BIM技术在建筑结构设计中的研究

王明琦

（天津市长城建筑设计有限公司，天津 300041）

0 引言

BIM相关技术是一类搭建或者采用参数化模型进行建筑工程的规划设计及项目管理的技术，针对建筑工程的设计过程来说，BIM技术是一类领先的规划设计相关技术及工作流程，该技术给项目工程带来了智慧化及信息化的数据参数交互平台，具备共同设计、自顶向下参数化设计、模拟仿真及受力分析管理等模块。如图1所示，在建筑主体结构规划设计领域的大型施工企业中，应用BIM技术进行建筑结构规划设计已经超过5年的公司比重已经达到了41%，BIM技术在未来为3～5年中的应用比例高达43%。BIM技术在中小规模建筑主体结构规划设计企业中的使用已经超过5年的数量仅为13%，主要原因是当中绝大多数相关企业在近期才了解到BIM技术，BIM技术应用比例为3～5年的达到45%[1]。

1 BIM技术定义

BIM（Building Information Modeling）技术指的是一类使用在建筑工程设计、施工建造及工程管理的数字化解决方案，经过对于建筑物的数字化及参数化模型整理，在工程项目规划、运作及维护的整个生命周期进程中进行数据信息互通及传输，使相关建筑工程设计人员掌握各类工程数据信息，为相关设计团队及建设、施工作业企业在内的各个建筑工程参加主体带来共同工作的平台，在提升施工作业效率、降低造价及压缩施工周期层面起到了关键作用。BIM技术如图2所示。

图1 各种规模建筑设计型公司BIM技术使用状况

2 BIM技术优势研究

2.1 建筑工程BIM技术生成的模型具备可视化的优良特性

工程设计人员可以BIM技术进行建筑工程的实体建模操作，实现项目工程的3D实体模型的生成工作，借助3D立体的图像模式来体现建筑实体工程的相关参数信息，跨越了以往借助二维平面的施工作业图进行想象3D立体工程实体的技术限制，促进了建筑项目工程中各个相关部门或者各个专业人员间在图形化的3D实体模型中进行有效的沟通、交流及工程有关的决策[2]。

图2 BIM技术

2.2 建筑工程BIM技术生成的模型具有信息集成的特点

工程设计人员可以借助BIM相关技术生成建筑项目工程整体的全部阶段的参数信息文档，相关文档汇集了建筑工程的模型有关的参数信息，例如外形尺寸的几何信息、材料物理属性信息、工程结构空间参数信息、建筑原材料及构件的参数信息、建筑原材料数目和有关属性信息等，汇总为复杂的建筑工程总体模型，数据信息库生成复杂的建筑工程模型，相关的数据库达到了建筑工程规划设计进程的集成化，参数信息规范化的目标。

2.3 建筑工程项目BIM技术生成的模型具备工程实际模拟的特性

工程设计人员可借助BIM相关技术，针对对建筑工程3D模型处在各种各样的外部环境条件下的情况实施模拟操作，例如实施建筑工程3D模型的放大操作、缩小操作、旋转操作等，由此进行多维度的观测，或者能够完成工程结构的受载荷情况的模拟、日光照射情况的模拟、节能减排活动的模拟、热量传递情况的模拟、施工作业过程的模拟，从而完成建筑工程的各类制约要素的工程模拟及相关设计工作[3]。

2.4 钢筋表达在BIM技术中的应用研究

钢筋表达一般是指钢筋水泥混凝土结构在BIM技术建模中的三维立体化呈现，能够获取精确的钢筋外形尺寸及位置确定，图像化隐藏工程，体验建筑工程构造的实际信息，实施水泥混凝土钢筋的用量计算。钢筋表达如图3所示。目前BIM技术中主要采用实体与详图表达钢筋以及平法注释表达钢筋2种方法。实体与详图表达钢筋可以对钢筋的信息进行三维立体表达，方便选定钢筋的所处位置、表现形式及外形尺寸等，并且通过三维视图隐蔽阻挡钢筋的水泥混凝土参数，对隐蔽部位的钢筋信息进行观察。然而此类技术方法对于计算机硬件需求非常高，大量占用计算机存储空间，相关工程技术人员工作量很大。平法注释表达钢筋的方法指的是实施相关构件的钢筋参数赋值，使相关参数信息和构件科学结合，并借助注释实施调取及互换研究，优势是能够在1张图纸上表现很多的钢筋参数信息。缺点是必须实施三维立体图形的空间想象，表现形式不直接。2类技术模式表达各有所长，在实际操作过程中可以依据实际需求进行选择。

图3 钢筋表达

3 基于BIM相关技术的建筑工程结构实际应用的解决方案

3.1 建筑工程结构实体模型的可视化实际应用

工程设计人员可以应用BIM相关技术进行3D建模操作，将结构复杂的工程结构或者异形的工程结构用3D建模的模式表现其相对应的空间状态，准确、直观而真实地将项目工程的结构相关信息、空间相对位置以及3D模型全方位地展现在相关工程设计人员的面前，更能直观真实地表达出相关建筑工程的总体面貌，方便设计人员进行多角度、多层面的观测工作，然后对于建筑工程相关构件的各项功能的排布及构件和构件间的相对空间布局之间的关联性进行更加精确的研究，从而判断相关建筑工程规划设计的构件外形尺寸以及空间相对位置是否科学合理，进一步优化相关建筑工程的结构规划设计方案，提升设计工作的总体品质，可视化的工程结构3D模型对于设计人员来讲，观测工作非常方便，容易进行清晰的解读，大幅度提升了工程设计人员的工作效率。如图4所示，17%的工程设计企业没有推行BIM相关技术的的计划，23%的企业刚开始实行BIM相关技术的概念化，56%的设计企业实施了BIM技术的规模化试验。只有大约1%～3%的企业已经将BIM相关技术应用于大规模的工程项目中[4]。

3.2 建筑施工单位应用BIM相关技术的主要领域

3.2.1 碰撞检查，降低返工概率

结构的碰撞方面的检查工作是为了达到减少设计返工的目的。工程设计人员可以应用BIM技术中的3D建模技术，在设计前期进行模拟碰撞检查工作，能够使设计者直观地应对结构空间关系中的各类干涉情况，优化设计，最大限度地降低施工阶段可能出现的问题及返工情况，对于净空及管线布置的方案也能起到优化的作用。现场操作人员可以使用最后经过碰撞检查优化的最佳方案，完成实际的施工交底、工程模拟工作，从而提高工程质量，并且提升和业主交流协作的效果。

3.2.2 模拟施工过程，大力协调各部门工作

模拟现场施工，进行协同作业。3D可视化操作配合时间维度操作，可以模拟项目进程，直观迅速地将设计和现场进展进行比对，并且进行有效的协同作业，参加工程建设的各方都清楚地了解项目的相关情况及可能发生的问题。进而降低建筑工程出现品质问题、安全生产问题的概率，大幅度减少返工及项目整改的次数。应用BIM相关技术进行多部门的协同作业，能够高效地完成重要信息的有效交互，加速反馈及相关决策等信息的传送效率。使用模块型的模式，在某个工程的BIM相关信息生成之后，可以借鉴和引用类似的项目，积累知识，避免重复工作。

3.2.3 三维空间渲染图形

为了方便宣传和展示3D模型的渲染动画，可以借助虚拟现实的技术使观察者拥有代入感，带给其真实的临场感及直观的视觉方面的冲击效果，结合投标工作演示和施工程方案的及时调整。生成的BIM相关模型可以进行二次开发，大幅度提升了3D模型渲染效果的精度操作效率，带给业主更加直观震撼的宣传效果，在相关投标过程中能够提高设计方案的中标概率。

3.3 BIM相关技术在建筑工程结构规划设计过程中的实际应用

3.3.1 方案设计阶段流程

具体过程为工程结构规划设计基础条件/建筑工程方案3D模型→工程结构方案规划建模→建筑结构计算→工程结构校审→编辑模型→专业工程协调沟通→方案完成。总体方案完成后进入下一时段：初期规划设计时段。使用BIM相关技术之后，可以完成主体结构规划设计，将主体结构方案规划设计的模式、表现方法由纸质材料转换为工程结构的3D模型，并作为工程设计总体方案的部分应用于建筑工程规划设计工作的审批过程中。

图4 BIM应用深度分布状况

3.3.2 初期规划设计时段过程

具体过程为整理载荷的相关信息/生成初期的3D模型→工程结构初期建模→主体结构的计算→工程结构的校审→组合相关模型→专业问题沟通→方案完成。在此前的时段的相关BIM技术生成的结构模型上进行进一步工程结构的建模操作，各部门能够共同参与规划设计过程。

3.3.3 施工作业图规划设计时段的过程

具体过程为工程地基条件、雨雪荷载、风荷载、地震相关参数/施工作业图模型→总体结构作业图纸建模→结构分析→专业校审→组合相关3D模型→专业问题沟通→BIM技术相关结构模型/某些2D作业图修改→BIM模型审核/2D图校审→方案完成。BIM设计模型完成。

4 BIM技术在绿色建筑设计过程中的使用研究

4.1 提升绿色建筑原材料的材料利用率

相关工程技术人员应该最大限度地选取可再生的绿色建筑原材料，该材料需要占建筑原材料使用总体数量的12%以上，且不会对自然环境造成污染，并保证广大人民群众的健康。与此同时，还能够使用BIM技术对于可再生建筑原材料的各项技术参数进行统计，以确定建筑原材料的应用能否满足相关建筑行业的设计标准。

4.2 提升建筑物室内环境品质

4.2.1 模拟仿真建筑物室内的通风研究

相关工程技术人员应用BIM技术模拟仿真及研究建筑物室内的通风区域、外形尺寸及框架结构，了解建筑物室内的通风过程以及冷热气流的排布，使建筑室内科学通风，并且优化室内环境[5]。

4.2.2 模拟室外自然光线研究

相关工程技术人员应用BIM技术研究该建筑物能否安装天窗，并且按照绿色建筑规划设计过程中的自然光照射合理参数，模拟建筑物室外及室内的光照环境，完成建筑物室内的自然光的规划设计。为了提升自然光照的采光效果，相关工程技术人员需要调配建筑物排布及构造的可见日光透光效率，并且相应地调整建筑内部布局。

4.2.3 模拟研究热环境过程

相关工程技术人员根据建筑物规划的要求，应用BIM技术建立建筑工程的路况系统、给排水体系及绿植等参数模型，并能够在BIM技术中根据实际的天气状况及周边自然环境设计相关技术参数。还能够进行绿化带加固，进而尽量减少热岛效应。

4.2.4 模拟研究建筑物室内环境噪声的过程

相关工程技术人员应用BIM技术模拟研究建筑物施工现场的真实状况，并且采用电脑软件模拟相关作业环境，搭建所需要的三维立体化数字模型，使用最先进的建筑物室内装修原材料预估建筑物的声学品质。

4.3 完成数据信息的互联互通及资源共享

现代建筑物绿色设计技术是1类跨学科的多种专业协作工作的过程，为了确保各个专业能够有效地进行沟通及协作，建筑物主体结构规划设计中涉及的数据信息需要完成互联互通及资源共享。由于常规设计过程中的数据信息共享体系有待完善，因此相关工程技术人员在规划设计进程中不能使数据信息同步。

5 结语

综上所述，BIM技术是1种可以显著提升建筑物主体结构规划设计工作效率及施工作业品质的专业技术，该技术具备模拟仿真特性、可视化分析、数据信息集成、实时传输性及协同工作等很多优点，具体技术的实施能够在建筑物主体结构三维数字化模型设计过程中实施可视化、参数化、钢筋排布、流程规划、构造功能及施工现场操作研究使用。