探析建筑结构设计中BIM技术的应用

李家公 赵连峰

（1.重庆长厦安基建筑设计有限公司济南分公司，山东 济南 250000；2.上海原构设计咨询有限公司济南分公司，山东 济南 250000）

在建筑工程全生命周期中，建筑结构设计是十分重要的内容，在以往的建筑结构设计中，一般依靠CAD软件进行二维设计，很难实现立体化以及协同化，同时也无法对结构设计方案进行分析，找出结构设计中的不足，在后续施工中，可能出现与设计方案不符的问题，影响施工质量，同时造成成本增加。通过将BIM技术应用于建筑结构设计中，采用BIM技术建模，并开展协同设计、碰撞检测，可对结构设计方案进行优化调整，提升建筑结构设计质量。因此，对BIM技术在建筑结构设计中的不足进行详细探究迫在眉睫。

1 BIM技术概述

从20世纪90年代开始，我国大力推广应用CAD技术，转变了以往手工绘图设计方式的弊端，可有效减轻设计人员劳动强度，避免反复开展设计计算。21世纪后，建筑结构种类以及构造形式均发生较大变化，建筑结构设计方案二维表达方式暴露出诸多局限性，而BIM技术能够为建筑工程结构设计、施工以及管理提供新思路。BIM技术即为建筑信息模型，是建筑行业信息化发展的重要体现。在建筑工程设计中，结构设计是十分重要的内容，而传统的结构设计方式很难满足当前的设计需要，因此，BIM技术在建筑结构设计中的应用前景比较好。

对于建筑工程结构设计流程，可划分为四个阶段，包括建筑工程方案设计、结构设计、施工图绘制以及碰撞检测，如果应用CAD技术进行二维设计，则上述四个设计阶段相互独立，无法协调配合。在基于CAD技术开展建筑结构设计时，需将点、线、面作为基础，无法承载建筑结构的各类复杂属性，包括构件材料、空间位置、混凝土保护层等，对此，设计参与方需将二维图纸作为基础，据此创建三维空间模型，同时，对于各类视图，需采用手绘方式进行绘制，所需时间比较长，同时容易出现偏差，后续修改难度比较大，导致建筑结构设计周期过长，甚至对后续施工造成不良影响[1]。对此，可应用BIM技术，其在建筑结构设计中所体现的重要作用如下：

（1）共享性。在建筑工程结构设计中应用BIM技术，可采用信息化方式避免传统设计中信息共享难度较大的问题，引导各方进行协同设计。由于BIM技术可提供信息共享功能，因此，便于对结构设计各项参数进行调整，提升建筑结构设计效率。

（2）可视化。在建筑结构设计中应用BIM技术，可以立体化方式展现出结构设计方案，便于设计人员对结构设计单元进行全面细致的检查，同时，对于各类管道也可进行跟踪观察，及时发现安全隐患，并尽快改善。

（3）模拟性。利用BIM技术可创建建筑工程三维模型，同时还可对各类结构进行预处理，对各类结构单位相关数据进行验算分析，提前检查施工环节中所存在的各类不足，同时对关键施工供需进行模拟，并且渲染施工效果，创建完善的组织框架。

（4）协调性。与传统的CAD技术相比，BIM技术可实现建筑结构设计可视化，同时还能够以动态化形式展示出建筑工程三维模型的创建过程，便于设计人员对结构设计方案进行检查和优化调整，同时，各个部门还可将工程相关数据输入BIM软件中，提升协调管理水平。

2 建筑工程结构设计中的BIM应用

2.1 控制设计过程

建筑工程建设周期比较长，在施工前，首先需制定完善的施工规划方案，为施工环节提供指导。在建筑工程设计方案中，如果存在偏差，则会对后续施工的顺利开展以及施工质量控制造成不良影响。对此，很多企业对于BIM技术的关注度逐渐提升，将BIM技术应用于建筑工程结构设计以及施工管理中，可对项目建设全过程进行监控管理。另外，结合各项参数创建数据库，并反映到建筑工程BIM模型中，通过应用可视化系统，即可对各项参数进行调整，提升建筑结构设计的科学性和合理性[2]。

2.2 制作三维模型

在BIM技术的实际应用中，可将信息技术作为基础，采用各类软件对建筑工程各项技术参数进行合理设定和调整。在此过程中，可利用BIM技术创建建筑工程三维模型，设计人员查看三维模型，即可了解到建筑工程结构布局以及局部特征，对各类数据参数进行修改。建筑工程整体结构可以三维立体形式展示在计算机中，设计人员通过计算机即可查看三维模型，并且根据设计要求对模型中的数据进行修改，同时查看建筑工程各项功能。

与传统的建筑工程结构设计方案审核相比，通过利用BIM技术创建三维模型，可对建筑结构设计中的各项细节进行分析。比如，在确定建筑工程中某个结构的受力情况时，可在BIM三维模型的基础上对受力参数进行计算，同时还可对建筑工程地基结构的承载力进行计算。建筑工程建设高度不断增加，结构复杂程度也显著提升，在建筑结构设计中，为详细了解建筑整体和各结构的受力情况，可引入BIM技术，放大三维模型，对建筑整体结构进行分解，便于对结构设计方案进行审核。

2.3 运用BIM技术深化设计

在建筑工程结构设计中，设计人员首先构思设计方案，为结构设计提供良好条件，在后续设计中，均应当将构思作为基础。在BIM系统应用前，无法对各类构思展开实践验证，为了能够对设计构思基础上所产生的设计方案进行验证，并且选择最优方案，可利用相关软件完成，对此，可应用BIM相关的各类软件创建建筑模型，在选择设计方案后展开优化设计，与传统设计方法相比可行性比较高。另外，在建筑结构设计中，可充分利用BIM技术的各项功能，比如建筑结构性能模拟功能、参数设计功能等，同时，可在可视化条件下对建筑结构进行演示分析，参建单位可在BIM系统的支持下沟通交流，提升建筑工程设计计划方案的可行性[3]。建筑结构深化设计中，BIM技术的作用如下。

2.3.1 协同设计

基于BIM技术开展系统设计，可发挥信息共享功能，便于各方沟通交流，保证信息传递的高效性，促进设计效率的提升，避免在协同设计中重复劳动。比如，Revit软件可提供两种协同模式，其应用范围有所不同：第一，工作集协同。如果多名设计人员需与在同一时间编辑同一模型，则可应用工作集协同。在这一模式的实际应用中，首先需创建中心文件，设计人员在此基础上编辑本地文件，然后再传递至文件中心中，将工作成果与中心文件相匹配，对于中心文件的内容，也可下载至本地。在工作集协同作用下，可保证个人模型和中心模型的同步性，促进本地和云端信息传递效率的提升。另外，相关工作人员也可对各类文件进行实时更新，或者选择上传文件、下载文件，保证文件的安全性。但是，在工作集协同中，对于网络条件、硬件设备以及数据安全管理的要求比较高。第二，链接协同。在这一模式的实际应用中，所有设计人员独立编辑模型，如果有需要，可链接其他模型，同时将其他模型作为参照创建自身模型，或者与其他模型对比分析。链接协同存在一定的弊端，即无法编辑他人的模型，因此，实时性比较差。

2.3.2 碰撞检测

在利用BIM技术开展建筑工程结构设计时，各专业模型创建完成后，可利用软件技术对模型中的各类构件进行碰撞检测，判断各类专业之间是否有冲突，比如结构设计与机电设备安装位置之间是否有冲突、建筑结构与管线排布净高是否有冲突等。在Revit环境中，要求应用碰撞检测软件，对于Revit中的结构模型以及机电模型等，均可导入至Navisworks软件中，首先设定碰撞检测的判断条件，然后开展各类主体模型的自由选择碰撞检测，最后根据检测结果绘制检测报告。对于建筑结构设计模型、机电设计模型等，均可进行碰撞检测，进而发现建筑结构设计中各类专业设计之间所存在的冲突，据此对建筑工程结构设计方案进行优化调整，避免在后续施工中不同专业之间产生冲突，提升施工效率。

2.3.3 平法施工图绘制

在建筑结构图纸设计中应用BIM技术，可创建建筑工程三维模型，获取大量专业的信息数据，为图纸设计提供大量数据资料。BIM技术具有可视化特征，在可视化条件下设计图纸，可提升图纸的立体感以及层次感，因此，与传统的二维图纸相比，BIM技术的优势显著。在BIM可视化技术的设计应用中，设计人员首先创建建筑三维模型，然后对设计方案进行调整，优化细节设计，对建筑工程整体结构进行观察分析。即使建筑工程建设规模比较大，也可利用BIM技术对设计方案中的各项细节进行仔细观察，避免在后续施工中出现各类风险。

2.4 开展虚拟施工

在建筑工程施工中存在很多影响因素，建筑结构设计方案与实际施工之间存在较多偏差，可能会对项目建设的顺利完成以及施工质量控制造成不良影响。BIM技术具有可视化特征，通过利用BIM技术创建建筑工程三维模型，要求确定项目设计目标和要求、项目建设、管理运行等，便于各方参与建筑结构设计中相互讨论协调。为了能够判断工程结构设计效果，判断是否会对后续施工造成不良影响，或者产生设计变更，可利用BIM技术对施工环节进行模拟分析，找出建筑工程结构设计中的不足，并进行调整，保证与后续施工相匹配。在虚拟施工中，可利用BIM技术的可视化功能，采用计算机技术对施工环节进行合理预测，同时结合虚拟现实功能、参数设计功能等，全面展示出施工环境，便于进行细致化检查，找出实际施工中可能存在的问题。另外，通过对建筑工程施工环节进行模拟分析，还可对管道设计、线路设计提供参考，与实际施工相对比，合理规避施工环节的各类质量隐患[4]。

3 建筑结构设计中BIM技术的应用实例

3.1 工程概况

本文选择某高层住宅建筑工程作为研究对象，对BIM技术在建筑工程结构设计中的应用方式进行分析。该住宅建筑工程总体高度为98.6m，其中，地上34层，该建筑工程长度为45m，宽度为17.7m，层高达到2.9m。根据该建筑工程建设要求，采用全落地剪力墙结构设计方案，各项设计参数如表1所示。该建筑工程体量较大，而传统结构设计方案已无法满足实际需要，综合考虑项目设计要求以及施工技术条件，选用BIM技术进行建筑结构设计。

表1 建筑结构设计参数

3.2 构建BIM模型

在该住宅工程结构设计中，采用BIM技术，并应用CBIMS标准以及Revit-Structure软件。在BIM模型创建中，第一层以及屋面层比较特殊，而其余均为标准层，模型创建流程如下：新建项目→创建轴网→创建楼层标高→添加结构柱→添加混凝土楼板→添加基础[5]。

3.3 优化建筑结构设计方案

通过应用BIM技术创建建筑工程三维模型，有利于对建筑结构设计方案进行优化调整，提升建筑工程安全性、经济性以及舒适性。关键设计环节如下：

（1）碰撞检测分析。在建筑结构设计中，Revit的各类文件均可链入多个Revit模型，将各类专业相整合，据此进行碰撞检测。在该项目结构设计中，采用Revit链接、碰撞分析功能，对结构模型以及机电模型设计效果进行检查，根据碰撞检查结果制定冲突报告，为不同专业设计人员设计调整提供参考。通过对碰撞冲突检测报告进行分析，在该项目结构设计中，水电井间梁的宽度比较大，可能会对电井造成不良影响；在上部剪力墙设计中，没有综合考虑首层入口开门的实际需要。对此，可图元ID对图元位置进行自动化定位，然后结合实际需要进行修改；刷新界面，并开展二次检测，判断是否解决冲突问题。

（2）材料统计。利用BIM技术创建建筑工程结构模型，可发挥“材质提取”功能，对不同对象的材质用量进行统计分析。比如，通过创建BIM结构模型，即可自动化生成混凝土用量；在“管理”选项中，可填写成本信息、制造商信息等，确定预算。根据建设单位要求，对于该建筑工程剪力墙边缘构件、梁的箍筋，均采用HPB235级钢筋，强度设计值为210N/m2，如果构件受力比较大，则可采用Φ10mm钢筋或者Φ12mm钢筋。另外，通过市场调查发现，Φ10mmHPB235钢筋与三级钢HRB400钢筋的价格大致相同，在该项目设计中，采用Revit对钢筋用量进行统计，同时对钢筋采购成本进行计算。根据计算分析，如果采用Φ10mm及以上的HPB235级钢筋，可直接更换为三级钢，可显著降低钢筋应用成本。在制定配筋方案后，即可绘制施工图。

4 结语

本文结合实例，对BIM技术在建筑工程结构设计中的应用方式进行了详细探究。在工程项目建设中，结构设计是十分重要的内容，结构设计的合理性会对建筑工程施工的可行性、经济性产生较大影响。对此，可将BIM技术应用于建筑工程结构设计中，创建建筑工程三维模型，对不同专业设计方案进行检测分析，对各项设计参数进行调整，提升建筑工程结构设计效率，对施工成本进行严格控制，同时为实际施工提供指导。