BIM 技术在建筑结构设计中的应用

常春霞

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司建筑工程院，湖北 武汉 430000）

建筑工程结构设计是整个建筑工程能够顺利安全进行的前提和保障，将先进信息化技术运用到建筑工程结构设计中是提升设计水平、提高工程效率的有效手段，在这样的现实需求下，BIM 技术得到了长足的发展。BIM 技术应用的关键在于将传统的2D 平面设计发展为3D 立体结构设计，使得建筑结构设计工作更加直观，同时也减少了由于空间设计和布置不合理造成的设计缺陷。因此，在建筑结构设计中利用好BIM 技术对工程实践有着重要的价值和意义。

1 BIM 技术的内涵和特点

1.1 BIM 技术概念

Building Information Model，简称BIM，中文意思为建筑信息模型。三维数字技术是BIM 的基础。在建筑工程设计领域，利用工程数据建立三维建筑模型是BIM的核心功能。BIM 不仅仅拥有3D 建模功能，同时还可以对设计数据进行分析，对设计流程进行信息化管理，是一种能够实现信息资源分享的信息系统。BIM 是常规3D 建模的扩展和升级，是包含了更多技术方法和工具软件的设计平台，其主要组成部分包括产品模型、过程模型以及决策模型，如图1 所示。这三个相互关联互相影响的模型组成完整的BIM 系统，能够有效提升建筑设计效率。其中，产品模型到过程模型是指建筑构件的空间信息、非空间信息和拓扑关系。空间信息通常包括建筑构件的尺寸、外形、空间位置以及构件间的相互关系，非空间信息主要包括建筑构件的材质、重量、载荷特性等。过程模型反映了建筑物结构动态模型与各个构件之间的关系，直接影响了构件在各个时间段的性能。决策模型，是设计人员在进行建筑设计过程中，直接或间接影响产品模型与过程模型的数值模型。

图1 BIM 系统模型

1.2 BIM 技术的主要特点和优势

BIM 技术在建筑结构设计中具有明显的优势。

（1）可视化设计。可视化设计时BIM 技术的最直观的特点之一。与传统的CAD 平面制图不同，利用BIM 技术进行建筑结构设计时的整个过程都是三维可视化的，设计者利用可视化的三维模型可以更好的进行建筑的结构和空间布局设计，能够更加直观展现建筑的外形、内部空间结构、载荷特性，同时能够模拟施工过程，使建筑结构设计更加合理准确。

（2）能够整合各个专业。BIM 技术具有较高的开放性，参与建筑设计的各个单位可以在统一的BIM 平台上开展设计工作，各专业可以进行充分有效的协商与沟通，减少由于信息壁垒造成的设计缺陷，提高建筑设计质量。

（3）实现施工过程的仿真模拟。在利用BIM 进行建筑设计完成后，可以进行施工模拟，在仿真模拟过程中可以对施工设备、材料和施工进度等重要项目管理内容进行预估和测算，生成的模拟数据可以作为施工管理的依据，从而促进建筑工程项目的精细化管理。

2 BIM 技术应用于建筑结构设计的实践

2.1 建筑整体结构设计

BIM 技术突破了传统的建筑工程平面化设计方法，实现了建筑结构设计从二维图纸到三维模型的转变，并实现了传统的分布设计到多专业联合的协同设计，这对于建筑结构设计而言是巨大的进步。以最为常见的混凝土结构建筑整体结构设计为例，利用BIM 技术中最常用的Revit 软件可以有效实现建筑整体结构三维模型的建立，并可以在软件中输入预制构件的各项参数，形成完整的构件库，然后将这些构件组装起来完成建筑的整体结构设计，不但提高了设计效率，而且提升了建筑整体设计的空间合理性。于此同时，通过Revit 软件的模型相关和模型匹配功能，可以建立两个模型之间的相关和对应关系，从而进行计算，省去了结构建模步骤。此外，在建筑施工中存在大量安装节点，如预制构件的连接、钢筋的布置、钢筋的连接形式等。这些内容是设计工作的重点，面对复杂的安装节点，单纯依靠二维图纸很难进行有效表达，但三维模型能直观地表达各个安装节点信息，不再需要大量的多角度图纸进行表述，降低了图纸设计量，并能给施工人员更加直观的指导，有利于提升施工效率和质量。

2.2 房屋户型空间设计

在住宅户型设计BIM 技术中的三维实体模型代替了点、线、面的二维绘制，三维模型在设计、分析和管理方面具有较好的可视化性能。在传统的设计中，CAD 软件设计的图纸与后期制作的三维效果图无关，而BIM 模型对应于它所生成的各种图纸中的每个元素，通过改变模型的一个部分对与该部分相关的部分进行更新，进而有效提高设计效率。例如，当进行建筑户型设计时，可以应用Revit 软件创建三维户型模型，建筑师可以通过三维模型直接表达自己的设计思想，更加直观的详细展示户型的几何特征和空间布局，如图2 所示。

图2 Revit 软件生成的户型图

2.3 建筑房屋结构水电管道的一体化设计

BIM 设计技术打破了传统的建筑设计、结构设计和机电设计的模式，避免了各个部分没有交流的问题，实现建筑设计、结构设计和水电设计的一体化，将建筑模型、结构模型和机电模型集成为一个建筑模型，实现多专业协同设计，完善建筑模型信息。例如在水电设计中，设计师利用三维结构图来表达自己的设计意图，使设计图更加合理、完整、清晰，如图3 所示。

图3 水电一体化设计图

2.4 施工图设计

在建筑设计建模过程中，首先按照建模步骤完成别墅所需的地基、梁、板、柱等构件，并通过参数共享和标注系列图平面施工图的方式完成相关制作，结构设计人员需要根据自己的习惯完成相关构件的施工。在制作构件时，需要根据平面法施工图标准的图集制作相应的文件，并创建一组共享的参数和标签或者组件的信息，这样当一条信息发生变化时，其余的信息也会发生变化，确保BIM 中的参数是一致的。在编制了钢筋混凝土结构模型和系列文件后，利用钢筋混凝土结构模型软件进行了梁、板、柱及相关详图的平面施工图设计。BIM 与和平的方法形式不同，BIM 技术主要通过三维模型的创建，和平的规律是通过二维抽象符号、线条表示，但两种方法所显示的信息是相同的，它们之间没有根本的冲突，将两者结合起来可以更加清晰和全面地表达它们。将BIM 技术应用于结构设计时，可利用BIM 软件绘制结构平面施工图，通过共享参数和创建标签族文件，实现了BIM 技术与平面法的结合。

3 结束语

综上所述，在建筑结构设计中，利用BIM 技术能够显著提升设计效率和建筑的空间布置合理性，能够有效降低因三维空间设计不合理造成的建筑结构设计缺陷。BIM 技术无论是在建筑的整体结构设计、户型设计以及水电系统的一体化设计方面都显现出了巨大的优势。在未来，随着电子信息技术的不断发展，BIM 也会不断的优化和进步，彻底改变传统建筑的二维平面设计方法，进入全新的数字化3D 设计时代。