文／吳明皓 江西省建筑設計研究總院集團有限公司 江西南昌 330046

引言：

建筑結構設計是建筑行業(yè)中至關重要的環(huán)節(jié)，它不僅關乎建筑物的穩(wěn)定性和安全性，也關系到整個項目的質量和效率。然而，傳統(tǒng)的建筑結構設計過程中存在許多挑戰(zhàn)和困難。首先，設計人員通常需要使用多個軟件和工具進行數(shù)據處理和信息交流，這增加了工作量和出錯的可能性。其次，紙質文檔的使用使得設計人員之間的協(xié)作和信息共享變得困難，可能導致溝通不暢和信息丟失。此外，由于設計變更和施工過程中的誤差，可能導致結構設計與實際施工之間存在差異。然而，隨著BIM 技術的興起和不斷成熟，建筑結構設計領域正在發(fā)生革命性的改變。對此，文章對BIM技術在建筑結構設計中的應用方面進行分析，具有重要的現(xiàn)實意義。

1.建筑信息模型（BIM）技術概述

1.1 BIM 的定義

深受行業(yè)人士關注的BIM 技術，在建筑結構設計應用過程中，主要就是能夠建立一個包含各種建筑要素和屬性信息的數(shù)字化模型。這個模型是一個虛擬的、可視化的建筑世界，包括建筑物的幾何形狀、空間關系、材料特性、施工序列等信息。BIM 不僅關注建筑物的外觀，還包括建筑系統(tǒng)、設備、材料等內部組成部分。通過建立這樣一個全面的模型，BIM 技術實現(xiàn)了各個專業(yè)之間的數(shù)據整合和信息交流，提供了更加準確和全面的建筑項目管理平臺。

1.2 BIM 在建筑行業(yè)中的發(fā)展歷程

BIM（建筑信息模型）技術作為一種數(shù)字化的建筑設計和管理方法，經歷了較長的發(fā)展歷程，不斷演變和壯大。起初，BIM 的概念起源于20 世紀70 年代末和80 年代初。當時，計算機輔助設計（CAD）技術開始應用于建筑設計，為設計師提供了繪圖和設計工具的數(shù)字化手段。然而，這些CAD 系統(tǒng)仍然是二維的，無法完整地表達建筑物的三維特征。隨著計算機技術的快速發(fā)展和三維建模技術的成熟，BIM 在90 年代開始引起廣泛關注。許多軟件公司和研究機構開始探索建立綜合建筑模型的方法。在此期間，BIM 的概念逐漸形成，強調以信息為中心，實現(xiàn)各個專業(yè)數(shù)據的整合和共享。進入21 世紀，BIM 技術得到了更加廣泛的應用和推廣。許多國際標準組織和行業(yè)協(xié)會開始制定BIM 標準和指南，以促進行業(yè)的一致性和互操作性。同時，大型建筑項目和國家級基礎設施項目開始采用BIM技術，以提高設計效率、減少錯誤和風險。經過多年以來的發(fā)展，當下行業(yè)內所應用的BIM 技術作用不斷強調，其中軟件工具功能越發(fā)增加，從最初的三維建模，到后來的協(xié)同設計、模擬分析和施工管理，BIM 的應用范圍逐漸擴展。

1.3 BIM 技術應用特征

BIM 技術以建筑信息模型為基礎，通過集成各種數(shù)據和信息，實現(xiàn)了建筑設計、施工和運維全生命周期的協(xié)同工作。具體分析BIM 技術的應用特點，主要體現(xiàn)在以下幾點：

第一，綜合性。BIM 技術以整個建筑項目為中心，綜合了各個專業(yè)的設計和施工信息。它可以集成建筑結構、機電設備、給排水系統(tǒng)等多個方面的數(shù)據，形成一個統(tǒng)一的信息模型。

第二，可視化。BIM 技術以三維建模為基礎，可以生成直觀、逼真的建筑模型。設計師和利益相關者可以通過可視化的方式，更好地理解和評估建筑結構的外觀、功能和性能。

第三，參數(shù)化設計。BIM 技術支持參數(shù)化設計，設計師可以通過調整參數(shù)和規(guī)則，快速生成不同方案的模型。這樣可以提高設計效率，并便于進行設計優(yōu)化和變更管理[1]。

2.BIM 技術在建筑結構設計中的應用路徑

2.1 三維建模和可視化

三維建模是通過使用BIM 軟件工具創(chuàng)建建筑結構的三維模型。這種模型可以精確地表示建筑的幾何形狀、構件的尺寸和位置等重要參數(shù)。在建筑結構設計的初期階段，通過三維建?？梢愿玫乩斫夂驼故窘ㄖY構的整體形態(tài)。此外，三維建模還可以幫助設計團隊進行協(xié)同工作，提高工作效率和準確性。針對可視化評估方面，BIM 技術使得建筑結構的特征和性能可以更加直觀地呈現(xiàn)出來。通過對三維模型進行可視化分析，設計團隊可以評估建筑結構的結構穩(wěn)定性、荷載分配、構件連接等關鍵方面。而且可視化評估還可以幫助檢查設計中的潛在問題，如沖突、不一致性或設計錯誤。以下是一些在三維建模和可視化過程中常用的參數(shù)和其相關信息的示例表格(見表1）。

表1 BIM 技術三維建模與可視化涉及參數(shù)展示表

通過建立精確的三維模型并進行可視化評估，設計團隊可以更好地理解建筑結構的特征和性能。這有助于提高設計的質量、減少潛在問題，并促進設計團隊之間的合作和溝通[2]。

2.2 信息整合和共享

BIM 技術在建筑結構設計中的應用已經成為當前建筑行業(yè)的熱點之一。它通過信息整合和共享，為建筑結構設計師們提供了更高效、更準確的工作平臺。下面以某一案例為例，探討B(tài)IM 技術在建筑結構設計中的信息整合和共享方面的應用。在這個案例中，一個大型的商業(yè)建筑項目使用了BIM 技術進行結構設計。通過BIM 軟件，結構設計師們能夠將各個專業(yè)的數(shù)據進行整合與協(xié)同。傳統(tǒng)的設計方式中，各個專業(yè)之間的溝通和數(shù)據交流常常存在障礙，導致信息的不完整和重復勞動。而借助BIM 技術，設計師們可以在同一個平臺上共享和訪問各個專業(yè)的數(shù)據，從而實現(xiàn)了信息的無縫整合。比如，結構設計師可以直接獲取建筑師提供的模型信息，包括樓層平面、立面圖和結構梁柱等信息。這樣一來，設計師們可以更好地了解建筑師的設計意圖，將其納入到結構設計中，并及時反饋給建筑師進行調整和優(yōu)化；除了專業(yè)數(shù)據的整合與協(xié)同外，BIM 技術還提供了實時信息交流和協(xié)作平臺。在傳統(tǒng)的設計過程中，設計師們常常需要通過傳真、電子郵件或會議等方式進行溝通，這樣的方式效率低下且容易出現(xiàn)誤解。而有了BIM 技術，設計師們可以通過共享模型進行實時的信息交流和協(xié)作。他們可以在同一個模型上進行標記和注釋，提出問題和解決方案，并即時與其他設計師進行討論，這種實時的交流和協(xié)作使得團隊的合作更加高效和緊密，減少了溝通誤差和時間成本；另外，BIM 技術還提供了可視化的展示和演示功能。通過BIM 軟件，設計師們可以生成高質量的三維模型和動畫，將設計方案直觀地呈現(xiàn)給項目團隊和客戶。這樣一來，所有相關方可以更好地理解和評估設計方案，并提出寶貴的意見和建議。設計師們可以根據反饋進行調整和改進，提高設計方案的質量和可行性。

2.3 模擬分析和優(yōu)化

鑒于BIM 技術強大的模擬分析與優(yōu)化作用，能夠大大減輕設計者的工作壓力，也能夠確保建筑結構設計方案更具實用性以及可行性，具體來講主要包括以下幾點：

第一，結構力學分析與優(yōu)化。通過BIM 技術，設計師們可以進行結構的力學分析和優(yōu)化，以確保結構在正常和極限工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性和承載能力。借助BIM 軟件，設計師們可以模擬結構受力情況，進行靜力和動力分析，得出結構的位移、應力和變形等參數(shù)，這有助于評估結構的安全性，并及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題。此外，BIM 技術還可以進行參數(shù)化設計和優(yōu)化，通過改變結構的幾何形狀、材料性質和截面尺寸等參數(shù)，找到最優(yōu)的結構方案。下面是一個示例的數(shù)據表格，展示了通過BIM 技術進行結構力學分析與優(yōu)化的過程[3]。

第二，抗震分析和模擬?？拐鹦阅苁墙ㄖY構設計中至關重要的方面。BIM 技術可以進行抗震分析和模擬，評估結構在地震荷載下的性能，并提供合適的設計和改進措施。通過BIM 軟件，設計師們可以模擬地震力作用下的結構響應，包括位移、加速度、應力等。這有助于發(fā)現(xiàn)結構的薄弱環(huán)節(jié)，并進行抗震性能的優(yōu)化設計。此外，BIM技術還可以進行多次地震模擬，評估結構的可靠性和安全性；

第三，材料優(yōu)化與性能評估。BIM 技術可以幫助設計師進行材料的優(yōu)化選擇和性能評估，以提高結構的可持續(xù)性和效益。通過BIM 軟件，設計師們可以模擬不同材料的性能表現(xiàn)，包括強度、剛度、耐久性等。通過分析不同材料的優(yōu)劣勢，設計師們可以選擇合適的材料，并進行性能評估，以確保結構的穩(wěn)定和可靠性。

2.4 施工和管理

BIM 是一種基于數(shù)字化模型的工具，能夠在整個建筑項目的生命周期中提供可視化、協(xié)作和管理的支持。首先，BIM 技術可以通過可視化指導和管理來提升施工過程的效率。通過將設計和施工信息整合到一個模型中，施工人員可以直觀地了解建筑物的結構和組件，從而更好地理解施工要求和步驟。BIM 模型可以提供3D 視圖、剖面和平面圖等多種展示方式，使施工人員能夠全面了解建筑物的細節(jié)，這種可視化指導有助于減少溝通誤解和錯誤理解，提高施工過程的準確性和效率；其次，BIM 技術可以幫助管理施工過程，并減少誤差。在傳統(tǒng)的建筑項目中，施工計劃、材料清單、進度安排等信息通常以紙質或電子表格的形式進行管理，容易出現(xiàn)信息不一致或更新不及時的問題。而通過BIM 技術，這些信息可以集成到一個統(tǒng)一的模型中，實現(xiàn)信息的實時共享和更新。施工人員可以通過BIM模型了解項目的實時狀態(tài)，包括材料的供應情況、工程進度和質量檢查等。這種集成化的管理可以減少信息傳遞和數(shù)據錄入的錯誤，提高施工過程的可控性和準確性；最后，BIM 技術可以通過優(yōu)化施工過程來提高效率。BIM 模型可以模擬建筑物的施工序列，幫助施工人員規(guī)劃施工順序和優(yōu)化資源利用。通過模型的可視化展示，施工人員可以更好地理解工程要求和流程，從而避免不必要的重復工作和資源浪費。此外，BIM 技術還可以與其他工具和系統(tǒng)集成，如進度管理系統(tǒng)和物料管理系統(tǒng)，實現(xiàn)施工過程的自動化和協(xié)調，提高工作效率和質量控制[4]。

3.BIM 技術在建筑結構設計中的應用難點及其處理措施

3.1 易受外部影響

BIM 技術在建筑結構設計中的應用帶來了許多優(yōu)勢，但同時也面臨一些難點和挑戰(zhàn)。其中一個主要難點是容易遭受外部影響。在建筑項目中，涉及多個參與方，如設計師、工程師、承包商和供應商等，他們可能使用不同的軟件和工具，造成信息不一致或無法無縫集成的問題。首先，不同軟件和文件格式之間的兼容性是一個常見問題。不同參與方可能使用不同的軟件來創(chuàng)建和修改設計和施工文檔，這可能導致文件格式不兼容或轉換錯誤，這會導致信息丟失、模型準確性受損或數(shù)據不一致，影響到整個項目的協(xié)調和一致性。為了解決這個問題，需要建立統(tǒng)一的數(shù)據交換標準和協(xié)作流程。例如，采用開放的BIM 標準，如IFC 可以實現(xiàn)不同軟件之間的數(shù)據交換和共享。此外，建立明確的協(xié)作流程，包括文件版本控制、協(xié)作平臺的使用和數(shù)據更新的規(guī)定，可以促進各參與方之間的有效溝通和協(xié)作；針對外部影響方面的難點，還表現(xiàn)在項目變更和不確定性。在建筑項目中，設計和施工過程中經常會發(fā)生變更，如設計修改、材料更換或進度調整等，這些變更可能會對BIM 模型和相關文檔產生影響，導致模型的準確性和一致性降低。然而這一問題的處理，就必須要求企業(yè)積極創(chuàng)建完善的變更管理機制，在BIM 模型中實施變更管理，包括記錄和追蹤變更請求、評估變更對模型的影響、及時更新模型和相關文檔等，可以確保變更得到正確處理并與所有相關方共享。而且及時溝通和協(xié)調各參與方之間的變更事項，也可以降低變更引起的不一致性和沖突[5]。

3.2 數(shù)據容易丟失

BIM 技術通過集成不同領域的設計信息，包括建筑、結構、機電、給排水等，以數(shù)字化的方式呈現(xiàn)整個建筑項目的各個方面。然而，盡管BIM 技術具有許多優(yōu)勢，但在實踐中也存在數(shù)據容易丟失的問題。首先，數(shù)據容易丟失可能是由于技術問題或人為錯誤導致的。在設計和協(xié)作過程中，如果BIM 軟件出現(xiàn)故障或不穩(wěn)定，可能會導致數(shù)據丟失。此外，如果操作人員不熟悉BIM 軟件的使用方法，可能會意外刪除或覆蓋重要的數(shù)據；其次，數(shù)據容易丟失還可能與數(shù)據管理和共享不善有關。在多個團隊或多個階段的項目中，如果數(shù)據的管理和共享不夠規(guī)范和嚴密，就容易導致數(shù)據的遺失或混亂。例如，當團隊成員在不同的軟件平臺上進行數(shù)據傳遞時，可能會出現(xiàn)格式不兼容或丟失的情況。為了解決數(shù)據容易丟失的問題，有幾個關鍵的措施可以采取。第一是建立嚴格的數(shù)據管理和共享規(guī)范。團隊成員應該明確各自的責任和角色，并確保數(shù)據按照統(tǒng)一的標準進行命名、分類和存儲。而且過程中也應建立有效的數(shù)據傳遞流程，確保數(shù)據在不同軟件平臺和團隊之間的無縫交流；第二是建立數(shù)據備份和存檔策略。團隊應定期進行數(shù)據備份，并確保備份數(shù)據的完整性和可訪問性。備份數(shù)據應存儲在可靠的位置，并采用多層次的備份策略，以防止單點故障[6-7]。

結語：

簡而言之，本論文主要探討了BIM 技術在建筑結構設計中的具體應用。通過對相關文獻的研究和實際案例的分析，我們深入了解了BIM 技術對建筑結構設計帶來的積極影響。首先，BIM 技術在建筑結構設計中具有廣泛的應用前景。通過BIM 技術，設計團隊可以實現(xiàn)數(shù)字化的建筑信息模型，將各種設計參數(shù)、施工過程和運維數(shù)據整合到一個統(tǒng)一的平臺上。這樣的集成性和一體化設計方法可以提高設計團隊之間的協(xié)同工作效率，減少錯誤和沖突，并最終改善建筑結構的質量；另外，BIM 技術還能夠實現(xiàn)建筑結構設計與其他專業(yè)的協(xié)同工作。在傳統(tǒng)的設計過程中，不同專業(yè)的設計師常常存在信息不對稱和溝通困難的問題。隨著技術的不斷發(fā)展和成熟，BIM 技術將進一步融入設計、施工和運維的各個環(huán)節(jié)，形成一個完整的建筑生命周期管理系統(tǒng)。同時，隨著智能化和自動化技術的進一步發(fā)展，BIM 技術將與人工智能、物聯(lián)網和大數(shù)據等領域相結合，為建筑結構設計帶來更多創(chuàng)新和優(yōu)化。