劉 俊 王子俊 林紫茹 胡 笳 王 磊

(1.上海理工大學(xué) 土木系，上海 200093； 2.北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045； 3.中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044)

1 BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

三維技術(shù)在石化、電力、機械等行業(yè)較為成熟的應(yīng)用是到施工圖階段。在石化、電力行業(yè)，三維技術(shù)主要解決的是管線眾多導(dǎo)致的碰撞問題，同時達到建設(shè)材料零庫存，有效精確控制投資規(guī)模。在機械行業(yè)，三維技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)計與數(shù)控機床無縫銜接，達到設(shè)計和生產(chǎn)一體化[1-2]。BIM的定義由三部分組成，BIM是一個建設(shè)項目物理和功能特性的數(shù)字表達； BIM是一個共享的知識資源，是一個分享有關(guān)這個設(shè)施的信息、為該設(shè)施從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程； 在項目的不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責的協(xié)同作業(yè)[3-5]。目前建筑和機電專業(yè)能使用BIM工具軟件較好地完成施工圖設(shè)計[6]。

但結(jié)構(gòu)專業(yè)由于需要計算分析模型，同時結(jié)構(gòu)施工圖是通過“平法”表示，而目前BIM工具軟件不具備該功能，因此處理好計算模型和“平法”表示，是實現(xiàn)基于BIM技術(shù)做結(jié)構(gòu)施工圖的前提[7]。在建筑工程BIM模型自動轉(zhuǎn)換方面，已有學(xué)者進行了相關(guān)研究，實現(xiàn)了基于IFC標準模型自動生成ETABS、SPA和MIDAS等結(jié)構(gòu)計算模型的功能[8-9]。

2 基于Revit平臺的三維協(xié)同設(shè)計

2.1 Revit平臺的協(xié)同設(shè)計應(yīng)用

Revit是Autodesk公司一套系列軟件的名稱。Revit系列軟件是為建筑信息模型(BIM)構(gòu)建的，可幫助建筑設(shè)計師設(shè)計、建造和維護質(zhì)量更好、能效更高的建筑。Revit是我國建筑業(yè)BIM體系中使用最廣泛的軟件之一。在Revit模型中，所有的圖紙、二維視圖和三維視圖以及明細表都是同一個基本建筑模型數(shù)據(jù)庫的信息表現(xiàn)形式。在圖紙視圖和明細表視圖中操作時，Revit軟件將收集有關(guān)建筑項目的信息，并在項目的其他所有表現(xiàn)形式中協(xié)調(diào)該信息，即二維圖形和三維圖形聯(lián)動[10]。

在Revit中進行多專業(yè)協(xié)同設(shè)計時，可以利用軟件提供的一系列協(xié)同機制實現(xiàn)在同一平臺上的共同工作，各專業(yè)的最新工作成果可以直接反應(yīng)在集成后的模型中，共享給其他專業(yè)參考。與二維工作模式相比，協(xié)同工作簡化了繁瑣的對圖環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了各專業(yè)工作的實時同步，從而即時暴露并解決問題，減少設(shè)計中的錯漏碰缺[11]。因此，工作實時同步是三維協(xié)同設(shè)計較常規(guī)二維設(shè)計的最大優(yōu)勢。

2.2 結(jié)構(gòu)專業(yè)協(xié)同設(shè)計流程

參照建筑的Revit模型，建立結(jié)構(gòu)的Revit模型。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，相比以平面圖為基礎(chǔ)建模，可以直觀的掌握具體空間關(guān)系，防止結(jié)構(gòu)布置的不合理； 所建模型可以轉(zhuǎn)換成計算分析模型，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計流程相比，未增加建模工作量的同時，提高了模型的準確性。同時為建筑和機電的設(shè)計提供了可參照的結(jié)構(gòu)模型，提高了各專業(yè)協(xié)同設(shè)計的效率。

與常規(guī)設(shè)計流程相比，結(jié)構(gòu)專業(yè)在進行三維協(xié)同設(shè)計時，主要需要處理以下三方面的額外工作，一是處理好與建筑專業(yè)的交界面，例如需要與建筑專業(yè)約定到豎向構(gòu)件的歸屬，如果屬于結(jié)構(gòu)范圍，那么建筑面層需要單獨建立并附加在墻柱表面。另一方面是處理好與結(jié)構(gòu)計算軟件的同步，目前已經(jīng)有幾款商用結(jié)構(gòu)工具軟件能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)計算軟件與Revit軟件的對接，該部分將在下一章詳細介紹?？傮w來說，工具軟件能夠簡化一部分結(jié)構(gòu)計算模型與Revit模型之間的重復(fù)建模工作，但不能完全消除兩類軟件之間的數(shù)據(jù)鴻溝，因此難以避免需要同時維護結(jié)構(gòu)的三套數(shù)據(jù)表達，即計算分析表達，Revit三維表達和施工圖二維表達。第三方面是在Revit中繪制施工圖，Revit與CAD軟件的底層驅(qū)動模式不同，沒有圖層的概念，主要依賴于族和構(gòu)件來控制不同類型的視圖表達，較為繁瑣，這部分工作目前也可以依靠工具軟件來簡化工作量，在下節(jié)中敘述。

3 BIM技術(shù)在施工圖設(shè)計階段的應(yīng)用研究

3.1 平法

建筑結(jié)構(gòu)施工圖平面整體設(shè)計方法，即行業(yè)內(nèi)稱為平法表示法，是我國目前混凝土結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計的表示方法。平法的表示形式，概括來講，是把結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸和配筋等，按照平面整體表示方法制圖規(guī)則，整體直接表達在各類構(gòu)件的結(jié)構(gòu)平面布置圖上，再與標準構(gòu)造詳圖配合，即構(gòu)成一套新型完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。結(jié)構(gòu)施工圖平法的核心是表達鋼筋信息，在平面布置圖上有平面注寫方式、列表注寫方式和截面注寫方式三種。

Revit實現(xiàn)平法表達的過程，是將構(gòu)件具體的鋼筋信息通過平法符號族進行表達的過程。平法符號族能與構(gòu)件具體鋼筋信息形成關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)信息表達聯(lián)動[12]。實現(xiàn)Revit平法表達能讓圖紙表達更為簡潔，降低對電腦性能的要求，同時也與現(xiàn)有設(shè)計施工人員的習(xí)慣相對接，利于實際應(yīng)用。

3.2 基于Revit的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計軟件特點比較

YJK建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件系統(tǒng)是一套全新的集成化建筑結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計系統(tǒng)，功能包括結(jié)構(gòu)建模、上部結(jié)構(gòu)計算、基礎(chǔ)設(shè)計、砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工圖設(shè)計和接口軟件六大方面。結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計軟件可進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的樓板、梁、柱、剪力墻、樓梯、基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)施工圖輔助設(shè)計。它接力其它YJK軟件的建模和計算結(jié)果，自動選配鋼筋和進行施工圖設(shè)計。軟件按照2011年9月發(fā)布的國家建筑標準設(shè)計圖集11G101《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》自動繪制施工圖紙，鋼筋修改等操作均在平法圖上進行。

REVIT-YJKS產(chǎn)品主要分為結(jié)構(gòu)模型、計算信息、施工圖三個部分的內(nèi)容，實現(xiàn)了Revit和YJK在模型幾何定位、結(jié)構(gòu)計算信息、構(gòu)件鋼筋信息、施工圖繪制以及三維實體鋼筋的數(shù)據(jù)傳遞和共享。

探索者結(jié)構(gòu)三維施工圖軟件TSPT for Revit是為結(jié)構(gòu)專業(yè)開發(fā)的三維平臺自動生成施工圖軟件。軟件通過讀取計算分析軟件的結(jié)果，自動在Revit上生成結(jié)構(gòu)施工圖，并通過關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)了關(guān)聯(lián)修改效率的最大化。

廣廈結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計系統(tǒng)GSRevit是基于Revit平臺進行二次開發(fā)的結(jié)構(gòu)計算軟件，可直接針對Revit模型進行荷載輸入、總信息輸入，通過調(diào)用結(jié)構(gòu)計算模塊和施工圖生成模塊完成相關(guān)設(shè)計計算工作并將結(jié)果快速導(dǎo)入Revit平臺[13]。

相對于探索者TSPT需要讀取外部數(shù)據(jù)，Revit-YJK與YJK只需內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定。而且Revit-YJK和YJK為同一平臺產(chǎn)品，對設(shè)計人員而言，使用上也更加習(xí)慣。廣廈GSRevit雖實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計施工圖一體化，但針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)，人工可干預(yù)程度較Revit-YJK偏低。因此，在工程案例中模型轉(zhuǎn)換時采用了Revit-YJK。

3.3 基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

隨著BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不斷應(yīng)用，依次出現(xiàn)以下三種BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計方式。

1)在Revit平臺上，基于建筑模型直接建立結(jié)構(gòu)模型，然后通過接口導(dǎo)出結(jié)構(gòu)計算模型。之后分別維護Revit模型和結(jié)構(gòu)計算模型。該方法能夠較高效的得到精確的三維結(jié)構(gòu)模型，并且可與各專業(yè)進行協(xié)同設(shè)計，并可直接通過Revit生成結(jié)構(gòu)模板圖，但由于Revit模型和結(jié)構(gòu)計算模型沒有產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，所以構(gòu)件配筋信息不能傳遞到Revit平臺，因此在Revit平臺出不了配筋圖。

2)在結(jié)構(gòu)計算平臺上，直接建立結(jié)構(gòu)計算模型，經(jīng)結(jié)構(gòu)計算后，將結(jié)構(gòu)模型和配筋信息導(dǎo)入到Revit平臺中，能夠生成模板圖和施工圖。但由于結(jié)構(gòu)建模時無法如方式一參照建筑模型，所以模型精度較難保證。

3)首先建立Revit建筑模型，然后基于Revit建筑模型用Revit-YJK建立結(jié)構(gòu)模型。將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到Y(jié)JK進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并用YJK生成施工圖。再將帶鋼筋參數(shù)的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Revit-YJK，并關(guān)聯(lián)模型(關(guān)聯(lián)后的結(jié)構(gòu)模型可根據(jù)建筑、機電提資進行修改)，最終生成Revit平臺的結(jié)構(gòu)施工圖。

3.4 基于BIM技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)缺點

目前在進行基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要采用3.3節(jié)中的第三種方式。但在具體結(jié)構(gòu)模型建立時，又細分為兩種方法。

1)將建筑、結(jié)構(gòu)、機電各專業(yè)模型建立在同一個模型中，相對二維設(shè)計建模而言，該方法的優(yōu)點是模型精度極高，和真實建筑幾乎完全一致。但其缺點是在自動生成施工圖時，由于共用一個模型，很難將各專業(yè)構(gòu)件分別分開出圖。

2)將建筑、結(jié)構(gòu)、機電各專業(yè)模型分開建立，相互參照。該方法的特點是在生成施工圖時，能夠快速便捷的以各專業(yè)成圖習(xí)慣生成各專業(yè)施工圖。

兩種方法在模型體量較大時，都會對計算機性能提出較高要求。目前的解決方案是將建筑拆分為若干層，將各個層建立為獨立模型，最終通過參照組合在一起。但該方法的缺點是，如果需要將模型導(dǎo)入計算軟件進行計算分析時，該方法對建立的組合模型是不可行的。

4 工程案例

4.1 工程背景

本項目位于南昌新建區(qū)長堎鎮(zhèn)紅灣公路南側(cè)，規(guī)劃一路東側(cè)，禮賢北路北側(cè)。項目用地面積為39，852m2。擬建項目將包括兩座202m的超高層塔樓以及2層高商業(yè)裙樓，共提供約144 900m2地上建筑面積，主要包括辦公空間、酒店、商業(yè)。地下總建筑面積約6 168m2，典型地下室兩層。地下室為辦公空間、酒店和設(shè)備空間。本文針對3A5商業(yè)小樓進行了結(jié)構(gòu)施工圖BIM正向設(shè)計。

4.2 設(shè)計過程

首先，基于Revit建立了建筑模型(見圖1)，并基于建筑模型建立了Revit結(jié)構(gòu)模型(見圖2)。本文采用的是將各專業(yè)分開建模的方法，方便后續(xù)施工圖生成。對于復(fù)雜建筑，該建模方法在多專業(yè)配合時仍需相互參照，較為不便。

圖1 Revit建筑模型

圖2 Revit結(jié)構(gòu)模型

由于本文在Revit中采用的是整體建模方式，因此可將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計算軟件進行結(jié)構(gòu)計算分析，結(jié)構(gòu)計算模型見圖3。對于大型建筑，該建模方式對電腦的性能要求極高，較難滿足。需注意，目前從Revit平臺導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計算平臺的結(jié)構(gòu)模型是不具有標準層概念的，這對于結(jié)構(gòu)計算模型的荷載加載和調(diào)整將增加較大工作量?；谑┕D模塊，針對計算結(jié)果進行調(diào)整修改并生成平法施工圖，部分施工圖見圖4。

圖3 結(jié)構(gòu)計算模型

圖4 結(jié)構(gòu)計算軟件生成二層梁配筋

將平法施工圖文件導(dǎo)入Revit-YJK，形成了BIM施工圖，部分施工圖見圖5、圖6。在生成結(jié)構(gòu)施工圖的過程中，雖能通過人工干預(yù)，對具體計算結(jié)果及圖紙內(nèi)容進行調(diào)整，但干預(yù)程度仍較低。如按平法施工圖進行梁配筋時，梁的布置和跨數(shù)的確定，軟件更多的是基于計算結(jié)果而非結(jié)構(gòu)工程師的意圖，導(dǎo)致了一定量的后期調(diào)整工作，降低了設(shè)計效率。

圖5 Revit結(jié)構(gòu)施工圖軟件生成二層板配筋

圖6 Revit結(jié)構(gòu)施工圖軟件生成二層柱配筋

5 總結(jié)

(1)基于Revit結(jié)構(gòu)施工圖軟件和結(jié)構(gòu)計算軟件能夠?qū)崿F(xiàn)BIM的施工圖設(shè)計；

(2)建筑體量較大時，對計算機性能要求較高，較難滿足；

(3)協(xié)同模式的選擇對設(shè)計過程和結(jié)果影響較大，分專業(yè)建模方便出施工圖，但對復(fù)雜建筑而言，專業(yè)配合效率降低；

(4)Revit結(jié)構(gòu)施工圖軟件導(dǎo)出結(jié)構(gòu)計算模型時數(shù)據(jù)傳輸時有錯誤，穩(wěn)定性有待提高；

(5)生成施工圖時，缺乏前期人工干預(yù)的功能，出圖效率有待提高。