筑、结构、机电各专业模型建立在同一个模型中，相对二维设计建模而言，该方法的优点是模型精度极高，和真实建筑几乎完全一致。但其缺点是在自动生成施工图时，由于共用一个模型，很难将各专业构件分别分开出图。

2)将建筑、结构、机电各专业模型分开建立，相互参照。该方法的特点是在生成施工图时，能够快速便捷的以各专业成图习惯生成各专业施工图。

两种方法在模型体量较大时，都会对计算机性能提出较高要求。目前的解决方案是将建筑拆分为若干层，将各个层建立为独立模型，最终通过参照组合在一起。但该方法的缺点是，如果需要将模型导入计算软件进行计算分析时，该方法对建立的组合模型是不可行的。

4 工程案例

4.1 工程背景

本项目位于南昌新建区长堎镇红湾公路南侧，规划一路东侧，礼贤北路北侧。项目用地面积为39，852m2。拟建项目将包括两座202m的超高层塔楼以及2层高商业裙楼，共提供约144 900m2地上建筑面积，主要包括办公空间、酒店、商业。地下总建筑面积约6 168m2，典型地下室两层。地下室为办公空间、酒店和设备空间。本文针对3A5商业小楼进行了结构施工图BIM正向设计。

4.2 设计过程

首先，基于Revit建立了建筑模型(见图1)，并基于建筑模型建立了Revit结构模型(见图2)。本文采用的是将各专业分开建模的方法，方便后续施工图生成。对于复杂建筑，该建模方法在多专业配合时仍需相互参照，较为不便。

图1 Revit建筑模型

图2 Revit结构模型

由于本文在Revit中采用的是整体建模方式，因此可将结构模型导入结构计算软件进行结构计算分析，结构计算模型见图3。对于大型建筑，该建模方式对电脑的性能要求极高，较难满足。需注意，目前从Revit平台导入结构计算平台的结构模型是不具有标准层概念的，这对于结构计算模型的荷载加载和调整将增加较大工作量。基于施工图模块，针对计算结果进行调整修改并生成平法施工图，部分施工图见图4。

图3 结构计算模型

图4 结构计算软件生成二层梁配筋

将平法施工图文件导入Revit-YJK，形成了BIM施工图，部分施工图见图5、图6。在生成结构施工图的过程中，虽能通过人工干预，对具体计算结果及图纸内容进行调整，但干预程度仍较低。如按平法施工图进行梁配筋时，梁的布置和跨数的确定，软件更多的是基于计算结果而非结构工程师的意图，导致了一定量的后期调整工作，降低了设计效率。