BIM技术在现代建筑工程结构设计中的应用研究

刘 威

传统建筑工程结构设计多以图纸形式展示建筑模型，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术突破了此种局限，其使用三维数字技术将建筑信息模型立体化呈现出来，同时建筑工程的各项参数信息与细节也直观可见。不仅如此，BIM 技术还能完整储存建筑工程设计、施工、拆除以及改造阶段涉及的数据信息，为以后的工程管理提供有价值的参考依据。目前，BIM 技术除了应用在建筑工程领域，还广泛应用于桥梁、道路、城市排水等领域。

1 BIM 技术在现代建筑工程结构设计中的应用优势

1.1 减少设计与施工误差

BIM 技术在建筑工程结构设计中的应用，首先，要在施工前用计算机绘制出与建筑工程一致的虚拟模型，将建筑工程的墙体结构、钢筋分布、骨架结构等直观立体地呈现出来。其次，动态测试建筑工程的相关数据信息，并将测试结果输入模型中，观察数据输入后建筑模型产生的变化。最后，结合模型变化规律提出调整工程结构设计方案[1]。通过此种技术手段有利于减少设计方案与实际施工之间存在的误差。

1.2 提升施工效率与质量

建筑工程施工单位以往都是根据计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）图纸来确定施工要求，然而建筑工程实际施工情况与平面设计图纸的设计标准存在一定差距，无法切实保障工程施工的整体质量。且后续还会涉及CAD图纸、结构设计方案的调整，无形中增加了人力与资金的投入，延长了施工周期，无法保障建筑工程的经济效益[2]。应用BIM 技术能够灵活调整建筑模型中的各项数据，确保数据信息的统一性，也可间接提升建筑工程的施工效率与质量，促使施工单位收获预期的经济效益与社会效益。

1.3 实现工作的自动交接

在传统的建筑工程施工模式中，其中任何一个环节的数据或设计图纸发生变化，均会不同程度影响建筑工程整体的施工进度。另外，设计图纸与施工现场存在出入的情况也时有发生，必然会增加工程的安全隐患，严重时甚至会导致停工。将BIM 技术应用到建筑工程结构设计中，可使各项工作自动完成交接，因为系统中任意一项建筑虚拟模型的数据发生变动，其他相关数据也会随之发生改变。工作人员核实所有数据信息无误后，便可将建筑模型的设计图纸打印出来，作为后续施工的依据，从而达到提高建筑工程施工测量的准确性、确保工程质量以及提高经济效益的目的[3]。

2 BIM 技术在建筑工程结构设计中的应用要点

BIM 技术以3D 数字技术为基础，通过采集建筑全生命周期的数据，完成建筑三维立体模型的构建。相对于传统建筑结构设计，BIM 技术的应用更为高效，通过建立信息模型在施工、维护等过程中进行信息化交流，保证决策的科学性和有效性。

由此可见，BIM 技术构建了一个集成化的管理体系，将其应用到现代建筑工程结构设计环节，能够大幅减少规划、建设、监理的工作量，有效保证监理工作质量，将工程风险降到最低。

2.1 结构整体设计中的应用

在建筑工程结构整体设计中，BIM 技术的运用集中体现在平面布局、施工方案两个方面。首先，积极引入Revit Architecture 软件系统（下文简称RA），通过模拟三维场景进行场景平面布局。其次，采用多种材料构建建筑的不同结构形式，待完成三维建模后，便可结合模型形态与设计意图反复推敲其中的参数，最终得到有价值的数据[4]。以工业建筑裙楼为例，在利用BIM 技术实施结构设计的过程中，可以尝试安装玻璃幕墙，设计为六边形、不等边矩形，使建筑立面具有现代化特色。考虑到裙楼是对塔楼的扩展，可采用3层弧形结构，利用RA 系统的可视化功能完成整个建筑的整体布局。

2.2 碰撞设计中的应用

在建筑工程空间位置的碰撞设计过程中，利用BIM 信息模型可以完成草图模型的精细化加工，切实保证所建信息模型的完整性。

在实际应用中，由于碰撞方案模型涉及大量的基础信息，因此在设计时要注意层数的设定，并通过创建柱图和制作墙体来生成梁、柱、板。采用RA 设定建筑的最大叠加层数，保证层数设定科学可靠的同时，通过构建柱状网络进一步完善柱图体系。在绘制墙面时，需要将对应参数输入墙壁设置模块中。幕墙制作中采用RA 工具包，通过选择参照线的方法构建幕墙的平面、竖直度以及室内标高。

此时，BIM 模型的主题内容已经基本设计完成，梁柱、板件等建筑主体结构的参数也在模型中逐一得到优化。在工业建筑设计时，应充分考虑其高承压、高强度等特性，此类结构的截面要大于普通截面[5]。采用BIM 技术的目的就是要合理控制钢筋混凝土构件的截面高度，减少配筋率，避免梁柱交接位置的钢筋过于集中，为工程施工提供便捷条件，从而提高混凝土梁柱节点的施工质量。

2.3 结构参数设计中的应用

在结构参数设计中应用BIM 技术，要求与已有的三维建筑信息模型相结合，依托Revit Structure 构造出结构分析模型和钢筋信息模型。对管线设备来说，在工业建筑工程结构设计中运用Revit MEP，需要增加参数设计，将建筑工程建设目标以参数化形式体现在BIM 模型中，并建立统一的连接。

然而，考虑到建筑工程中包含的专业、项目繁多，需要通过BIM 技术协调各项工作，特别是设备管线设计的碰撞检测环节更是必不可少。因此，在结构参数的优化中要着重拓展碰撞检查的覆盖面。对于一些重要部位，应将管道布置图输入信息模型中，然后按照设计图生成建筑结构和设备专业的三维模型，以便实施不同专业的碰撞测试，并出具碰撞报告[6]。

现代建筑工程内部结构复杂，可以尝试利用四维动画模拟施工，或者进行结构建造和其他方面的工作。以复杂节点设计为例，由于工程结构中的节点位置比较复杂，钢筋数量较多，因此可以利用BIM 进行空间实体建模，并按照设计图纸加固复杂节点，然后在钢筋锚杆上定位三维位置。利用三维模型可以迅速获取隐藏信息，防止钢筋在交叉和碰撞时出现空间不足的情况，同时也能显示出错综复杂的节点施工工艺，做好现场施工指导与管理工作，全面推进精细化管理，降低质量与安全隐患，有效提高建筑施工技术的管理水平。

2.4 不同阶段视图设计中的应用

BIM 技术在不同阶段视图设计中的应用各有侧重点。在建筑工程三维透视效果图生成阶段，利用BIM 技术能够辅助生成透视图，并通过应用构造工具协同完成建筑结构的建模与透视图的构建。在建筑工程平面图生成阶段，采用平面图窗口进行编辑，通过三维建模的方式绘制出顶视图，虚拟呈现二维建筑图形，并在此基础上设定多次剪切面方位，即可绘制出各楼层的平面图。

在建筑工程剖面图与立体图生成阶段，各项要素都基于三维建模生成，并以此为基础构造出新的模型，而且支持实时查看、编辑、修改。其关键在于保证剪裁面的设置科学合理，以二维图形的形式进行编辑、修改、处理，与平面图方案相配合实施自动调节。例如，有办公区域、加工区域、员工宿舍等的工业楼宇，采用板式楼梯结构，既能保证建筑美观，又方便现场施工。但在设计时，必须保证梯梁下部的空间满足设计要求，要利用BIM 技术进行视图设计，避免因高度不足而发生碰撞。

3 BIM 技术在现代建筑工程结构设计中的具体应用策略

构件之间、构件与设备之间、设备之间的科学设置，以及构件与电缆开槽关系调节等均属于现代建筑工程结构设计所要关注的内容，且建立建筑模型、构件荷载、剪力墙计算以及施工程序优化等也是结构设计阶段的重点。将BIM技术应用到上述工作内容中，不仅有助于降低工作人员的设计难度，而且可以很好地解决构件碰撞问题，切实保障建筑结构的科学稳定性。

3.1 建立建筑模型

由于建筑工程内部结构复杂，难度系数高，因此在正式施工前需要构建一个完善的模型，用作建筑工程的研究依据。BIM 技术的三维化功能主要体现在三维立体模型的构建方面，通过将建筑内部结构要素之间的关联性直观呈现在模型中，工作人员可以认真研究其中的细节，这样既能确保审核工作质量，同时也让工程结构最终的设计结果与现场环境、施工要求、客户需求相契合，为后续工程施工奠定坚实基础。

3.2 结构部件碰撞试验

建筑由墙、柱、梁、板等多种结构部件组成，而建筑工程又具有复杂性特点，构件之间、构件与设备之间、构件与线缆布局之间的影响必不可少，若不注意则会造成严重后果。以地铁建筑工程为例，构件间的碰撞、构件与车辆间的碰撞都是造成安全隐患的重要因素。一般情况下，结构构件的碰撞实验都是以二维平面图作为推算依据，推算盲区的问题无法避免。BIM 技术利用多种参数反复验算构件，可以清晰发现潜在的冲突，让工作人员直接观察到构件之间的关联，将盲区范围控制到最低。例如，上海国家会展中心考虑到构件、设备的复杂特点，积极引进BIM 技术开展综合碰撞实验，促使建筑施工得以顺利有序推进，有效规避了后续返工、施工变更等问题。

3.3 构件荷载计算

BIM 技术模型中，不同类型构件的荷载都有计算公式，工作人员仅需按照要求将构件尺寸、材料配比、材质标准以及质量标准等数据信息输入模型中，便可直接得出梁、墙、顶、板的具体荷载，进而保证构件更加可靠且稳定。在BIM 技术系统内，Revit 属于较为普遍的软件之一，该软件操作简单、计算便捷，大大降低了设计难度。

例如，北京商务中心区的“中国尊”，该工程的外部幕墙工程非常庞大，在实际施工阶段正是利用BIM 技术进行幕墙荷载的精准计算，才最终呈现出壮观别致的建筑外部造型，成为我国一项经典的精品工程。上海中信大厦也是将BIM技术应用到工程结构设计阶段，综合计算地基承载力、地基荷载。

3.4 剪力墙计算

在建筑整体结构中，由于剪力墙具备抗震、抗风荷载、抗变形等性能，能够抵御地震、飓风等产生的剪切力，因此成为保证建筑结构稳定与品质的重要因素。

剪力墙构造施工前，应提前计算混凝土与钢筋配比，这样才能确保剪力墙的刚度。常规计算方式中，需要将已知因素逐一代入公式中，计算流程烦琐、难度高、耗时长。BIM 技术则截然不同，程序已设定好计算公式，仅需直接输入参数即可轻松获得剪力墙的相关数据。

3.5 规划建筑空间

精心规划建筑空间的目的是确保建筑工程施工成果与实际情况相适应，最大程度利用有限空间。建筑空间受地形地貌、土壤构成等多种因素影响，因此在实施规划前需要现场勘查与科学分析地形特征，综合考量地形的坡度、坡高、斜率等参数。通过利用信息化技术功能，以BIM 模型为载体直接输入参数，然后结合模型计算结果针对性规划建筑空间，并以三维立体形式呈现建筑内外结构与周围空间，最后测试调整空间规划方案。此种方式能够有效避免后续施工阶段因空间不足问题造成不必要的经济损失。

3.6 优化结构施工程序

建筑工程结构设计要求工作人员梳理清楚结构构件的施工顺序，将安全、质量、成本、进展等问题纳入考虑范畴，演示施工工序后便可生成切实可行的施工方案，为后续的施工管理提供重要依据。以江苏省苏州市的中南中心为例，该建筑高达729 m，施工难度系数很大，建筑结构主体较多，使得结构设计难度增加。因此，在确定施工事宜之前便引进了BIM 系统，通过技术加持来模拟构件施工程序，有效保证了工程质量。

4 结语

在建筑工程结构设计过程中，为进一步保障设计过程的科学合理性，需要积极引入BIM 技术，大幅提升建筑工程的设计效率、质量以及精准度，有效控制资金成本投入，将设计周期缩减到最短。因此，需要掌握BIM技术的应用要点，有意识、有规划地将该项技术应用到建筑模型构建、结构部件碰撞试验、构件荷载计算、剪力墙计算、规划建筑空间以及优化结构施工程序等环节，提高建筑结构的设计水平，使建筑的功能更加完善。