探析建筑结构设计中BIM 技术的应用

陈亚琴

0 引言

在建筑行业结构设置方面，BIM 技术得到广泛推广和应用，现阶段，BIM 技术的研究以及应用依然处于初级阶段，但是，由于BIM 技术具有独特优势，可将建筑整体结构、机械工程等相融合，因此深受建筑行业专业人员的广泛关注。通过将BIM技术引入至建筑结构设计中，可实现工程信息共享，优化结构设计理念，促进建筑结构设计效率和质量的提升。另外，通过将数字化技术与智能化技术相结合，可显著节约建筑结构设计环节成本投入量，缩短项目建设周期。因此，对BIM 技术在建筑结构设计中的应用进行深入探究迫在眉睫。

1 BIM 技术的概念与作用

从20 世纪90 年代开始，CAD 技术被推广应用于我国建筑行业，对于建筑工程结构设计的影响较大，可改变传统图纸手工绘图设计模式的弊端，避免反复手工修改设计图纸而影响设计效率。从21 世纪开始，建筑工程结构类型、构件构造形式已发生较大转变，二维表达方式已暴露出很多不足，而通过将BIM 技术应用于建筑行业，可为建筑结构设计、项目建设以及管理提供新思路。BIM 即为建筑信息模型，在信息化时代，BIM 技术水平显著提升，在整个建筑工程设计中，结构设计是十分重要的内容，将BIM 技术应用于建筑结构设计中可展现出独特的优势。

对于建筑结构设计全过程，可划分为四个阶段，包括方案设计、结构计算、绘制施工图以及碰撞检测，如果依然采用CAD 技术，则各个阶段相互独立，配合难度比较大，不同专业之间协同设计难度比较大。对此，可利用BIM 技术，其作用如下。

1.1 设计工程图纸可改动

在建筑工程结构图纸设计中应用BIM 技术，对于所有信息，均可在模型中获得，在项目建设中后期，如果施工要求发生变化，或者由于施工现场条件因素需对图纸内容进行调整，则设计人员可针对性对部分数据信息进行调整，进而显著提升施工图纸调整效率，减轻设计人员劳动量，同时保证图纸信息调整符合实际需要，避免对项目建设进度造成不良硬性。

1.2 设计数据信息化

BIM 技术为信息技术软件工具，具有智能化优势，其主要内容在于信息管理。在建筑工程结构设计中，BIM 技术可展现出良好的附带信息特性，通过创建BIM 实体模型，便于在建筑工程结构设计中，通过数据库查询所需数据资料，进而促进设计效率的提升，同时，通过应用多方数据信息之间的关系，可保证获取所需数据信息。因此，在具体的结构设计阶段，如果设计人员需了解部分数据信息，仅需选择对应的点即可，不仅有利于设计人员准确把握相关信息，同时还可保证所获取信息的整体性。

1.3 工程项目实体模型三维化

在建筑结构设计中应用BIM 技术，主要可展现出其三维化特征。对于建筑工程模型，可利用BIM 技术形象化展现，设计人员通过创建建筑工程三维模型，即可在BIM 技术平台上了解整个建筑工程中不同结构之间的关联，避免构件之间、设备之间发生冲突，避免对后续施工活动的顺利开展造成不良影响，提升施工进度。

2 BIM 技术在建筑结构设计中的应用

2.1 在方案确定阶段的应用

在建筑工程结构设计方案确定方面，要求关注两点内容，其一为建筑工程主体格局，其二为建筑工程外形艺术，对此，要求建筑结构师以及设计人员之间相互沟通交流，而通过应用BIM 平台以及相关软件、技术，便于二者之间高效沟通，相互协调配合，共同完成结构设计。另外，在建筑工程结构设计前，要求确定项目建设区域，对项目建设区域地质条件、水文环境、周边建筑工程、地下管线等进行全面细致的勘查分析，保证探测所得数据的完整性。BIM技术具有可视化特征，在结构设计中，通过应用BIM 技术，即可对外部环境进行全面、细致的分析，直观地展示出项目建设环境特征，为建筑工程结构设计提供可靠依据，便于制定适宜的设计方案。

2.2 在流程规划阶段的应用

通过将BIM 技术应用于结构设计中，可实现3D 设计，在创建建筑三维模型后，在模型中可全面展示出项目建设和管理相关信息数据，在此过程中，要求设计人员对设计全过程进行科学合理的规划。结构师以及设计人员之间应当强化沟通交流，从建筑功能、结构力学等多个方面，对建筑结构设计方案进行全面细致的分析，对于设计所得结果，可采用BIM 技术直观的展现，不同专业工程师再相互交流，对设计方案进行细化调整。在建筑结构初步设计阶段，可利用BIM 平台新建结构样板，导入与建筑工程设计相关的数据资料，再创建建筑三维模型，在获取平面结构后，设计人员与工程师共同参与各类构件布局规划，同时，对于整体设计方案进行检验分析，据此优化项目设计方案，同时还可开展碰撞检测，避免不同构件之间发生冲突。在建筑工程三维模型创建完成后，还可联合应用有限元分析软件，对项目设计方案的科学性、合理性进行检验分析，在此过程中，可利用BIM 数据应用实现接口交换，便于对数据进行直接转换，同时还可及时对数据进行更新和调整，据此提升建模效率。

2.3 在空间设计中的应用

在建筑工程结构设计中，对整个建筑工程空间结构进行科学合理的规划至关重要，这一设计环节所涉及的内容比较多，包括建筑工程内部、外部空间结构分布、建筑整体外观等等，而通过应用BIM 技术，可创建建筑立体结构设计方案，并以可视化的方式展现。设计人员可直接查看建筑立体结构模型，对不同结构的空间分布情况、资源分布和利用情况进行分析和优化调整。

2.4 在建模设计中的应用

通过对BIM 技术的本质进行分析，其属于建模设计技术，在建筑工程结构设计中应用BIM 技术，可创建建筑工程三维立体结构模型，将二维立体平面图转变为三维立体结构，进而充分展现出BIM 技术的可视化优势，便于设计人员直观地观察建筑工程结构模型，检查各类构件布局规划情况。另外，通过应用BIM 技术，还可对不同构件进行碰撞检测，及时找出建筑工程结构设计中的不合理部分，并与各方相互沟通交流，找出安全隐患，及时对建筑工程主体结构设计方案进行优化调整。

2.5 在构件设计中的应用

构件设计是整个建筑工程结构设计中的重点以及难点，在构件设计环节所包含的类型比较多，包括板式结构构件基础、板式结构楼梯等等。另外，钢结构、各类预制构件比较常见，在各类建筑工程结构设计中应用范围广泛，而在高层建筑工程设计中，一般可选择现浇钢筋混凝土预制构件。因此，在具体的构件设计阶段，设计人员应当对项目整体结构、建设目标以及设计需求进行分析，选择适宜的结构类型，并制定科学合理的构件设计方案。

2.6 在碰撞检测中的应用

在建筑工程结构设计中利用BIM 技术进行碰撞检测，能够有效减少结构设计变更问题发生率，同时还可显著降低项目维护所需成本。BIM 技术已被推广应用于粒子碰撞物理分析中，不仅能够实现各类信息数据充分共享，同时还可实现协同设计目标，展现出整个建筑工程中各类构件所营造出的几何关系，充分发挥BIM 技术在碰撞检测中的重要作用。比如，在某通信机房工程结构设计中，建筑工程结构的总体高度为25m，总面积为17 953m，在该建筑工程结构设计中，设计人员采用BIM技术进行碰撞检测。首先，采用BIM 技术创建建筑工程三维模型，然后对管线构件进行自动化布置，保证能够获取文件相应的建筑结构力学计算原理模型，对此，工程师可以手动方式将管线文件进行连接，然后对各类管线、设备文件进行自动化布置和监控管理。在碰撞检测中，BIM 技术的优势显著，可创建建筑工程三维模型，便于及时发现建筑结构设计中的不足，并进行针对性改进调整。

2.7 在施工图设计中的应用

在以往的建筑工程施工中，需将二维图纸作为重要依据，如果施工环境、施工技术工艺发生变化，则要求设计人员多次修改调整，工作量大，并且还会造成施工效率降低。而通过应用BIM 技术，可创建建筑工程三维立体模型，设计人员以及施工人员均可直观地观察图纸内容，为项目建设全过程管理提供可靠依据。在施工图设计过程中，应当综合考虑不同专业内容，包括建筑结构设计、水暖电设计等等，在施工图设计完成后，即可据此对各类设备和材料进行采购，同时编制施工方案。在BIM 技术的实际应用中，核心建模软件包括RevitArchitecture以及RevitStructure，二者均将参数化设计作为基础，在建筑三维模型创建完成后，对于各个标高平面视图，可转变为施工图，如果在项目建设中出现设计变更，可在三维模型的基础上直接调整，促进施工图设计效率的提升。

3 BIM 技术在建筑结构设计中的应用实例

3.1 工程概况

某建筑工程总面积为4 136m，在该建筑工程结构设计中，耐火等级要求能够达到2 级标准。该建筑工程上层结构共8 层，下层结构2 层，为钢筋混凝土框架结构，设计使用期限为50 年，抗震设防烈度要求能够达到7 度以上。

3.2 BIM 技术应用流程

（1）对项目建设场地进行勘查，确定项目建设场地地质条件、水文条件相关数据。（2）确定本工程建设目标和要求，包括使用年限、建筑荷载、施工内容等，对于所有数据，均输入至BIM 数据库中。（3）对于整个项目，应用BIM 系统进行分类和统计分析，了解不同构件的设计情况、施工成本、技术要点等，为项目建设过程管控提供参考。（4）采用Revit 软件创建建筑工程三维模型。在该项目设计中，BIM 技术的应用流程如图1 所示。

图1 BIM 技术应用流程图

3.3 构建结构模型

该建筑工程为钢筋混凝土结构，在结构设计中，应当将不同构件的连接位置作为设计重点和难点。在本工程结构设计中选用BIM 技术，首先需对各个射线以及列元素的一般特性、各项参数进行分析，在各个构件连接设计完成后，执行各类参数。另外，在利用BIM 技术创建建筑工程三维模型时，可对各类构件的设计参数进行适当调整，在调整完成后，对不同构件之间的距离进行自动化更新，促进设计效率和精度的提升。

在本工程结构设计环节，首先利用BIM 技术创建三维模型，然后再应用Revit 软件创建建筑结构分析模型，对于不同构件之间的连接位置，均可视为节点，不同构件通过节点即可自动化连接。在模型创建过程中，要求对建筑工程结构柱、结构板、梁等进行综合考量。模型创建要点如下：（1）选择适宜的样板文件。（2）与建筑工程BIM 模型进行连接。（3）创建轴网，并确定标高参数。（4）在上述三个步骤完成后，即可创建样本文件以及构件族。（5）对混凝土梁柱结构进行合理设计。（6）创建混凝土楼结构板。（7）对模型进行全面细致的检查，及时发现不足并优化调整。在模型创建完成后，应当对视图显示结果进行分析，并创建初步模板图。

在建筑工程结构模型的创建过程中，要求保证标高参数的合理性，如果需对部分构件进行调整，则首先需对标高进行检查和调整，避免出现标高差。软件可发挥“族”功能，但是可能无法满足建筑结构设计中的所有要求，因此，在结构模型创建和调整中，如果需创建异性构件，则应当独立创建与之相关的族文件，并合理定义相关属性。随着建筑工程量的不断增加，族库中的内容也会逐渐增多，在初始模型创建完成后，其中可能无法涵盖与建筑结构相关的所有属性，因此，应当充分发挥结构面板的作用，根据设计要求增加相关属性以及参数。

3.4 分析建筑结构

在对建筑工程结构的各项性能进行分析时，BIM 技术也可展现出良好的应用优势，通过创建数字化模型，可显著提升模型结构稳定性。另外，在BIM 技术相关软件的实际应用中，可发挥参数计算功能以及结构设计效果分析功能，便于对结构设计方案进行调整，提升结构设计效果。

在建筑结构设计中，必须加强安全防控管理，对此，可选择应用相关软件对结构设计方案进行分析，在此过程中，Revit2016、ETABS2013 等的应用比较常见。在Revit2016 软件以及ETABS2013 的实际应用中，在数据通信方面可实现双向链接，在两个软件运行使用中，可实现数据交互。通过对各类数据进行准确计算，即可判断建筑工程结构的安全性。在建筑结构模型分析中，通过应用Revit2016 软件，能够自动化形成设计数据信息。对于建筑三维模型中的各类构件，可根据定义进行转换，部分构件无法转换，要求对其进行简化处理，再针对这类构件进行设计计算。

3.5 施工图设计

在建筑工程施工图设计中，通过应用BIM，即可形成三维效果图，对建筑工程结构的三维影像进行全面分析，与传统的二维设计方式相比更加直观，便于设计人员对施工图设计效果进行评估，同时还可提升施工图设计效率，减少成本投入量。另外，在BIM 技术的实际应用中，可提供与施工图设计相关的数字信息，并合理设定各类关键性指标，进而避免在施工图设计中出现较多偏差。

在利用BIM 进行施工图设计时，要求对配筋参数进行合理配置。对此，可采用结构软件，对结构设计效果进行评估分析，并且表达出钢筋符号，如表1 所示。

表1 钢筋符号输入以及输出

在该建筑工程结构设计中，混凝土材料选用C30，C30 混凝土的徐变系数为2，墙高达到20.10。在柱与梁结构设计中，选用HRB335 带肋钢筋，而对于箍筋材料，可采用HPB 光面钢筋。在后续施工中，如果需对配筋方案进行调整，则应当对理论配筋、实际配筋进行计算、对比和调整。

在建筑工程施工图绘制过程中，要求创建共享参数，对此，可应用Revit 软件，便于项目参建方之间实现数据共享。对于文件格式，可采用.txt 格式，如果需要在Excel 中查看文件，则可直接复制共享文件，然后再将.CSV 作为文件后缀，即可查看所需文件资料。

4 结语

综上所述，本文主要对建筑工程结构设计中BIM 技术的应用方式进行了详细探究。我国建筑行业发展迅速，建筑工程体量较大，结构设计过程复杂，要求综合考虑各类影响因素，对此，可利用BIM 技术创建三维模型，在项目建设全过程中，根据施工现场勘查所得数据资料、施工过程数据等，对模型参数进行查阅、调整等，保证项目建设能够高效完成，充分发挥BIM 技术在建筑行业中的独特优势。