BIM 技术在建筑结构设计中的具体应用

文／吴明皓 江西省建筑设计研究总院集团有限公司 江西南昌 330046

引言：

建筑结构设计是建筑行业中至关重要的环节，它不仅关乎建筑物的稳定性和安全性，也关系到整个项目的质量和效率。然而，传统的建筑结构设计过程中存在许多挑战和困难。首先，设计人员通常需要使用多个软件和工具进行数据处理和信息交流，这增加了工作量和出错的可能性。其次，纸质文档的使用使得设计人员之间的协作和信息共享变得困难，可能导致沟通不畅和信息丢失。此外，由于设计变更和施工过程中的误差，可能导致结构设计与实际施工之间存在差异。然而，随着BIM 技术的兴起和不断成熟，建筑结构设计领域正在发生革命性的改变。对此，文章对BIM技术在建筑结构设计中的应用方面进行分析，具有重要的现实意义。

1.建筑信息模型（BIM）技术概述

1.1 BIM 的定义

深受行业人士关注的BIM 技术，在建筑结构设计应用过程中，主要就是能够建立一个包含各种建筑要素和属性信息的数字化模型。这个模型是一个虚拟的、可视化的建筑世界，包括建筑物的几何形状、空间关系、材料特性、施工序列等信息。BIM 不仅关注建筑物的外观，还包括建筑系统、设备、材料等内部组成部分。通过建立这样一个全面的模型，BIM 技术实现了各个专业之间的数据整合和信息交流，提供了更加准确和全面的建筑项目管理平台。

1.2 BIM 在建筑行业中的发展历程

BIM（建筑信息模型）技术作为一种数字化的建筑设计和管理方法，经历了较长的发展历程，不断演变和壮大。起初，BIM 的概念起源于20 世纪70 年代末和80 年代初。当时，计算机辅助设计（CAD）技术开始应用于建筑设计，为设计师提供了绘图和设计工具的数字化手段。然而，这些CAD 系统仍然是二维的，无法完整地表达建筑物的三维特征。随着计算机技术的快速发展和三维建模技术的成熟，BIM 在90 年代开始引起广泛关注。许多软件公司和研究机构开始探索建立综合建筑模型的方法。在此期间，BIM 的概念逐渐形成，强调以信息为中心，实现各个专业数据的整合和共享。进入21 世纪，BIM 技术得到了更加广泛的应用和推广。许多国际标准组织和行业协会开始制定BIM 标准和指南，以促进行业的一致性和互操作性。同时，大型建筑项目和国家级基础设施项目开始采用BIM技术，以提高设计效率、减少错误和风险。经过多年以来的发展，当下行业内所应用的BIM 技术作用不断强调，其中软件工具功能越发增加，从最初的三维建模，到后来的协同设计、模拟分析和施工管理，BIM 的应用范围逐渐扩展。

1.3 BIM 技术应用特征

BIM 技术以建筑信息模型为基础，通过集成各种数据和信息，实现了建筑设计、施工和运维全生命周期的协同工作。具体分析BIM 技术的应用特点，主要体现在以下几点：

第一，综合性。BIM 技术以整个建筑项目为中心，综合了各个专业的设计和施工信息。它可以集成建筑结构、机电设备、给排水系统等多个方面的数据，形成一个统一的信息模型。

第二，可视化。BIM 技术以三维建模为基础，可以生成直观、逼真的建筑模型。设计师和利益相关者可以通过可视化的方式，更好地理解和评估建筑结构的外观、功能和性能。

第三，参数化设计。BIM 技术支持参数化设计，设计师可以通过调整参数和规则，快速生成不同方案的模型。这样可以提高设计效率，并便于进行设计优化和变更管理[1]。

2.BIM 技术在建筑结构设计中的应用路径

2.1 三维建模和可视化

三维建模是通过使用BIM 软件工具创建建筑结构的三维模型。这种模型可以精确地表示建筑的几何形状、构件的尺寸和位置等重要参数。在建筑结构设计的初期阶段，通过三维建模可以更好地理解和展示建筑结构的整体形态。此外，三维建模还可以帮助设计团队进行协同工作，提高工作效率和准确性。针对可视化评估方面，BIM 技术使得建筑结构的特征和性能可以更加直观地呈现出来。通过对三维模型进行可视化分析，设计团队可以评估建筑结构的结构稳定性、荷载分配、构件连接等关键方面。而且可视化评估还可以帮助检查设计中的潜在问题，如冲突、不一致性或设计错误。以下是一些在三维建模和可视化过程中常用的参数和其相关信息的示例表格(见表1）。

表1 BIM 技术三维建模与可视化涉及参数展示表

通过建立精确的三维模型并进行可视化评估，设计团队可以更好地理解建筑结构的特征和性能。这有助于提高设计的质量、减少潜在问题，并促进设计团队之间的合作和沟通[2]。

2.2 信息整合和共享

BIM 技术在建筑结构设计中的应用已经成为当前建筑行业的热点之一。它通过信息整合和共享，为建筑结构设计师们提供了更高效、更准确的工作平台。下面以某一案例为例，探讨BIM 技术在建筑结构设计中的信息整合和共享方面的应用。在这个案例中，一个大型的商业建筑项目使用了BIM 技术进行结构设计。通过BIM 软件，结构设计师们能够将各个专业的数据进行整合与协同。传统的设计方式中，各个专业之间的沟通和数据交流常常存在障碍，导致信息的不完整和重复劳动。而借助BIM 技术，设计师们可以在同一个平台上共享和访问各个专业的数据，从而实现了信息的无缝整合。比如，结构设计师可以直接获取建筑师提供的模型信息，包括楼层平面、立面图和结构梁柱等信息。这样一来，设计师们可以更好地了解建筑师的设计意图，将其纳入到结构设计中，并及时反馈给建筑师进行调整和优化；除了专业数据的整合与协同外，BIM 技术还提供了实时信息交流和协作平台。在传统的设计过程中，设计师们常常需要通过传真、电子邮件或会议等方式进行沟通，这样的方式效率低下且容易出现误解。而有了BIM 技术，设计师们可以通过共享模型进行实时的信息交流和协作。他们可以在同一个模型上进行标记和注释，提出问题和解决方案，并即时与其他设计师进行讨论，这种实时的交流和协作使得团队的合作更加高效和紧密，减少了沟通误差和时间成本；另外，BIM 技术还提供了可视化的展示和演示功能。通过BIM 软件，设计师们可以生成高质量的三维模型和动画，将设计方案直观地呈现给项目团队和客户。这样一来，所有相关方可以更好地理解和评估设计方案，并提出宝贵的意见和建议。设计师们可以根据反馈进行调整和改进，提高设计方案的质量和可行性。

2.3 模拟分析和优化

鉴于BIM 技术强大的模拟分析与优化作用，能够大大减轻设计者的工作压力，也能够确保建筑结构设计方案更具实用性以及可行性，具体来讲主要包括以下几点：

第一，结构力学分析与优化。通过BIM 技术，设计师们可以进行结构的力学分析和优化，以确保结构在正常和极限工作状态下的稳定性和承载能力。借助BIM 软件，设计师们可以模拟结构受力情况，进行静力和动力分析，得出结构的位移、应力和变形等参数，这有助于评估结构的安全性，并及时发现和解决潜在的问题。此外，BIM 技术还可以进行参数化设计和优化，通过改变结构的几何形状、材料性质和截面尺寸等参数，找到最优的结构方案。下面是一个示例的数据表格，展示了通过BIM 技术进行结构力学分析与优化的过程[3]。

第二，抗震分析和模拟。抗震性能是建筑结构设计中至关重要的方面。BIM 技术可以进行抗震分析和模拟，评估结构在地震荷载下的性能，并提供合适的设计和改进措施。通过BIM 软件，设计师们可以模拟地震力作用下的结构响应，包括位移、加速度、应力等。这有助于发现结构的薄弱环节，并进行抗震性能的优化设计。此外，BIM技术还可以进行多次地震模拟，评估结构的可靠性和安全性；

第三，材料优化与性能评估。BIM 技术可以帮助设计师进行材料的优化选择和性能评估，以提高结构的可持续性和效益。通过BIM 软件，设计师们可以模拟不同材料的性能表现，包括强度、刚度、耐久性等。通过分析不同材料的优劣势，设计师们可以选择合适的材料，并进行性能评估，以确保结构的稳定和可靠性。

2.4 施工和管理

BIM 是一种基于数字化模型的工具，能够在整个建筑项目的生命周期中提供可视化、协作和管理的支持。首先，BIM 技术可以通过可视化指导和管理来提升施工过程的效率。通过将设计和施工信息整合到一个模型中，施工人员可以直观地了解建筑物的结构和组件，从而更好地理解施工要求和步骤。BIM 模型可以提供3D 视图、剖面和平面图等多种展示方式，使施工人员能够全面了解建筑物的细节，这种可视化指导有助于减少沟通误解和错误理解，提高施工过程的准确性和效率；其次，BIM 技术可以帮助管理施工过程，并减少误差。在传统的建筑项目中，施工计划、材料清单、进度安排等信息通常以纸质或电子表格的形式进行管理，容易出现信息不一致或更新不及时的问题。而通过BIM 技术，这些信息可以集成到一个统一的模型中，实现信息的实时共享和更新。施工人员可以通过BIM模型了解项目的实时状态，包括材料的供应情况、工程进度和质量检查等。这种集成化的管理可以减少信息传递和数据录入的错误，提高施工过程的可控性和准确性；最后，BIM 技术可以通过优化施工过程来提高效率。BIM 模型可以模拟建筑物的施工序列，帮助施工人员规划施工顺序和优化资源利用。通过模型的可视化展示，施工人员可以更好地理解工程要求和流程，从而避免不必要的重复工作和资源浪费。此外，BIM 技术还可以与其他工具和系统集成，如进度管理系统和物料管理系统，实现施工过程的自动化和协调，提高工作效率和质量控制[4]。

3.BIM 技术在建筑结构设计中的应用难点及其处理措施

3.1 易受外部影响

BIM 技术在建筑结构设计中的应用带来了许多优势，但同时也面临一些难点和挑战。其中一个主要难点是容易遭受外部影响。在建筑项目中，涉及多个参与方，如设计师、工程师、承包商和供应商等，他们可能使用不同的软件和工具，造成信息不一致或无法无缝集成的问题。首先，不同软件和文件格式之间的兼容性是一个常见问题。不同参与方可能使用不同的软件来创建和修改设计和施工文档，这可能导致文件格式不兼容或转换错误，这会导致信息丢失、模型准确性受损或数据不一致，影响到整个项目的协调和一致性。为了解决这个问题，需要建立统一的数据交换标准和协作流程。例如，采用开放的BIM 标准，如IFC 可以实现不同软件之间的数据交换和共享。此外，建立明确的协作流程，包括文件版本控制、协作平台的使用和数据更新的规定，可以促进各参与方之间的有效沟通和协作；针对外部影响方面的难点，还表现在项目变更和不确定性。在建筑项目中，设计和施工过程中经常会发生变更，如设计修改、材料更换或进度调整等，这些变更可能会对BIM 模型和相关文档产生影响，导致模型的准确性和一致性降低。然而这一问题的处理，就必须要求企业积极创建完善的变更管理机制，在BIM 模型中实施变更管理，包括记录和追踪变更请求、评估变更对模型的影响、及时更新模型和相关文档等，可以确保变更得到正确处理并与所有相关方共享。而且及时沟通和协调各参与方之间的变更事项，也可以降低变更引起的不一致性和冲突[5]。

3.2 数据容易丢失

BIM 技术通过集成不同领域的设计信息，包括建筑、结构、机电、给排水等，以数字化的方式呈现整个建筑项目的各个方面。然而，尽管BIM 技术具有许多优势，但在实践中也存在数据容易丢失的问题。首先，数据容易丢失可能是由于技术问题或人为错误导致的。在设计和协作过程中，如果BIM 软件出现故障或不稳定，可能会导致数据丢失。此外，如果操作人员不熟悉BIM 软件的使用方法，可能会意外删除或覆盖重要的数据；其次，数据容易丢失还可能与数据管理和共享不善有关。在多个团队或多个阶段的项目中，如果数据的管理和共享不够规范和严密，就容易导致数据的遗失或混乱。例如，当团队成员在不同的软件平台上进行数据传递时，可能会出现格式不兼容或丢失的情况。为了解决数据容易丢失的问题，有几个关键的措施可以采取。第一是建立严格的数据管理和共享规范。团队成员应该明确各自的责任和角色，并确保数据按照统一的标准进行命名、分类和存储。而且过程中也应建立有效的数据传递流程，确保数据在不同软件平台和团队之间的无缝交流；第二是建立数据备份和存档策略。团队应定期进行数据备份，并确保备份数据的完整性和可访问性。备份数据应存储在可靠的位置，并采用多层次的备份策略，以防止单点故障[6-7]。

结语：

简而言之，本论文主要探讨了BIM 技术在建筑结构设计中的具体应用。通过对相关文献的研究和实际案例的分析，我们深入了解了BIM 技术对建筑结构设计带来的积极影响。首先，BIM 技术在建筑结构设计中具有广泛的应用前景。通过BIM 技术，设计团队可以实现数字化的建筑信息模型，将各种设计参数、施工过程和运维数据整合到一个统一的平台上。这样的集成性和一体化设计方法可以提高设计团队之间的协同工作效率，减少错误和冲突，并最终改善建筑结构的质量；另外，BIM 技术还能够实现建筑结构设计与其他专业的协同工作。在传统的设计过程中，不同专业的设计师常常存在信息不对称和沟通困难的问题。随着技术的不断发展和成熟，BIM 技术将进一步融入设计、施工和运维的各个环节，形成一个完整的建筑生命周期管理系统。同时，随着智能化和自动化技术的进一步发展，BIM 技术将与人工智能、物联网和大数据等领域相结合，为建筑结构设计带来更多创新和优化。