建筑信息模型技术在建筑结构设计中的应用探究

2022-12-11刘晓峰

工程与建设 2022年5期

刘晓峰

(深圳市一方建筑设计有限公司，广东东莞 523000)

0 引言

在深化建筑结构的设计中发现，BIM技术即建筑信息模型技术在此项工作中发挥了其他技术所无法代替的优势。我国在2002年首次引进此项技术，并将此项技术应用到了建筑产业协同发展与建设工作中，在此后的一段时间内，建筑科研单位持续进行了建筑信息模型技术的推广应用，成功实现了对国内建筑产业的转型，解决了建筑结构在设计中存在的碰撞、协同性差等问题[1]。但从此项技术的应用现状可以看出，建筑信息模型技术的应用也出现了一些问题，这些问题在一定程度上影响并抑制了产业在市场内的协同发展[2]。因此，本文将基于技术的协同设计理念，开展建筑结构设计方法的全面优化设计研究。

1 基于建筑信息模型技术的建筑协同设计理论分析

在2000年，英国某建筑领域研究学者首次在学术文章中发表了建筑结构的设计会影响到建筑行业的建设与发展成本，当结构设计存在不合理等问题时，建筑的设计、施工与后续成本将呈现增加趋势，通过大量的仿真实验与实践检测，不合理的建筑结构会使工程建设项目增加约30%的成本[3]。相关理论在建筑市场内甫一提出，便受到了诸多研究人员的关注，继而在2004年，美国在完成了相关研究后指出，某建筑结构设计软件由于操作不当、未经过技术检验出现了数据交换问题，这一问题造成的经济损失达到了150亿美元。

在这一背景下，建筑信息模型技术被提出，并成功进入专业人员研究范畴中，可以将此项技术作为一个基于三维模型的建筑设计技术。此项技术不仅集成了建筑全周期生命信息，实现了在建筑工程项目设计阶段对多渠道获取数据的集成与虚拟化设计，也解决了传统设计工作存在的交互困难、表达能力差、重复作业量大、专业冲突等问题[4]。为了全面解决建筑结构在设计中存在的不合理问题，应加大在建筑结构设计中的建筑信息模型技术协同作业。

传统的协同设计主要以二维平面设计为主，在进行不同单元设计时，会根据不同区域的设计需求不同，选择与专业对应的设计软件进行专业设计工作，并在此过程中将AutoCAD作为结构设计图像主要绘制工具，采用操作工具等方式，进行二维平面图纸的绘制，实现将不同专业的设计成果以二维图纸的方式展示或呈现。尽管此种设计方法基于理论层面分析是具有一定可行性的，但却无法实现在专业设计过程中，对各个设计单元之间的交互与信息共享[5]。尤其在某个设计单元出现技术变更或图纸变更时，会由于设计单元之间缺少有效的沟通，导致设计变更信息无法被及时传递，此种问题最终会导致设计施工成果出现返工或设计冲突现象。

在对我国建筑行业的深化研究中发现，超过80%的建筑设计方仍在以二维图纸作为主要交付方式，也正因如此，导致我国建筑结构设计工作无法实现全过程动态化与智能化。

尽管建筑信息模型技术为建筑领域的建设与发展指示了全新的方向，但由于三维可视化技术需要完整的建筑信息结构模型作为支撑[6]。因此，有必要在开展建筑结构设计工作时，将此项技术与建筑协同设计理论进行对接与融合，通过三维技术与建筑信息模型技术，构建结构模型，并采用获取建筑结构物理特性信息、材料信息、力学参数信息等方式，生成一个可及时编辑的建筑结构平面图与剖面图，保证设计成果在发生变更后，可以及时根据需求，进行信息的交互与共享，保证多个参与方及时参与到设计工作中，实现建筑结构设计的全面协同。

2 建筑信息模型技术在建筑结构设计中的运用

2.1 构建建筑BIM结构模型

针对现实中的建筑结构进行模拟生成模型，利用模型可以实现对建筑结构设计的一般规律的探索，并实现对其进一步分析，达到掌握现实建筑结构特性的目的。在对建筑结构进行设计时，引入BIM技术，利用构建的BIM模型将现实建筑结构转变为计算机当中三维呈现的力图模型，针对BIM结构模型的构建即可看作对建筑结构模型的基本构建，二者在结构本质上是相同的[7]。建筑BIM结构模型的构建流程如图1所示。

图1 建筑BIM结构模型构建流程图

为了方便论述，选择以某别墅建筑为例。已知该别墅的层数为3层，属于独立别墅类型，栋数较多，且户型相对简单，每栋建筑的面积为300 m2左右，包含地上两层和地下一层。已知该别墅建筑的基础结构采用独立基础，尽管在建筑当中包含了数量较多的结构部件，但重复的构件众多[8]。在明确该别墅建筑的基本结构后，引入建筑信息模型技术，在确保各项专业工作相互协调的基础上，完成对建筑BIM结构模型的构建。具体操作过程中，利用建筑信息模型技术，通过共享参数的方式对各个结构构件的标注族和标签族进行创建，并以此实现对各个结构全过程平法表示。在进行上述操作时，应用Revit软件完成。

2.2 基于建筑信息模型技术的平法施工图绘制

按照上述建模步骤建立一个建筑结构设计对象的模型，模型当中包含了建筑的基础构件、梁构件、板构件和柱构件。在利用建筑信息模型技术绘制平法施工图时，所有设计者都需要遵循平法施工图设计规范，将其作为重要前提，实现对共享参数和标签族的创建。图2为某建筑结构设计中梁构件的标签族和在平法施工图中应用的示意图。

图2 某建筑结构设计中梁构件的标签族和在平法施工图中应用的示意图

在Revit软件当中创建一个全新的项目，选择菜单栏中的“管理”选项，并点击下方“共享参数”指令。在弹出的“编辑共享参数”窗口当中创建全新的指令，创建共享参数和新建组，在之后的创建参数窗口当中完成参数共享，此时完成了对建筑结构平法共享参数的创建。按照上述流程创建的共享参数具备良好的协调性，在后期对设计方案更改时，只需要修改一处，其他位置的参数也会随之发生改变，以此实现基于建筑信息模型技术的参数协调控制。

在Revit软件当中完成对共享参数的创建后，针对标签族进行创建。在Revit软件当中，结构柱定位图以及建筑梁平法配筋图当中都可以添加建立的标签族。通过对建筑结构BIM模型和族文件的编制，从Revit软件中设计出对应建筑结构以及相关详图的平法施工图描述。针对生成的结果可以利用二维CAD对其进行表达。在结合建筑信息模型技术的基础上，得到建筑结构平法施工图，利用该施工图实现对施工设计的管理，促进设计效率的提升。在Revit软件当中创建的结构平法施工图中可以看出，在施工图当中包含了多项建筑结构信息，若实际应用的建筑项目结构简单，则可以实现对建筑结构信息的快速运用，以此提升设计工作的效率。

2.3 确定建筑IFC空间结构关系

为了确保后续各项工作的开展具备更标准的依据，从而实现各个专业参与方的衔接，以建筑信息模型技术作为基础，在BIM平台上开展各项工作，以此减少由于数据交换的不协调和数据丢失造成的严重后果。建筑IFC空间结构关系，如图3所示。

图3 建筑IFC空间结构关系图

由于IFC标准本身具备一定的开放性，且阅读性更面向于大众群体，因此任何人都能够使用和查找，方便建筑项目各个参与方使用。同时，IFC标准当前主要应用在工业建筑领域和民用建筑领域当中，因此将IFC标准作为建筑结构BIM软件与第三方交换软件的连接条件具备极高可行性，并且IFC标准本身是针对数据交换设计而来的，因此将IFC标准应用到其他软件当中也能够进一步提高数据资源的利用价值。在制定IFC标准时，结合集成嵌套的关系，将建筑结构当中的构件信息、楼层信息、建筑物信息等相互结构，并构成一套具备系统性的框架结构。在IFC标准当中，嵌套规则是核心，通过嵌套的方式对各个建筑结构实体进行定义。建筑IFC空间结构中共包含了场地层次、建筑层次、楼层层次和空间层次等四个不同层次结构，从这一点可以看出IFC标准遵循的是一般层次结构关系。建筑项目当中包含着多个场地，而场地当中又包含了多个建筑，建筑整体又是由多个楼层组成的，各个楼层又可以看作由梁板柱和各个构件组成的。按照这一标准，将其作为设计的思路完成对建筑结构的设计。

2.4 建筑结构设计内容标准信息描述

将建筑机构设计内容标准信息划分为四个基本层次，从高到低依次为领域层、共享层、核心层和资源层。将具有相似性的工程信息汇总在同一个模块的同一层当中完成描述。在上述基于IFC标准的基础上，对设计内容的标准信息进行描述时，不得出现越级情况，例如资源层不得使用领域层当中的信息对设计内容进行描述。通过这一描述规定的设置能够有效避免结构改动时造成混乱的问题。针对各个层级的具体信息描述内容设置，在领域层当中包含着其他各个领域的所有信息；在共享层当中包含了不同专业下需要完成交换的信息；在资源层当中包含了最基础的建筑结构信息，例如几何信息、材料信息等。在实际对建筑结构设计内容进行描述时，应当结合设计需要，从对应层次领域当中挑选出符合描述规定的信息，并将其汇总构成一个完整的建筑结构设计内容标准描述信息。

3 对比分析

为证明设计的方法可行，下述将通过对比实验的方式，对基于建筑信息模型技术的结构设计方法进行检验。在设计研究前，应先进行建筑设计概况的描述，具体内容见表1。

表1 建筑设计概况的描述

完成对建筑设计基础信息与概况的描述后，使用本文设计方法与传统设计方法，对建筑结构进行设计，对比两种方法设计后的综合性能。对比结果见表2。

表2 本文设计方法与传统设计方法实际应用效果

从上述对比结果可以看出，使用本文设计方法进行建筑结构的综合设计，可以降低设计成果的造价、缩短建筑工程施工工期、减少设计变更行为的发生次数、控制施工中的管线碰撞次数、避免建筑项目后续施工出现风险，从而提高建筑工程项目的综合性能指标。综上可知，本次提出的建筑结构设计方法在引进建筑信息模型技术后，具有了更加显著的优势，可以全面或彻底解决传统设计技术存在的不足与短板。