BIM技术在建筑结构设计中的应用研究

2022-05-11史艾嘉SHIAijia胡庆生HUQingsheng

价值工程 2022年17期

史艾嘉 SHI Ai-jia；胡庆生 HU Qing-sheng

（①江苏城乡建设职业学院，常州 213147；②悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司，苏州 215123）

0 引言

在以往的建筑结构设计过程当中，设计人员采用的设计方式通常是依靠CAD软件进行二维化的设计，这就导致建筑结构的问题很难在设计过程当中发现，进而影响建筑结构的设计质量。因此，只有借助更加优秀的BIM技术对建筑结构进行设计、检测与绘制，才能更好的保证建筑工程的整体质量。

1 BIM技术概述

1.1 BIM技术定义

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的简称，是一种由Autodesk公司在2002年提出，并且在业界获得了广泛认可的工程设计建造管理数据化工具，通过将建筑的数据化信息化模型进行整合，就可以在建筑的设计、施工、运行直到建筑全寿命周期的终结的整个过程当中将建筑的各种信息使用三维模型数据库进行表现、共享与传递，进而使建筑工程的设计人员、施工人员、运营单位与业主加强对建筑信息的了解，进而更好的实现工作的协同。

1.2 运用BIM技术进行建筑结构设计的优势

在建筑结构设计的过程当中，BIM可以以数字的形式将建筑结构的不同信息进行展现，不仅可以集成包含建筑使用材料、建筑使用性质、建筑结构空间关系等多种信息，更能够将建筑设计过程当中的信息进行数字化与模型化，从而使建筑结构设计人员能够更方便的进行资料的调阅；此外，BIM技术还能够对建筑工程的设计图纸进行有效的可视化转变。比如常见的CAD软件生成的建筑构件的二维图形，就可以借助BIM技术进行立体化呈现，从而使设计人员更好的进行建筑结构的设计与分析。

2 BIM技术在建筑结构设计中的作用

2.1 对建筑结构与场地进行分析

在建筑结构设计的过程当中，设计人员需要为建筑结构赋予多种实用的特点，比如稳固性、安全性等，如果这些特点无法在设计中体现，就很可能在建筑工程施工与建筑投入使用后形成安全隐患。而借助BIM技术。设计人员就可以充分的在设计阶段对建筑结构与建筑地点进行分析，并且进行模型的建立，随后通过对建筑结构模型的模拟施工来进行建筑结构设计方案的调整，直到确定最佳的施工方案。

2.2 对建筑结构性能进行分析

在对建筑结构进行设计的过程当中，设计人员需要做的不仅是将建筑结构的框架进行排列，更需要在保证建筑结构美观的同时使建筑结构有着良好的性能，而这也与建筑工程的质量要求不谋而合。在以往的建筑结构设计当中，分析建筑结构的性能需要耗费大量的人力物力，而且受到分析人员主观意识或注意力的影响，很可能导致结果存在偏差；而借助BIM技术，设计人员就可以充分的降低人力物力的消耗，避免误差的出现，从而保障建筑结构的性能。

2.3 使用三维建模构建结构模型

在建筑结构设计的过程当中，BIM技术所提供的三维模型还能够帮助设计人员对建筑结构的整体模型、部分模型与关联性结构模型进行构建。对于设计人员而言，建筑结构将会直接影响到建筑工程的整体质量，只有借助BIM技术将建筑结构进行可视化的构建，并对建筑结构的整体结构模型、部分结构模型与关联性结构模型进行全面的分析与探讨，才能更好的解决建筑结构的力学性能、成本、材料等方面的问题，从而保证建筑结构的质量稳定。

2.4 使建筑结构设计保持协调性

在建筑结构设计的过程当中，BIM技术的运用还能够使建筑结构的设计过程保持足够的协调性。在以往的建筑结构设计的过程当中，由于建筑结构设计这一工作牵涉到许多方面，因此往往需要多位不同专业领域的设计人员进行充分的设计与交流，而这就很容易在数据交流的过程当中出现信息混乱的问题；而借助BIM技术，设计人员可以通过统一的平台开展建筑工程的设计工作，并且借助中性数据库的存在避免设计者数据交流问题的产生，进而使建筑结构设计具有更好的协调性。

3 BIM技术在建筑结构设计中的应用难点

3.1 三维建模软件与二维视图的参数难以匹配

在使用BIM技术对建筑结构设计的过程当中，以BIM技术为基础的3D工具软件与以往的2D视图创建技术之间有着非常大的参数与模块参变量之间的差异，而这也成为了BIM技术在建筑结构设计当中的第一个应用难点。对于设计人员而言，即使是使用BIM技术对建筑结构进行三维设计，也需要注意在BIM三维软件与2D视图创建之间保持连贯，如果系统参数设计不正确，或2D工具与3D工具的参数不匹配，就很容易在设计中引发一连串的问题。

3.2 三维图形难以达成特殊结构模块的施工模拟

在对建筑结构进行设计的过程当中，设计人员有时需要设计一些特殊形式的建筑结构，而这就需要采用特定的模块对这些结构进行设计。但在运用BIM技术进行建筑结构的设计过程当中，使用3D图形与剖面视图很难呈现出理想的设计效果，更不用说对建筑结构进行模拟施工，因此许多的设计人员在遇到这些特殊的建筑结构设计时会选择改用2D工具进行绘图设计，从而导致BIM难以对特殊结构模块与2D设计方案进行读取，进而降低施工模拟的质量。

3.3 BIM技术的应用成本较高

在使用BIM技术进行建筑结构设计的过程当中，由于BIM这一技术的特殊性，导致建筑施工单位需要在这方面产生相当高的成本投入，除了需要购买对应的设备与引进相关技术之外，建筑施工单位还需要对设计人员进行BIM技术方面的培训，进而导致建筑设计的成本大幅提升。此外，在BIM设备使用的过程当中，对设备的升级更新以及设备故障的修理都属于额外的支出项，而这就导致BIM技术应用成本成为了影响BIM建筑结构设计的主要问题之一。

4 工程实例应用分析

本工程以常州市疾病预防控制中心检验检测大楼（1号楼与2号楼）项目为依托，使用Revit软件创建项目结构BIM模型，并将结构模型导入盈建科软件进行结构受力分析，绘制三维钢筋，并出BIM结构施工图。

4.1 针对建筑项目建立项目样板

在使用BIM技术建筑结构设计的过程当中，设计人员首先要做的就是针对建筑项目设立相应的项目样板。作为建筑结构设计的基础，项目样板包含经过标准化处理的线型、字体、符号与表达方式，这不仅能够在一定程度上提升建筑结构的设计速度，更能够在减少设计过程当中的重复工作的同时，逐渐形成符合当地实际情况的建筑设计标准，进而为其他建筑工程的设计提供良好的指导作用。

4.2 BIM结构分析

在项目样板文件中，运用Revit软件创建检测大楼BIM结构模型，如图1所示。一般来说，结构构件大致可以分为基础、柱、梁、剪力墙、楼板等多种不同的类型。BIM结构模型创建完成后，通过相应插件将BIM模型导入到盈建科结构分析软件中，各构件模型参数要满足持久和抗震工况的参数要求，即可对模型进行结构受力分析。

图1 全楼BIM模型

以本项目2号楼为例，该工程为框架剪力墙结构，楼层总数为12层，建筑设计使用年限为50年，将2号楼BIM模型（如图2），通过相关转换接口技术，导入盈建科结构分析软件，生成结构计算分析模型（如图3），其控制参数信息表如表1所示。

表1 控制参数信息表

图2 BIM结构模型

图3 盈建科结构分析模型

通过盈建科结构分析软件计算考虑3个周期，得到各振型周期计算结果如表2所示，图4，图5，图6所示。

表2 各振型振动周期

图4 一振型振动周期

图5 二振型振动周期

图6 三振型振动周期

地震作用规定水平力下的最大位移表位移信息（取前6层为例）如表3所示。

表3 位移信息

将此计算结果与盈建科软件单独建立结构模型的分析数据对比发现，其计算结果虽有误差，但保持在合理范围内，确保了结构的安全、可靠性，证明了运用BIM技术在结构设计中的可行性。通过BIM技术，可将结构分析数据反馈至BIM模型中，当修改BIM模型时，可实现结构分析信息与BIM模型的联动修改，避免多次重复建模，大大提高工作效率。

4.3 BIM钢筋建模

运用BIM技术可对整个项目或者指定部位创建结构的三维钢筋，一般来说，设计人员可以先通过插件方式来创建钢筋模型，再通过手动调节方式，对钢筋模型进行优化，如图7所示为该检测大楼地下车库钢筋模型。三维可视化钢筋模型可直观展示钢筋的布置方式和布置位置，方便设计人员与施工人员查看。同时，在空间关系较为复杂的局部节点创建局部钢筋BIM剖切模型，可避免在整体模型中大范围拖动查看带来的频繁操作，大大提高工作效率。

图7 地下车库钢筋BIM模型

4.4 生成BIM结构平法施工图

在使用BIM对建筑结构进行设计的最后一步，就是将BIM软件当中的3D建筑结构模型转换成为建筑施工过程当中常用的2D平面版式的设计图纸。在此过程当中，设计人员需要将3D建模当中的关键数据与核心信息进行充分的提取，并且在平面版式的设计图当中进行多个角度的展示，同时采取特殊的符号进行标注，确保施工图面信息与模型信息保持一致，以便施工人员能够更好更快的读懂建筑结构的设计图纸，从而满足建筑工程的施工时间与施工质量的要求。