BIM 结构设计应用

赵华英

(上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司，上海 200041)

1 引言

随着现代工程技术的发展，设计变得越来越复杂，也需要越来越多的专业参与到其中，那么就更需要对同一个模型和相同的数据进行分享。信息化是这个社会的趋势，当然也是设计行业的趋势，BIM 就是建筑信息化，BIM 是整个建筑生命周期的建筑信息模型化，从规划到设计、到施工、再到设备维护运营，甚至到建筑的拆除，在这整个周期中，设计是上游阶段，因此，BIM 在设计阶段应用的是否成功决定了BIM 在其他阶段的应用的连续性和有效性。也就是说，BIM 在设计行业的发展影响着BIM在建筑行业的发展。简单地说，没有设计上的BIM，就没有建设行业的BIM。

虽然设计师和设计团队从CAD 设计方法到BIM 设计方法发生了根本的变化。虽然BIM 是越来越多的应用，但它目前还仅是一些大型建筑设计公司在尝试应用，许多中小型建筑设计公司仍采用常规的CAD 方法，而且也很满足于此。这是因为在设计过程中还存在着很多困难。比如，第一，部分设计师不愿改变和不理解相对于传统的二维图纸BIM 的巨大潜力和效益;第二，对BIM 技术人员培训的困难和很难聘请到精通BIM 的专业工程师;第三，改变思维方式仍然是一个挑战;第四，在基于BIM 的建筑设计过程中工作团队里各人的职责分工不够明确。

文章通过研究总结BIM 的技术特点建立BIM 结构设计方法，明确BIM 结构设计工作流程、协同工作方式、参与人员职责、BIM 标准实施、数据交互、计算分析、图纸绘制、数据资源管理、质量控制原则、成果交付要求等，论述如何利用BIM 技术和先进的BIM 软件工具提升设计过程标准化和质量控制，使设计工作更加高效，促进基于BIM 结构设计的实际生产作业。基于传统的结构设计工作方法，研究其工作程序与BIM技术优势，遵照现行的生产管理方式，全面提升结构设计在BIM 技术应用下的可实施性，例如:外部模型数据的格式要求、内外部设计资源的统一管理、协同设计方式的选取等实现减免部分重复工作、避免设计过程中信息的缺失和不对称，提高设计成果的质量。

图1 设计团队组织架构

2 BIM 设计组织架构、工作流程

BIM 结构设计开始之前应有明确的设计项目组织架构和适合项目的工作流程。明确的BIM 结构设计组织架构能清楚地区分设计团队成员的职责和工作内容。在基于BIM 的设计过程中遵循合理的工作流程有利于各专业之间互相协调，同时可以保证项目的顺利进行，可以在基于BIM 的设计过程中及时有效地解决设计过程中遇到的问题和冲突。设计过程中BIM 设计师可以通过更新模型实时检查设计冲突，不必在设计结尾时再解决。基于BIM的设计组织架构和流程示意图见图1 -3。

图2 结构专业BIM 设计团队组织架构

3 BIM 设计团队成员职责

3.1 BIM 经理职责

在设计中对项目各个参与专业的设计质量和设计进度以及提供的材料等信息有协调管理的义务;

建立、删除、修改和维护足够的用户进入权限，防止数据在交换、维护和归档过程中丢失;

负责编制《BIM 设计阶段执行计划》;

主持编制BIM 各阶段的汇报文件，并及时更新《BIM 设计阶段执行计划》，协调各参与专业的设计;

组织项目综合定案会;

负责组织BIM 模型及BIM 图纸的确认、交付;

组织BIM 人员参加BIM 设计答疑，设计技术交底和施工现场配合，解决有关设计技术问题，参加施工验收并交付BIM 竣工模型。

3.2 BIM 协调员职责

协助BIM 经理编制《BIM 设计阶段执行计划》;

负责维护项目应用的BIM 软件、硬件和网络平台;

协助BIM 经理管理设计过程中的存档文件和设计成果的存档、维护;

协助BIM 经理对外协作。

3.3 BIM 专业负责人职责

在设计中控制本专业的设计质量和设计进度，参与编制《BIM 设计阶段执行计划》;

对本专业所承担BIM 设计工作的建模精度和建模进度负责;

统一专业内部的设计软件使用、数据交换规则;

按照《BIM 设计阶段执行计划》开展BIM 工作，严格执行国家和地方的有关规定、规范、标准，正确选用规范依据;

编制和维护样板文档;

定期检查BIM 模型文件;

负责BIM 本专业与其他专业间的设计资料传递工作;

负责专业内的BIM 模型划分和工作任务分配;

对完成的BIM 模型必须进行认真的校对，对设计人员的校审意见，逐条修改执行情况负责;

定期进行BIM 模型会审，保证模型的完整性和准确性，维护项目工作流;

及时收集设计人员在设计过程中遇到的问题，并组织专业定案会，参加项目定案会;

按照BIM 文件的保存归档的规定，对相本专业文件及模型认真分类归档。

图3 结构专业BIM 设计工作流程

3.4 BIM 设计师职责

完成BIM 专业负责人分配的BIM 设计工作;

BIM 模型的主要建立者;

依据现行国家规范进行设计工作;

与BIM 绘图员共同完成设计工作;

对模型和图纸的完整性负责;

定期检查BIM 模型文件。

3.5 BIM 绘图员职责

正确理解设计意图，认真执行设计人的指令，需做补充或优化时应得到设计人的确认;

绘制的BIM 模型应符合有关建模标准和模型设计深度要求;

绘图员必须对绘制的模型进行自校。

4 BIM 协同设计方式

协同设计开始前，项目组应确定一个适合项目的协同设计方式。建筑专业应建立“起始模型”以供其它专业以“起始模型”为基础开始协同设计，在协同设计之前使用Revit 中的“共享坐标”工具定义项目中某一点的真实世界坐标，并将其发布到所有链接的模型，采用“通过共享坐标”插入方法链接其它子模型，同时应正确建立“正北”和“项目北”之间的关系。采用外部参照时参照路径应使用“相对路径”进行参照，防止文件位置变化后参照丢失。同时整个项目应确定一个共同的原点坐标，以便协同设计时各专业之间的模型链接。

4.1 专业之间

建议采用“文件链接(Link)”方式进行BIM 设计协同。该方式不存在图元借用和中心模型的概念，属离散型协同设计，通常不存在跨专业修改，更多的是相互参照。该方法可以在协同的基础上将专业间干扰降至最低。

4.2 专业内部

建议采用“工作集(Workset)”方式进行BIM 设计协同。该方式存在图元借用和中心模型等紧密型的协同设计，适用于专业内部协同设计。由于采用中心模型，不同设计师均在本地模型操作属于自己权限的构件，然后再与中心模型同步更新。该方法只有中心模型是可以完整编辑的模型，中心模型的管理机制和操作权限非常重要，如果管理不善很可能导致模型崩溃。

5 数据资源管理

5.1 外部数据资源管理

设计过程中应对外部提供的项目资源统一管理，不同类型、属性的资源应分别存放至项目“共享”区，当设计团队人员使用外部资源时应复制至本地后应用，不得修改、破坏原始资源。外部资源的使用前应将现有的工作模型留存副本，以防止由于外部资源的引入导致模型崩溃。外部资源应由BIM 经理统一批准进入，由BIM 协调员统一管理，由BIM 专业负责人统一使用。当外部资源更新时由BIM 经理统一发布。项目的BIM 协调员应预先检查导入的数据是否适用，然后才能将其放到项目的“共享”区域进行共享。建议在导入或关联至BIM 模型之前对数据进行清理，以去除所有无关或冗余数据，这些数据可能会影响BIM 数据库的稳定性。

5.2 内部数据资源管理

内部资源是指通过BIM 软件在建模过程中用户通过软件功能添加的资源。同一专业下不同设计师添加的资源应分别命名，命名规则应符合本标准总则命名规则的要求，不同类型的资源应分别存放至独立的文件夹下。内部资源由创建该资源的设计师同一管理、发布，当其他设计师引用该资源时应注意资源的更新情况。当将外部资源转化为内部资源时，应由BIM 专业负责人统一执行，经检验后再发布。外部资源转化为内部资源后的参数名称、类型属性均应与项目已由的参数名称、类型属性协调一致。转化用的外部资源应留存副本，转化后的内部资源源文件也应该留存副本，并存放至独立的文件夹下，由BIM 专业负责人统一管理、发布。设计师新建立的内部资源文件，经过BIM 专业负责人、BIM 设计经理的逐级审核后及时归入BIM 项目数据库，以便其他BIM 设计师调用资源。内部资源是BIM 工作的成果和积累，所有的项目参与者与管理者应特别重视内部资源的保护，防止随意拷贝与发布。

图4 专业之间协同示意图

图5 结构专业内部协同示意图

图6 复制/监视建筑构件

6 BIM 设计执行计划

在BIM 设计阶段实施过程中，为有效应用BIM，项目组应当在项目的初期制定一个《BIM 设计阶段执行计划》。该计划包含项目组在整个项目过程中需要遵循的整体目标和实施细节。计划应在项目的开始阶段就要明确下来，以便指定的新项目团队加入后能更好的适应项目。

图7 启用分析模型

《BIM 设计阶段执行计划》有利于业主和项目团队记录达成一致的BIM 说明书、模型深度和BIM项目流程。《主合同》应当参考《BIM 设计阶段执行计划》确定项目团队在提供BIM 成果中的角色和职责。制定《BIM 设计阶段执行计划》后，项目团队能够:

清楚地理解项目实施BIM 的战略目标;

清楚在BIM 设计阶段协作中的角色和职责;

规定一个能实施的基于BIM 的设计流程;

确定BIM 设计使用的软件平台，如Revit Structure;

规定BIM 设计过程中的阶段性成果标准;

规定设计过程中的提资、反提资、协同设计、校审、存档等过程标准;

规定内、外部资源的整合、应用标准;

编写项目设计进度表;

规定基于BIM 的设计质量控制标准;

选择项目适合的BIM 应用平台(软件、硬件、网络等);

规定设计分析软件的应用;

各专业应定制结合BIM 设计流程的统一技术措施，该措施是设计师在专业方面的指导意见，通常由BIM 专业负责人编写。

7 BIM 结构设计

7.1 链接建筑模型

通过链接建筑Revit 模型，把建筑模型里的轴网和柱网参照到Revit Structure 里，应用“复制/监视”工具将建筑模型的轴网和柱网复制到结构模型中，此时结构复制的轴网、柱网和建筑模型中的轴网、柱网建立了监视关系，如果被监视的对象发生了移动或者修改，程序会发出警告提示结构设计师，有了轴网和层高，就可以继续添加结构构件了，如梁，板，柱，桁架等，来完善结构模型，形成一个初步的物理结构模型，在添加构件的同时应勾选构件属性对话框中的“启用分析模型”选项。

图8 调整分析平差

图9 Revit 分析模型

7.2 分析模型建立

启用分析模型之后，在结构构件建立的过程中会同时建立计算分析用的有限元线、面单元模型。在结构设计时几何模型和物理模型任然存在一定的区别，例如对比较小的高差在分析时结构一般采用同平面处理，对节点相近的杆件一般采用共用节点处理，以减少计算中的刚度矩阵产生奇异。在Revit 里可以通过，分析对象属性对话框中的“分析平差”选项调整分析模型与几何模型构件之间的相对关系，实现分析模型与几何模型的差别共存。

8 BIM 结构设计分析计算

8.1 进行结构计算分析之前的准备

在结构模型建好之后，就需要进行结构的分析计算，该项目是在ETABS 结构有限元分析软件里进行计算，把结构模型从Revit Structure导入到ETABS 里，当然这个导入是双向的，在导入之前，我们还要做一些计算前的定义。

图10 导出.exr 文件

给结构模型定义准确的荷载是保证计算结构正确的重要的一步，在Revit Structure 里也可以定义荷载，但是仍然不方便，那就是荷载的修改，需要从计算软件返回到模型软件里去修改，这样就加大了工作量，而且很容易出错。在本工程，荷载是直接在计算软件里定义的，这样更方便，定义的荷载也更稳定，因为计算软件里的荷载类型更多，而且可以直接修改，不需要返回到模型软件里去修改。

计算之前还要做的一个准备是模型的一致性检查，在一个结构模型建立完成的同时Revit 会生成一个相对应的分析模型，这个结构分析模型就是用来进行计算分析的，因为计算软件只接受分析模型，为了保证物理模型和分析模型的一致性，在计算之前必须要进行一致性检查。

图11 生成的ETABS 模型

图12 “梁注释”对话框

8.2 导入分析软件

本工程采用的结构分析软件是美国CSI 公司开发的ETABS 结构有限元分析软件，该软件自行开发了与Revit 模型数据交换的应用程序，该应用程序即可通过Revit 模型生成新的ETABS 分析模型，也可以更新现有ETABS 模型，反向亦可。鉴于规定的BIM 结构设计流程和图纸绘制的要求，本工程采用的是Revit Structure 模型作为主设计模型，原因是Revit Structure 模型需要与外部专业的BIM 模型保持一致，同时Revit Structure 模型还有作为图纸绘制的基础作用。

应用程序会将Revit Structure 的分析模型导出为.exr 文件，打开ETABS 软件导入生成的.exr 文件即可生成ETABS 分析模型。在生成基础的ETABS模型后结构设计师继续在分析软件中定义约束、荷载、抗震等分析参数，同时设计师应对导入的分析模型进行仔细检查。

9 BIM 结构设计图纸绘制

图纸是BIM 结构设计成果最终的交付物之一，也是最重要的交付物，在BIM 结构设计中，二维图纸的表达方法仍然采用了传统的“结构平法施工图表达方法”，下面就主要以梁、板结构平面图的绘制方法做一个简单介绍。

首先将Revit 转至平面视图，更改视图名称如“三层梁平法施工图”，Revit 会自动生成基本的结构平面图，也能区分构件的可见线(实线)和不可见线(虚线)，当我们还不满足与软件自动生成的线型可以通过“修改”工具集里的“线处理”工具对线型进行自定义修改。图纸说明文字的可以通过“注释”工具集下的“文字”工具进行添加。对于结构钢筋字体，Revit 安装时并没有自带结构钢筋字体，解决方法如下:

1)获取字库文件“REVIT_0.ttf”，该字体文件可以从互联网上的BIM 相关论坛下载;

2)将Windows 字库文件REVIT_0.ttf 拷贝安装到您机器的如下路径:系统盘(默认为C):windowsfonts 然后拷贝(安装);

3)REVIT_0.ttf 钢筋符号字体应用方法如下:

$——代表HPB235，输入后显示的符号为

%——代表HRB335，输入后显示的符号为

＆——代表HRB400，输入后显示的符号为

#——代表RRB400，输入后显示的符号为

4)选中文字对象修改或定义字体格式。

9.1 梁结构平面图

采用“注释”工具集下的“梁注释”工具对选中的梁对象进行梁配筋标注，“梁注释”工具提供了一根梁六个位置的注释文字放置对话框，梁顶和梁底的起点、中点、终点各三个，每一个位置均可放置一个“结构框架标记”，如图12。

首先我们要自定义一个“结构框架标记”族，以用来标注梁配筋，当然根据需要“结构框架标记”族会分为很多种类型以对应不同位置的梁配筋标注，如图13。该“结构框架标记”族中的“标签”文字内容需要用户自定义设置格式，梁截面可以通过“选择字段来源”添加标签内容，配筋则需要采用自定义“共享参数”的方法生成标签内容，完成后加载至项目模型中，在“梁注释”对话框中就可以选取我们想要的梁标注类型了。采用自定义“共享参数”方法进行构件标注时，标注文字与构件属性参数是相互对应和关联的，也就是说无论设计师是修改标注对象的属性还是修改构件对象的属性，其共享的参数项会同时修改，这大大方便了模型后期的修改和图纸的维护。

图13 “结构框架标记”族

图14 集中标注参数

9.2 楼板结构平面图

首先我们要自定义一个“详图项目”族，以用来布置板配筋，如图16。该“详图项目”族中的配筋文字内容是将“常规注释”族嵌套在“详图项目”族里，支座负筋的伸出长度由定义标签的“尺寸标注”族实现其参数化，完成后加载至项目模型中，在“注释”工具集中加载“详图构件”就可以绘制我们想要的板标注类型了。与梁相同采用自定义“共享参数”方法进行标注时，标注文字与构件属性参数是相互对应和关联的，也就是说无论设计师是修改标注对象的属性还是修改构件对象的属性，其共享的参数项会同时修改。

图15 梁对象属性

图16 “详图项目”族

图17 支座负筋标注

9.3 其他

对于柱墙、基础平法施工图和基础平法施工图均可采用与梁、板相似的方法绘制，在BIM 设计的过程中，平法图绘制的工作量相对传统的CAD 设计方法偏大，这也是结构设计师采用BIM技术进行设计的障碍之一，由于目前的结构设计成果有效交付文件仍为平法表达的蓝图，BIM 模型仅作为辅助文件交付，所以基于BIM 的二维图纸绘制效率仍然是一个待解决的问题。通过项目实践可知，BIM 模型里已经含有结构设计的配筋信息，笔者认为二维平面图可以不再表达构件的配筋信息，仅表达构件的编号或者索引编号即可，使用者通过查看BIM 模型获得构件的其他结构信息，这样可以有效减少基于BIM 的二维图纸绘制工作量，提高设计效率。

该项目采用了参数化的二维平法施工图绘制，虽然有一定的工作量，但是图纸绘制结束后，构件的相关设计信息也同时赋予构件本身，这也是BIM 结构设计的根本目的，有了这些设计信息，设计师可以快速地统计混凝土用量、钢筋用量，比如:梁中准确地含有各位置的钢筋直径、钢筋数量、梁剪切长度等信息并可以通过输出明细表导出为Excel 表，同时钢筋的锚固长度与钢筋直径为简单的线性函数关系，我们可以通过对导出的Excel 表进行二次编辑实现钢筋量的精确统计。

10 BIM 结构设计成果交付

BIM 模型交付物交付时如无特殊情况应将外部链接文件绑定后交付，当需要有外部引用时应将外部引用文件一并交付，防止模型文件数据缺失。设计成果的交付流程应符合ISO 质量控制标准的要求。BIM 设计成果当采用电子版代替蓝图交付时，应符合国家及地方的相关规定。设计成果交付统一由BIM 经理负责。

10.1 BIM 设计交付物

BIM 模型;

设计文本;

族文件;

与模型相关的参数文件

二维图纸;

计算书;

10.2 交付物深度

各阶段的交付物深度应满足项目《BIM 设计阶段执行计划》设计深度详表的要求;

各阶段的交付物应满足现行国家规范、标准的相关要求。

10.3 BIM 模型交付物数据格式

BIM 模型为.rvt 文件;

“族”为.rfa 文件;

“共享参数”为.txt 文件;

文本电子版为.pdf 文件

CAD 辅助模型为.dwg、.dxf、.sat、.iges 文件;

二维图纸电子版为.pdf 文件;

图片为.jpg、.bmp 文件;

视频为.WMV、.mp4 文件。

11 总结

从上面的结构设计过程，我们可以看出，BIM 设计方法最大的特点就是“协作”和“数据共享”，随着工程的日益复杂化，工程设计的专业性越来越强，当所有涉及到的专业都同时设计一个工程时，为了提高工作效率，协作和数据共享就是BIM 应用的关键问题。

在基于CAD 的设计方法中，各个设计者都是各自独立工作的，彼此之间很少有协同工作的时候，而在基于BIM 的设计方法中，协同工作贯穿始终。协同工作不仅存在于不同专业的设计者之间，同时也存在于同一个专业的不同设计者之间。

BIM 结构设计另一个优势就是“自动化”。在基于CAD 的设计流程里，很多的工作都需要人工去完成，例如，人工读CAD 图、人工检查CAD 图纸一致性、人工进行信息传递等。然而，在基于BIM 的设计流程里，这些工作都是自动完成的，例如有“Link”、“Workset”，结构和建筑模型可以随时自动地加载和更新，任何修改都可以随时自动更新到相关的地方，各个专业模型之间的一致性也可以自动进行检查。

在使用BIM 方法的过程中，也遇到了很多问题:第一个问题是:建筑师和结构师之间的信息共享不是很充分，如建筑模型里的构件自重不能自动传递到结构模型里，因此所有的构件自重都需要手动计算并加到结构模型里去，这是个很繁琐的工作并且很容易出错。第二个问题是:在结构模型软件和别的结构计算软件之间的数据导入好导出的双向性并不是那么可靠。第三个问题是:因为结构计算的复杂性，单一的计算软件很难满足计算的需要，模型数据格式的通用性和可传递性并不是那么完美。还有就是使用BIM设计方法中二维结构图纸中梁、柱墙表达采用平法时工作效率并不比传统方法高。

从以上的设计过程和分析可以看出，尽管BIM 设计流程还有很多的缺点，它仍然是个很实用的方法，并且可以在建筑设计中成功采用，因此，建议BIM 软件开发者应该尽力改善BIM 软件的缺点，并且加强和其他计算软件的数据格式合作，从而达到一个真正的建筑信息化时代——真正的BIM 时代。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑工程设计文件编制深度规定［S］.北京:中国计划出版社，2008.

［2］靳家佳.建筑信息模型在建设工程项目中的应用模式研究［J］.数字技术与应用，2012(08):218-220.

［3］清华大学BIM 课题组，互联立方(isBIM)公司BIM 课题组.设计企业BIM 实施标准指南［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［4］何清华等.BIM 在国内外应用的现状及障碍研究［J］.工程管理学报，2012(06):12-16.

［5］中国勘察设计协会.实用的BIM 实施框架［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［6］过俊.BIM 在国内建筑全生命周期的典型应用［J］.建筑技艺，2011(Z1):95-99.

［7］何关培.BIM 和BIM 相关软件［J］.土木建筑工程信息术，2010，2(4):110-117.

［8］Autodesk Asia Pte Ltd .Autodesk Revit Structure 2012 应用宝典［M］.上海:同济大学出版社，2012.