倪靜

（安徽寰宇建筑設計院，安徽 合肥 230000）

0 引言

改革開放以來，我國建筑行業(yè)隨著經(jīng)濟的飛速增長在持續(xù)快速發(fā)展，但建筑行業(yè)的結(jié)構(gòu)設計過程中仍然存在很多的問題和缺陷，這些問題和缺陷主要體現(xiàn)在設計軟件不夠完善、建筑結(jié)構(gòu)設計的程序不夠規(guī)范。第一個問題主要體現(xiàn)在建筑行業(yè)在使用BIM 技術的同時會用較多輔助軟件，但因為BIM 技術進入我國時間尚短，很多的軟件使用的是盜版或者簡化版本，不能很好地輔助BIM 技術發(fā)揮作用，應用效率不高。另外，建筑結(jié)構(gòu)設計程序不夠規(guī)范的問題，主要是因為我國建筑設計行業(yè)起步較晚，設計流程不夠科學。在我國建筑結(jié)構(gòu)設計各個子項目中，大多都是不同專業(yè)的人單獨完成自己的領域，子項目之間缺乏合理溝通，在遇到一些疑難問題時不能統(tǒng)籌解決，造成項目滯后、浪費項目資金的后果。且即使保證了各個子項目之間的進度統(tǒng)一性，也無法保證各個子項目之間的工作人員能夠進行有效技術信息交流，進行聯(lián)動設計，極易導致施工項目返工，使得項目整體的難度系數(shù)加大[1]。

1 BIM 技術概述

20 世紀90 年代末，CAD 技術在我國快速推廣，改變了傳統(tǒng)圖板手工繪圖的設計方法與生產(chǎn)模式，將設計人員從傳統(tǒng)設計計算、反復手工改圖中解放出來，將更多精力放在專業(yè)問題處理與設計方案優(yōu)化上。但是，21 世紀以來隨著建筑結(jié)構(gòu)種類與構(gòu)件構(gòu)造形式的變化，二維表達方式的局限性凸顯，目前BIM 技術的推廣應用為建筑工程設計、施工與管理提供了新的技術思想。BIM，中文翻譯為建筑信息模型，是信息技術在建筑行業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果，結(jié)構(gòu)設計作為建筑設計階段的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)設計方式已經(jīng)無法滿足設計需求，BIM技術的推廣應用既是機遇也是挑戰(zhàn)。

從建筑結(jié)構(gòu)設計流程來看，主要分為4 大階段，分別為方案設計、結(jié)構(gòu)計算、施工圖繪制以及碰撞檢查，基于CAD 的二維設計方法下，上述4 大階段是相互獨立的，各階段之間缺少必要的配合，以至于結(jié)構(gòu)設計專業(yè)內(nèi)容無法實現(xiàn)協(xié)同設計，缺少必要的溝通交流。同時，由于CAD 是基于二維點、線、面的幾何組成，無法承載構(gòu)件材料屬性、空間位置、鋼筋直徑、混凝土保護層等建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本數(shù)據(jù)信息，對此設計各參與方必須根據(jù)二維圖紙構(gòu)想三維空間模型，且需手繪各種視圖（平立剖），此過程需耗費大量的精力，且容易出現(xiàn)錯誤，后期修改過程長、難度大，存在設計周期長、效率低下等問題，甚至影響后期正常施工?，F(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設計中，通過BIM 技術的應用可發(fā)揮共享性、可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性等作用，具體優(yōu)勢可歸納為如下4 點。

（1）共享性?；贐IM 技術在建筑結(jié)構(gòu)設計中的應用，可充分利用信息化的手段消除傳統(tǒng)意義上的信息壁壘，協(xié)同各方同時參與設計。同時，通過信息數(shù)據(jù)的實時共享與修改，有利于減少變更，提高設計效率，縮短設計周期。

（2）可視化。建筑結(jié)構(gòu)設計中，借助BIM 技術可通過建模將結(jié)構(gòu)設計方案立體展示出來，設計人員可直觀查看結(jié)構(gòu)設計單元，尤其是管道、走線等可實現(xiàn)跟蹤觀察，切實減少安全、質(zhì)量隱患。

（3）模擬性。建筑結(jié)構(gòu)三維建模的同時可推演建筑結(jié)構(gòu)的預處理，對所有的建筑結(jié)構(gòu)單位相關數(shù)據(jù)加以演算，提前預檢測施工過程中出現(xiàn)的碰撞問題，并模擬關鍵工序，全面把握施工進度與質(zhì)量管理工作，同時還可渲染建筑施工效果，統(tǒng)一組織框架構(gòu)圖。

（4）協(xié)調(diào)性。與CAD 技術相比，BIM 技術不僅實現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)的可視化，還可動態(tài)展示建筑模型成型過程，設計人員可據(jù)此調(diào)整結(jié)構(gòu)設計方案，同時各個部門可將工程相關信息輸入BIM 軟件，實現(xiàn)設計方案優(yōu)化與協(xié)調(diào)管理。

2 BIM 技術在建筑結(jié)構(gòu)設計中的應用

2.1 建筑結(jié)構(gòu)和場地環(huán)境分析

企業(yè)在對建筑的結(jié)構(gòu)進行設計的過程中應遵循一定的原則，其中的原則主要體現(xiàn)在安全性和穩(wěn)定性兩個方面，目的是滿足人們對于房屋建筑安全性的需求。在建筑結(jié)構(gòu)設計時利用BIM 技術衡量建筑結(jié)構(gòu)的合理性，能有效提高建筑的穩(wěn)定性和安全性。同時，利用BIM 技術對建筑工程施工地周圍的地形進行分析，對比先前設計的建筑結(jié)構(gòu)方案，能找到雙方在某個設計點出現(xiàn)的屬性沖突，并以此優(yōu)化設計方案。企業(yè)有條件的情況下也可以將施工工地周圍的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)情況等信息輸入BIM 系統(tǒng)，利用BIM 系統(tǒng)綜合分析施工條件、地質(zhì)影響、氣候影響等客觀因素，用長遠的眼光看待建筑結(jié)構(gòu)設計和施工場地環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)系，確保在施工過程中不出現(xiàn)意外，保障施工的安全和效率。除此之外，BIM 技術也可以分析項目對于環(huán)境的總體影響，將項目對施工工地周邊的生態(tài)環(huán)境污染降到最低[2-4]。

2.2 結(jié)構(gòu)可視化設計

BIM 技術的三維技術能將各種抽象的設計信息匯總并生成較為具體的三維圖像數(shù)據(jù)。這種三維圖像能為建筑結(jié)構(gòu)設計人員全方位展示設計成果，將各種細節(jié)問題放大。如設計人員可以對建筑構(gòu)件的大小、方位以及采用的材料進行追溯，并對發(fā)現(xiàn)的問題進行綜合性分析。同時，BIM 可視化的技術特點也能讓設計師用肉眼觀察建筑結(jié)構(gòu)設計中可能存在的漏洞，利用BIM技術觀察建筑結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)布局，使設計師在進行結(jié)構(gòu)設計時更加富有張力，幫助設計師更好地發(fā)揮自己的實力。

同時，可視化特點能夠更好地確保制定出的結(jié)構(gòu)設計方案更加符合實際情況，能在發(fā)現(xiàn)不合理的因素后快速對問題原因進行調(diào)查，并對設計中不合理的部分進行及時補救。由此可見，BIM 技術在建筑結(jié)構(gòu)可視化中發(fā)揮著巨大作用，利用BIM 技術進行建筑結(jié)構(gòu)設計，不僅能提升設計效率，也能規(guī)避大量設計風險，提高設計總體質(zhì)量[5]。

2.3 準確計算結(jié)構(gòu)設計參數(shù)

設計人員在對建筑結(jié)構(gòu)進行設計的過程中往往涉及大量的數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)分析，BIM 技術能將各種相互關聯(lián)的數(shù)據(jù)進行串聯(lián)，并主動提醒設計者哪些設計的數(shù)據(jù)存在異常，幫助建筑結(jié)構(gòu)設計者找到設計中存在的問題。為了提升設計的質(zhì)量，建筑結(jié)構(gòu)設計人員可以利用BIM 技術對數(shù)據(jù)進行宏觀聯(lián)動更新，避免在人為修改設計內(nèi)容過程中造成修改誤差，更大程度上保證工程設計的內(nèi)容和設計要求一致。

建筑結(jié)構(gòu)設計人員可以通過建立BIM5D 關聯(lián)數(shù)據(jù)庫，準確快速計算工程量，提升施工預算的精度與效率，將BIM 應用在算量中。對于建筑結(jié)構(gòu)設計而言，為保障設計成果的最終質(zhì)量，設計人員可以采用BIM 技術對要計算的數(shù)據(jù)進行變量控制，對各種不同的數(shù)據(jù)按照設計要求進行梳理，以增強結(jié)構(gòu)設計的合理性。以預制結(jié)構(gòu)為例，為了避免設計結(jié)果和后期施工過程中發(fā)生建筑結(jié)構(gòu)變形和結(jié)構(gòu)裂痕，應對預制材料各方面的物理數(shù)據(jù)進行科學計算，預測形變量的范圍，從而滿足各種設計要求[6]。

2.4 優(yōu)化房屋建筑形體結(jié)構(gòu)

建筑結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化不僅僅是對房屋的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，同時也要對建筑的外形形體進行合理化設計，從而達到更高層次的設計要求。就此而言，BIM 技術能在對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的同時提高建筑的穩(wěn)定性和安全性，并根據(jù)要求對建筑的布局、外觀進行合理化設計指導，確保建筑外形既符合當下人們對建筑審美的要求，又能通過建筑的外形對房屋結(jié)構(gòu)設計進行補充。設計人員可以利用BIM 技術科學地調(diào)整建筑內(nèi)部的創(chuàng)新設計，在原有結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎上對建筑內(nèi)部的布局和形狀進行調(diào)整，提高設計完整性。設計人員還可利用BIM技術收集建筑選址、建筑布局、周邊環(huán)境、氣象條件等綜合信息，讓設計人員通過這些信息重視建筑外形對整體結(jié)構(gòu)設計的影響，利用建筑的外形解決一些結(jié)構(gòu)設計中存在的問題和困難。同時，BIM 技術也能對一些特殊結(jié)構(gòu)進行設計調(diào)整，如對連續(xù)性結(jié)構(gòu)以及桿系結(jié)構(gòu)BIM 優(yōu)化設計，保障其發(fā)揮設計預想功能的同時不破壞房屋外形的美觀性，增強房屋外觀和結(jié)構(gòu)設計之間的緊密性。

2.5 實現(xiàn)建筑節(jié)能設計

建筑節(jié)能設計是結(jié)合建筑本身的結(jié)構(gòu)特點，對建筑周圍自然資源進行合理的運用。建筑節(jié)能設計主要有室內(nèi)采光設計、室內(nèi)通風設計等方面，在建筑節(jié)能設計的過程中，通過BIM 技術的有效應用，可以更加清晰地掌握信息數(shù)據(jù)庫，同時也能呈現(xiàn)出可視化的動態(tài)設計圖，利用BIM 技術實現(xiàn)建筑與自然環(huán)境的有機結(jié)合，充分利用自然采光環(huán)境優(yōu)化建筑物的采光，實現(xiàn)建筑物在采光方面的節(jié)能效果。另外，建筑物會受到本身的建筑結(jié)構(gòu)、所處環(huán)境以及建筑物朝向等因素影響室內(nèi)的通風設計，而若在設計過程中應用BIM 技術進行模擬，可以對影響建筑物室內(nèi)通風設計的因素進行充分的掌握和分析，建筑設計人員將周邊環(huán)境數(shù)據(jù)通過BIM 技術輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息庫，然后再根據(jù)當?shù)氐淖匀画h(huán)境狀況，如日照、氣候等環(huán)境的分析，從而設置出建筑參數(shù)值，結(jié)合數(shù)據(jù)對建筑設計進行分析調(diào)整，使得建筑物周邊環(huán)境得到有效的利用，以最優(yōu)質(zhì)的設計結(jié)構(gòu)與設計比例實現(xiàn)建筑無采光節(jié)能設計，并有效提升建筑工程結(jié)構(gòu)設計質(zhì)量與水平。

3 建筑結(jié)構(gòu)設計中BIM 技術的功能要點

多專業(yè)一體融合的BIM 設計功能能為設計人員帶來建筑外形、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設備等具體參數(shù)的直觀化體驗。其所建立的建筑結(jié)構(gòu)三維立體模型能最大程度地避免因結(jié)構(gòu)問題導致的建筑安全隱患。各專業(yè)的設計人員可以通過服務器或者其他可移動終端對設計文件進行權限內(nèi)編輯，滿足建筑、結(jié)構(gòu)、設備等不同專業(yè)的跨專業(yè)的相互獨立又互為整體的施工需求。在建筑結(jié)構(gòu)設計過程中，BIM 技術通過匯總設計子方案提供的設計信息，組合成專業(yè)的綜合數(shù)據(jù)模型，方便各專業(yè)設計人員對不同領域信息進行了解，為各專業(yè)設計人員能更高效地進行溝通和協(xié)調(diào)提供必要條件。在整個過程中，設計人員也能根據(jù)BIM 技術生成的各種回饋信息發(fā)現(xiàn)專業(yè)設計中的錯、漏處和不足，優(yōu)化設計圖紙，減少設計中的不可預測性。

同時，BIM 技術作為現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)科技的衍生產(chǎn)品，其在從業(yè)者的不斷開發(fā)下逐漸具備了同時接收多終端信息，并對不同種類的信息進行實時匯總并處理的能力。這一能力能在如計算工程量之類的BIM 數(shù)據(jù)模型時最大限度優(yōu)化資源配置，有效縮減各專業(yè)人員數(shù)據(jù)統(tǒng)計的時間，從而提高房屋結(jié)構(gòu)設計的效率。設計人員通過BIM 技術將相關的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，為自己工作提供便利的同時，別人也可以通過訪問數(shù)據(jù)庫查詢的方式獲得自己想要的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息資源的共享，設計人員可以通過參考數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)信息及設計成果等得到建筑設計方面的啟發(fā)，從而不斷優(yōu)化自己的設計方案，使得建筑設計方案更加的科學、合理、全面，這也在一定程度上促進了我國建筑設計水平的提升。在互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的大背景下，大數(shù)據(jù)及云計算等技術的出現(xiàn)，也為BIM 技術的信息管理及功能的提升提供了更大的空間，BIM 技術在建筑設計中的應用，以及設計數(shù)據(jù)信息共享功能的實現(xiàn)，有效地促進了我國建筑結(jié)構(gòu)設計水平及設計效率的提升。此外，通過軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)多個設計項目之間的聯(lián)動，有力保障了諸多大型建筑及其配套設施的建筑結(jié)構(gòu)設計工作。

4 結(jié)語

BIM 技術作為當前建筑結(jié)構(gòu)設計中的新興技術，還有很多細節(jié)需要不斷地進行優(yōu)化。但就目前BIM 技術在我國建筑設計領域的應用而言，能較大程度地提高建筑工程的整體設計效率和設計質(zhì)量，并能借助BIM 技術可視性、綜合性的特點，優(yōu)化建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局以及外部形體，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，提升建筑安全性和穩(wěn)定性。對整體提升我國建筑行業(yè)生態(tài)環(huán)境，發(fā)揮著不可替代的積極作用。因此，建筑設計人員要提高對BIM 技術重視程度，不斷提升BIM 技術在建筑結(jié)構(gòu)設計中的應用水平，促進我國建筑行業(yè)的健康發(fā)展。