龍輝元

（奧雅納工程咨詢有限公司北京分公司，北京 100020）

BIM 技術應用于結構設計的探討與案例

龍輝元

（奧雅納工程咨詢有限公司北京分公司，北京 100020）

本文就筆者在基于BIM技術的Autodesk Revit Structure工具軟件應用實踐中的體會和遇到的問題，通過具體的結構設計案例來探討和分析BIM技術應用于建筑結構設計中的難點和阻力，旨在給BIM技術工具軟件和結構設計分析軟件的開發(fā)和應用者一些啟迪。

建筑信息模型；BIM技術；變截面構件族；變截面構件單元

1 前言

隨著BIM（建筑信息模型）技術工具軟件的不斷完善，BIM技術正逐漸在中國的工程界廣泛應用。BIM技術的優(yōu)勢是不同專業(yè)、不同部門可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，即：建筑師、工程師、承包商和業(yè)主可以共享一致的數(shù)字設計信息和文檔，共同使用項目可視化數(shù)字模型，來進行各種模擬和分析（比如：性能、外觀和成本），從而達到更快捷、更經(jīng)濟、更及時地完成項目。但市場調(diào)查表明，目前結構工程師接受和應用BIM技術的深度和廣度遠遠低于建筑師。筆者認為，其主要原因在于目前BIM技術在3D物理模型與結構分析模型的雙向鏈接方面還有許多有待解決的技術問題。下面以筆者在工具軟件Autodesk Revit Structure［1］應用中的實踐經(jīng)驗和體會，通過具體的結構設計案例來探討和分析BIM技術應用于建筑結構設計中的難點和阻力，旨在給BIM技術工具軟件和結構設計分析軟件的開發(fā)和應用者一些啟迪。

2 BIM技術在結構設計中應用的難點

結構工程師目前主流的設計方式是利用有限元結構分析軟件（程序）進行結構建模計算和結構整體空間受力和變形分析，然后另外利用2D繪圖工具來繪制傳統(tǒng)的2D施工圖文檔?；贐IM技術的結構設計方式是：工程師將物理模型發(fā)送到結構分析軟件，分析程序進行分析計算，隨后返回設計信息，并動態(tài)更新物理模型和施工圖文檔。BIM技術就結構設計本身而言，其基本理念就是要達到結構計算分析和施工圖文檔兩者相互統(tǒng)一，或者說實現(xiàn)兩者間的無縫鏈接。

建筑師搭建BIM模型時，關注的是模型空間表達的真實性和外觀視覺上的效果，以及物理模型能否自動生成2D施工圖文檔。與建筑專業(yè)相關的計算分析，比如日照分析和建筑能耗分析，對模型數(shù)據(jù)庫的要求也往往僅限于模型的幾何外觀和空間尺寸，以及材料的物理特性。結構工程師搭建BIM模型時，除了關心物理模型能否自動生成2D施工圖文檔，同事也關心物理模型能否自動轉化為可以被第三方結構分析軟件認可的結構分析模型。畢竟結構的安全性分析計算是結構設計的首要環(huán)節(jié)和重要問題。由于結構分析模型中包括了大量的結構分析所要求的各種信息，如：材料的力學特性、單元截面特性、荷載、荷載組合、支座條件等等。所以結構工程師的BIM模型就會因繁多的參數(shù)而異常復雜。

BIM技術是完全的數(shù)據(jù)庫式模型，理論上說，實現(xiàn)BIM物理模型與結構分析模型、物理模型與2D施工圖文檔之間的雙向鏈接是完全可行的。很多BIM工具軟件也將自己可以實現(xiàn)與通用的結構分析軟件雙向無縫鏈接作為其功能特色來宣傳。但筆者在具體的應用中發(fā)現(xiàn)，所謂的雙向無縫鏈接是有條件的。即BIM物理模型中采用的構件（單元或族）必須是比較簡單或常用的常規(guī)標準件。如果構件的形式復雜或異形，在鏈接到結構分析軟件時就會丟失很多數(shù)據(jù)。

所以，在BIM技術應用到結構設計的過程中，物理模型與結構分析模型雙向無縫鏈接問題是影響結構工程師接納BIM技術的一大阻礙障礙。下面針對這個問題作一些探討。

3 BIM物理模型與結構分析模型的鏈接障礙

在搭建BIM物理模型時，可以隨意定義一根構件的形狀和斷面。構件截面可以是異形的，截面的大小沿著構件長向也是變化多樣的，例如圖1之魚腹鋼梁。

這個構件在BIM物理模型中是一個獨立的單元，但這樣的單元在目前以桿單元和殼單元為基本剛度單元的結構分析軟件中，大都還沒有等效的單元力學模型與之對應。

目前常用的結構分析軟件在截面類型的多樣性方面基本實現(xiàn)了可以隨意變化，但這僅限于截面2D平面內(nèi)尺寸的變化，在3D方向（沿著構件長向）的截面變化，目前涉及處理這種較復雜變化的結構分析軟件還很少，能處理的對象也相對簡單。因此解決好物理模型與結構分析模型的鏈接，一方面要求BIM工具軟件具有將復雜實體構件單元簡化為可以被通用分析軟件認可的計算模型的構件單元的簡化規(guī)則和手段；另外，結構分析軟件也要為適應BIM技術而增加桿單元類型和截面變化的類型。關鍵還在于分析軟件的改進，以便結構模擬分析計算盡量體現(xiàn)結構體系的實際情況。拓廣基本結構計算單元的參變量和基本剛度矩陣是結構分析軟件適應BIM技術的解決方案。

圖1 魚腹鋼梁示圖

4 當前結構分析軟件處理變截面的方法

4.1 單元分段法

這是目前所有的結構分析軟件處理變截面結構構件的方法，其主要是采用增加節(jié)點來將構件分段，每段就變成或可以視作等截面單元。

該方法對于處理截面突變是很合適的，但處理漸變截面就不太好。另外，該方法將一個結構構件用斷點拆分成多個單元，與BIM物理模型中獨立的構件定義就不能匹配。

4.2 線性漸變截面單元法

目前比較多的結構分析軟件（例如PKPM）可以處理構件兩端截面不等高或不等寬，構件截面的變化從一端到另一端是線性變化，如圖3所示的懸挑梁。

線性漸變截面單元主要是采用了變截面的結構桿單元，可以處理簡單的結構構件變截面問題。其優(yōu)點是可以將變截面構件處理單個的單元，可以很好地與BIM物理模型鏈接。其不足是多數(shù)軟件僅可以處理一次線性變截面（僅變截面高度或?qū)挾龋?/p>

圖2 截面突變梁

圖3 漸變截面梁示例

4.3 單元分節(jié)法

該方法采用在單元內(nèi)部引入變截面位置及與之對應的截面幾何尺寸參數(shù)，來定義復雜的變截面單元。單元可以內(nèi)插多個節(jié)點來模擬復雜桿件實際變化，但桿件依舊是一個獨立的單元。

該方法可以處理彎曲剛度沿桿件長向復雜變化的變截面結構構件。彎曲剛度沿桿長向的變化可以是一次線性、二次拋物線、或三次曲線；軸向剛度、剪切剛度、質(zhì)量、重量屬性沿長度線性變化；截面屬性也可以突變。

該方法處理變截面時，復雜變截面構件是獨立的單元，因此可以很好地與BIM物理模型中的單元體匹配。目前為中國用戶熟悉的結構分析軟件ETABS、SAP2000就是采用這種方法來處理構件復雜變截面。其主要是采用了“對象”概念來完全定義實際構件［2］，程序運行分析時，自動將基于對象的模型轉換為基于單元的模型來進行分析。

單元分節(jié)法定義復雜的變截面單元的手法就是參數(shù)化單元，與BIM參數(shù)化建模的理念是一致的，是結構分析軟件的發(fā)展方向。

5 北京某工程BIM模型案例分析

下面就北京某工程之BIM物理模型的創(chuàng)建，以及物理模型與結構分析模型鏈接時遇到的問題來探討異形復雜變截面結構構件的BIM技術問題。

5.1 工程的建筑設計背景

項目系一幢集商業(yè)和辦公為一體的綜合性大樓，占地21 650m2，總建筑面積約為251 600m2，包括：姊妹辦公樓，每棟高107.1m，地下四層，地上25層業(yè)主要求設計顧問在原有國內(nèi)較為慣常采用的結構柱網(wǎng)的基礎上，根據(jù)現(xiàn)代辦公樓的要求和現(xiàn)代建筑的理念，進行設計優(yōu)化（圖4為原設計，圖5為新設計）。主要改變是取消原有設計中的結構內(nèi)柱，形成一般結構梁跨度為16m、最大結構梁跨達20m的辦公樓面空間。

圖4 原建筑設計

圖5 新建筑設計

圖6 異型鋼梁實例

5.2 該工程結構設計上的特點

在設計層高不能有太多調(diào)整的條件下，為了實現(xiàn)建筑師的寬闊辦公區(qū)域空間的設計理念，同時又不希望因為大跨度結構所要求的結構高度影響到原設計之建筑使用凈空的要求，結構工程師在經(jīng)過了多種樓蓋體系方案比選后，確定采用異形變截面組合鋼梁作為本工程的樓蓋體系的最終方案。該方案將機電管線所要求的凈空與結構凈空結合在一起，采用機電管線穿梁和圍繞核心筒布置機電管廊的方法來實現(xiàn)建筑使用凈空最大化，參見圖6。

另外，為了體現(xiàn)現(xiàn)代辦公樓的設計理念，建筑立面處理中采用三面傾斜、一面垂直。傾斜面角度約為2.5度，這就使得整個樓的結構外邊線在傾斜面處，其底層邊線與頂層邊線之間有大約3m的平面偏移，或向內(nèi)縮窄、或往外突出。建筑造型為了達到獨特視覺效果，要求結構外框斜柱，就導致結構構件梁的形式變得很復雜，表現(xiàn)為：塔樓沒有真正的結構標準層，且同層中完全一樣的標準化構件也很少。

基于以上結構特點，創(chuàng)建其BIM物理模型的關鍵是設計一個通用、靈活、可操作的BIM智能構件（異形構件族－參考Revit工具軟件）。

5.3 創(chuàng)建本工程BIM結構模型技術處理方法

首先，找出異形構件的截面變化特點及其在結構平面圖中的布置規(guī)律性和特殊性，據(jù)此來確定定義此BIM智能構件所要求的參數(shù)，并規(guī)劃好各參數(shù)的參數(shù)類型（即實例參數(shù)或類型參數(shù)，其含義參考Revit用戶手冊）［1］。比如，將梁跨度、變截面的位置、梁上洞口的位置等參數(shù)定義為“實例”參數(shù)；而將截面尺寸、洞口尺寸、截面變化細部尺寸等參數(shù)要定義為“類型”參數(shù)。

其次，分析智能構件各參數(shù)的幾何意義，來確定各幾何參數(shù)的參照平面或參照線。比如，變截面梁的變截面位置的定義Crank＿R／Crank＿L、梁上洞口的定位及洞口間距的定位參數(shù)Opening1-L／Opening2-1等等。

圖7 變截面梁的截面變化定位參數(shù)

圖8 BIM模型結構實例圖

再次，要分析智能構件各參數(shù)之間的相互關聯(lián)關系，以及各參變量的物理特性（設計規(guī)范對其的限定），將部分參數(shù)設定為被動參數(shù)。比如，鋼梁上洞口的最大高度設定為梁截面高度的一半、洞口的最小凈距要大于或等于梁高等等。

另外，要參考所采用的第三方結構分析軟件對異形變截面的定義方法。BIM智能構件族的參數(shù)名稱和意義盡量與結構分析軟件對異形變截面的定義一致，方便自己借助宏程序，實現(xiàn)異形變截面構件在兩種模型間互相轉換。雖然目前還不能完全實現(xiàn)無縫鏈接，但可以為將來項目的無縫鏈接提前做好準備。

5.4 鏈接分析模型的問題

本工程利用BIM技術軟件Revit創(chuàng)建了與實際完全相符的結構物理模型，圖8是BIM結構模型圖片。

但在導出結構分析模型時，就遇到問題：首先，由于異形構件在Revit中是一個構件，導出的分析模型中只有兩端節(jié)點，且BIM模型中的異形構件截面特性信息丟失，僅處理為等截面構件；另外，多構件交會處，會因BIM模型中構件的偏心定義而導致交匯處出現(xiàn)多個節(jié)點。

這些問題需要在分析軟件中對分析模型進行人工干預和調(diào)整，包括：增加構件中間節(jié)點、重新定義截面特性、節(jié)點合并處理，才可以保證分析模型能正常運算。而且，經(jīng)過處理的分析模型就不能再與物理模型實現(xiàn)同步鏈接更新。

6 總結和建議

（1）結構分析軟件與BIM工具軟件對構件單元的定義方法的不同是BIM物理模型與結構分析模型實現(xiàn)真正雙向鏈接的障礙。

（2）第三方的結構分析軟件應適應BIM技術發(fā)展的要求，提供復雜桿元的力學模塊。主要是拓廣結構分析單元的單元定義變量。

（3）復雜結構單元的定義要制定標準，規(guī)范參變量的名稱和涵義，以便不同軟件之間進行數(shù)據(jù)交換和共享，實現(xiàn)BIM技術價值最大化。

［1］歐特克公司.Revit Structure 2010用戶手冊，2009.

［2］Computers and Structures，Inc.CSI分析參考手冊，2004，9.

General Discussing of BIM Technology Application in Structure Design

Long Huiyuan
（Arup International Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100020）

Based on author's practice and a real case in using BIM technology software tool of Autodesk Revit Structure，the difficult issues and obstacle of applying BIM technology in structure design are generally discussed and analysed.This paper offers some guidance for the structure engineers who are using or developing the BIM technology tools and the structure analysis software.

BIM；BIM Technology；Special Structural Family；Special Structural Element

TU311.41

A

1674－7461（2010）04－0089－05

龍輝元（1963－），男，副總工程師，國家一級注冊結構工程師。主要研究方向：高層和超限高層建筑結構設計、復雜大跨度空間鋼結構設計與研究、結構方案優(yōu)化和CAD技術二次開發(fā)。E-mail：hy.long＠arup.com