基于BIM的建筑結構多專業協同模型創建方案分析

高 華

廣州城建職業學院，廣東 廣州 510925

0 引言

自20世紀初BIM技術作為建筑行業革新和發展的信息化技術，經過十多年的發展，我國建設行業BIM技術的應用已日趨成熟系統。2017年以來中華人民共和國住房和城鄉建設部先后頒布了5本BIM國家標準，包括設計交付標準、施工應用標準和制圖標準等，建筑項目全壽命周期不同階段標準的制定，為建筑信息模型的全專業交付打通了設計、施工、運維各個環節的應用，帶來了建筑設計思維模式與技術應用的變革，傳統的建筑、結構專業各自獨立的設計模式已不符合現在的的信息化發展需求，建筑、結構多專業模型的協同創建是BIM技術革新的一個主要方向，也是BIM價值的重要體現。

目前國內對于結構與機電管線多專業模型的協同工作，碰撞優化處理技術已較為成熟，而如何將建筑模型與結構模型進行合理融合，如何利用結構模型快速搭建建筑模型，提高建筑模型創建效率仍存在不同做法；將BIM的物理模型與結構計算分析軟件進行有效組合，共享計算數據，使BIM模型的不必要的修改和重復建模大大減少，達到 BIM一次建模，結構分析各軟件同步更新修改數據效果，這將是 BIM技術在結構領域的應用趨勢。

1 結構BIM模型在國內的應用情況

傳統結構設計基于CAD二維平面，缺少Z向數據，空間表達能力較弱，結構設計工作產生的數據為后期全專業全過程生命周期的信息利用率較低。目前國內利用BIM軟件創建的結構模型主要為基于Revit創建的三維結構模型，不僅有效提高結構設計的空間表現力，作為一個完整有效的信息載體，結構模型為后期的全專業BIM軟件融合提供了基礎?；赗evit建立建筑項目的結構模型，一般框架建筑建模的基本流程為：選擇樣板-建立新項目-軸網建立-樓層標高設定-結構柱-混凝土梁-混凝土樓板-樓梯-基礎層模型。在Revit軟件中，基礎構件會自動關聯結構柱的底部信息，實現基礎構件與框架構件的聯動，實現模型的一處修改，全視圖都自動匹配修改，保證了結構模型的高度統一。

國內結構設計需要結合平法施工圖進行標注，設計過程中一個構件的修改需要對應不同的圖紙，導致設計審圖難度提高，效率降低。利用Revit創建的三維結構模型利用共享參數和自制標簽族等等保證構建信息參數的共享，實現一處信息修改后其他位置信息聯動修改，保證信息的一致性，實現了結構模型與平法之間的結合，使得數據信息能夠服務于整個壽命周期，有效提高了工作效率。

2 建筑模型與結構模型的區別分析

基于Revit創建的結構模型主要呈現受力構件的表達，而建筑模型重在展示不同精度的建筑項目建模效果。除了主要框架結構的構件模型之外，建筑模型需要詳細表達門窗尺寸位置造型、間隔圍護墻體欄桿構件的位置參數、內外墻面裝飾裝修做法、樓地面天花板裝修做法，依據制圖標準進行合理標注、線型設置等。相較于結構模型，建筑模型需要按照設計標準、施工標準和制圖標準進行構件模型創建、合理優化平立剖面視圖構件的線型顯示樣式和可見性的設置等，使得BIM工程師需要消耗大量的精力在建筑模型施工圖優化工作中，下文以某商業廣場利用Revit軟件進行BIM協同設計為案例，如下圖1，就如何利用已有的結構模型來進行建筑-結構BIM模型協同創建，利用不同的創建思路進行實踐分析，考慮如何為下游施工圖設計優化的工作爭取到充裕的工作時間，進行詳細的分析和介紹。

圖1 某商場結構模型與建筑模型完成對比圖

3 建筑-結構BIM模型協同創建的思路分析

自BIM技術在國內推廣以來，基于Revit平臺的結構專業BIM技術應用在國內的使用力度相比建筑、機電專業略顯單薄，近幾年隨著全專業BIM正向設計理念在國內的普及，對結構模型的應用能力要求不斷提高。在項目實踐中如何提高結構模型在多專業協同設計中的應用價值成為越來越多結構工程師研究的方向，而Revit軟件作為一個全專業融合的BIM軟件，為建筑-結構BIM模型協同創建提供了較好的實踐平臺，基于結構專業的BIM模型不需要二次修改和調整可以直接進行建筑專業模型的創建和修改，具有較大的便利性。

（1）基于結構模型直接修改完善形成建筑模型

在Revit軟件中創建的結構模型主要完成框架構件的創建，在協同設計中，一般會利用已有的框架模型，直接增設飾面層來達到快速完成建筑模型的目的。利用飾面層材質編輯中的圖形參數和外觀參數設置，控制整體模型的精度LOD值和項目整體的可視化效果。

在創建結構模型創建過程中，工作人員需要考慮后期建筑模型的融入，模型創建精細度、專業融合度等以達到后期多專業的高度協同；建筑結構模型的無縫銜接，為后期機電模型與建筑模型融合后的全專業模型碰撞檢測帶來了便利，在項目時間充裕，專業融合度高、BIM技術虛擬仿真施工和全過程工程造價控制的項目中應用優勢明顯；但此種多專業模型協同思路必須優先完成結構模型，這將不利于整個項目的協同分工，不適用于項目進度緊張、團隊人員充足的情況。下面以建筑樓板和隔墻創建的操作方法具體介紹基于結構模型直接修改完善為建筑模型的思路。

1）為已有框架構件增設飾面層

依據項目專業協同設計好的項目標高基數，確定結構模型與建筑模型的共同標高，利用Revit軟件建筑-結構-機電系統全專業集于一身的優勢，將創建完成的結構模型復制重命名為建筑模型，利用已有的結構模型，按照LOD400進行補充完善為建筑模型。

以樓板為例，首先在建筑樣板里按照項目設計要求，重新定義一個裝飾樓板類型，如下圖2，基于機構模型的建筑模型，不需要考慮樓板的混凝土結構層，直接按照商鋪樓板裝修層的構造層次分別給定裝飾板基層、找平層、結合層、附加層和面層的材質與厚度。為了便于樓板構造層次的區分，直接將底板基層設置為結構層，形成此處結構混凝土樓板對應的裝飾面板，接著對照混凝土樓板創建位置直接繪制對應的裝飾面板，完成建筑樓板的創建。創建過程中，利用Revit軟件“視圖平鋪”的功能，實時進行模型比對，保證建筑模型創建的精確度，避免二次修改，提高設計效率。

圖2 利用已有結構板創建裝飾面板BIM模型對比圖

同裝飾樓板做法，后續繼續定義天花板、屋面防水構造層、墻體內外飾面板等裝飾面板，對照結構模型逐一繪制于結構模型對應構件面層，利用結構模型快速完成建筑飾面層的創建。

2）隔墻模型創建方法

完成飾面層增設后的建筑模型已經初具雛形，前期結構模型里中缺乏分隔維護的建筑墻體，繼續依據建筑設計要求創建新的墻體構件類型，在創建好的隔墻上布置門窗欄桿等，形成完整的建筑模型。創建建筑墻體的方法有多重，第一種為直接將墻體的主要材料層和內外飾面作為一個構件進行創建，這種創建方法優點在于精度高，建?？?，可視化整體性強；但對于后期材料消耗量統計不能按照砌筑工程和墻體裝飾面層的實際消耗量進行工程實物量計算，工程量計算誤差較大；第二種為，基于BIM模型貫穿設計-造價-施工-管理全過程信息數據的目的，可以將建筑隔墻的內飾面層、砌體層、外飾面層依次分開按照對應位置創建墻體類型，疊加繪制墻體模型，此種建模方法前期建模略耗時間，顯得效率降低，但將大大提高BIM模型在下游造價工作中的利用度，有效提高BIM協同的價值。圖下圖，砌體層加飾面構造層總厚度為100mm的衛生間墻體，按照單一整體創建只需要繪制一道墻體即可。而按照材料進行區分的第二種創建方法，至少需要在同一位置創建3個墻體模型，為了對比區分，本圖將飾面層和砌體層之間預留了空隙，項目實踐中，需要將各個飾面層表面進行對齊，通過數據計算，可以確定墻體總厚度保持不變。具體建模過程的構造區分見下圖3。

圖3 建筑隔墻一體化建模與分構造層次模型對比圖

（2）建筑、結構模型分專業獨立創建

國內項目在BIM技術應用的實踐中，建筑模型和結構模型彼此獨立，各自建模的情況也較為普遍，建筑組按照初步設計創建建筑模型，結構組依據施工圖初步設計完成結構模型。分開獨立的操作可以實現專業分工、加快各專業模型完成進度；建筑模型創建過程中不需要考慮結構構件的干擾，碰撞構件可以在建筑模型中統一協調，對于建筑團隊而言模型精度高，利用率和周轉率較高。

結構設計關鍵工作之一是將結構設計模型轉為結構分析模型，并進行結構分析計算。通過對比分析，基于Revit創建的結構模型進行的結構分析，與將Revit建立的結構模型導入專業結構分析計算軟件的結果基本準確，也能在后期結構分析計算軟件中導出結構分析數據，但復雜構件和異形構件數據等容易出現識別不了的狀況，導致在建筑、結構分專業建立BIM模型時，基于Revit的結構模型后期利用率不高，影響同一軟件創建結構模型的積極性，使得后期多專業協同匹配度降低。

利用Revit軟件完成建筑-結構多專業模型創建的項目，在后期專業協同過程中，利用鏈接合成的全專業模型構件重復率較第一種方式要高，建筑與結構專業在主要手里構件處碰撞點較多，后期依據結構模型的數據調整優化建筑模型，提高了結構模型在專業協同過程中的定位，從項目設計精確度上使得設計質量有效提高，但從時間成本降低了建筑模型創建的工作效率；使得結構模型在設計階段價值較低，僅服務于后期施工模擬過程中，進行4D施工進度模擬分析，不能有效的實現專業協同設計，整個項目多專業協同設計中的人工消耗成本較高。

（3）分樓層建筑-結構專業同步進行

目前國際國內智慧城市建設如火如荼，隨著CIM平臺研發應用的日益完善，分樓層的BIM模型能夠提供精度更高，數據更準，信息更全的一體化數據，使得建筑空間由外向內切換時可視化數據更完善。因此，按照建筑和結構專業模型可依據實際情況按建筑分區、按子項、按施工縫、按樓層劃分的模型拆分規定，近幾年有部分BIM技術人員結合CIM平臺的應用要求提出一種分樓層多專業協同設計的思路。本項目案例分樓層建筑-結構模型對比圖，如下圖4。

圖4 分樓層建筑-結構協同模型對比圖

《建筑工程設計信息模型交付標準》規定施工圖設計階段對應的模型精細度等級不宜低于LOD300，以框架柱為例，要求柱子按照施工工法分層建模?？紤]全專業BIM協同設計的應用深度，在項目實施初期，BIM項目負責人需要統一整個設計團隊全專業的項目樣板，確定建筑結構協同一體化高程坐標，確定建筑-結構專業構件劃分原則及權限，保證項目進行過程中協同數據的一致性。具體實施過程中，根據項目體量將團隊成員依據進度安排進行任務量的劃分，一般同一樓層的建筑與結構專業由同一人執行。此執行模式對項目參與人員的專業能力要求更高，設計人員不僅要考慮實際工程設計需求，還需要具備一定的軟件應用水平，同時還需要具備不同軟件之間的信息共享與雙向交互的能力。

分樓層多專業協同產生文件數量較多，對儲存空間要求高，同時在后期整個項目合成過程中，文件鏈接數量過多，為保證協同數據處理，在項目完成時需要針對每一樓層進行綁定鏈接-復制-監視，重復工作量加大，導致整體效率降低。但是分樓層建筑-結構專業模型協同設計的思路，能夠將建筑信息數據有效結合，做到了實時驗算建筑凈空高、合理進行室內空間布局，減少了不同專業技術人員修改設計方案的沖突性，保證了建筑施工圖紙的一致性和準確性。

（4）“工作集”協同建筑-結構模型同步進行

Revit軟件針對BIM協同工作提出的“工作集”概念其實就是一種工作共享的工作模式。針對同一項目的的BIM模型數據，要求在同一局域網利用工作集的方式對中心文件進行劃分，一般按照專業設定工作組成員，建筑-結構專業組成員可以各自在自己的終端，對服務器的中心文件進行同步設計，過程中實時將自己的文件同步到中心文件，不同專業組的成員按照設定的權限可以相互查看對方設計進度與成果，中心文件可以在服務器終端對整個項目進行實時監控與調整優化，此過程中項目工作人員實現了數據信息的實時傳遞與共享，對項目的協同應用效果明顯。此時不論是采用以上三種建筑-結構設計中的任何一種方式都能夠滿足協同設計的目的。

但工作集協同模式在項目實施過程中，所有參與者的過程文件都需要按照時間進度節點及時傳遞到中心文件，對承載中心文件的終端設備要求較高，導致終端設備造價較高；各參與者的應用管理權限設定必須清晰，否則容易出現文件被誤改誤刪的現象；且必須在同一局域網內部實施，對于異地同步工作不能充分發揮作用。

4 結束語

近幾年來，我國建筑行業隨著BIM技術推廣力度的逐步加大，應用能力日益成熟，基于BIM的多專業協同正向設計成為根本追求。在項目實踐過程中，不斷對比分析論證不同協同模式的優缺點，建立具有推廣性的多專業協同思路以及標準化文件；利用協同設計，實現BIM技術應用過程中數據共享、全專業一體化信息集成，真正發揮BIM技術在項目全壽命周期中的作用，助力智慧城市的發展與建設，是每一個BIM工作者不斷前行和努力的方向。