建筑信息模型技術在建筑結構設計中的應用探究

劉曉峰

(深圳市一方建筑設計有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引 言

在深化建筑結構的設計中發現，BIM技術即建筑信息模型技術在此項工作中發揮了其他技術所無法代替的優勢。我國在2002年首次引進此項技術，并將此項技術應用到了建筑產業協同發展與建設工作中，在此后的一段時間內，建筑科研單位持續進行了建筑信息模型技術的推廣應用，成功實現了對國內建筑產業的轉型，解決了建筑結構在設計中存在的碰撞、協同性差等問題[1]。但從此項技術的應用現狀可以看出，建筑信息模型技術的應用也出現了一些問題，這些問題在一定程度上影響并抑制了產業在市場內的協同發展[2]。因此，本文將基于技術的協同設計理念，開展建筑結構設計方法的全面優化設計研究。

1 基于建筑信息模型技術的建筑協同設計理論分析

在2000年，英國某建筑領域研究學者首次在學術文章中發表了建筑結構的設計會影響到建筑行業的建設與發展成本，當結構設計存在不合理等問題時，建筑的設計、施工與后續成本將呈現增加趨勢，通過大量的仿真實驗與實踐檢測，不合理的建筑結構會使工程建設項目增加約30%的成本[3]。相關理論在建筑市場內甫一提出，便受到了諸多研究人員的關注，繼而在2004年，美國在完成了相關研究后指出，某建筑結構設計軟件由于操作不當、未經過技術檢驗出現了數據交換問題，這一問題造成的經濟損失達到了150億美元。

在這一背景下，建筑信息模型技術被提出，并成功進入專業人員研究范疇中，可以將此項技術作為一個基于三維模型的建筑設計技術。此項技術不僅集成了建筑全周期生命信息，實現了在建筑工程項目設計階段對多渠道獲取數據的集成與虛擬化設計，也解決了傳統設計工作存在的交互困難、表達能力差、重復作業量大、專業沖突等問題[4]。為了全面解決建筑結構在設計中存在的不合理問題，應加大在建筑結構設計中的建筑信息模型技術協同作業。

傳統的協同設計主要以二維平面設計為主，在進行不同單元設計時，會根據不同區域的設計需求不同，選擇與專業對應的設計軟件進行專業設計工作，并在此過程中將AutoCAD作為結構設計圖像主要繪制工具，采用操作工具等方式，進行二維平面圖紙的繪制，實現將不同專業的設計成果以二維圖紙的方式展示或呈現。盡管此種設計方法基于理論層面分析是具有一定可行性的，但卻無法實現在專業設計過程中，對各個設計單元之間的交互與信息共享[5]。尤其在某個設計單元出現技術變更或圖紙變更時，會由于設計單元之間缺少有效的溝通，導致設計變更信息無法被及時傳遞，此種問題最終會導致設計施工成果出現返工或設計沖突現象。

在對我國建筑行業的深化研究中發現，超過80%的建筑設計方仍在以二維圖紙作為主要交付方式，也正因如此，導致我國建筑結構設計工作無法實現全過程動態化與智能化。

盡管建筑信息模型技術為建筑領域的建設與發展指示了全新的方向，但由于三維可視化技術需要完整的建筑信息結構模型作為支撐[6]。因此，有必要在開展建筑結構設計工作時，將此項技術與建筑協同設計理論進行對接與融合，通過三維技術與建筑信息模型技術，構建結構模型，并采用獲取建筑結構物理特性信息、材料信息、力學參數信息等方式，生成一個可及時編輯的建筑結構平面圖與剖面圖，保證設計成果在發生變更后，可以及時根據需求，進行信息的交互與共享，保證多個參與方及時參與到設計工作中，實現建筑結構設計的全面協同。

2 建筑信息模型技術在建筑結構設計中的運用

2.1 構建建筑BIM結構模型

針對現實中的建筑結構進行模擬生成模型，利用模型可以實現對建筑結構設計的一般規律的探索，并實現對其進一步分析，達到掌握現實建筑結構特性的目的。在對建筑結構進行設計時，引入BIM技術，利用構建的BIM模型將現實建筑結構轉變為計算機當中三維呈現的力圖模型，針對BIM結構模型的構建即可看作對建筑結構模型的基本構建，二者在結構本質上是相同的[7]。建筑BIM結構模型的構建流程如圖1所示。

圖1 建筑BIM結構模型構建流程圖

為了方便論述，選擇以某別墅建筑為例。已知該別墅的層數為3層，屬于獨立別墅類型，棟數較多，且戶型相對簡單，每棟建筑的面積為300 m2左右，包含地上兩層和地下一層。已知該別墅建筑的基礎結構采用獨立基礎，盡管在建筑當中包含了數量較多的結構部件，但重復的構件眾多[8]。在明確該別墅建筑的基本結構后，引入建筑信息模型技術，在確保各項專業工作相互協調的基礎上，完成對建筑BIM結構模型的構建。具體操作過程中，利用建筑信息模型技術，通過共享參數的方式對各個結構構件的標注族和標簽族進行創建，并以此實現對各個結構全過程平法表示。在進行上述操作時，應用Revit軟件完成。

2.2 基于建筑信息模型技術的平法施工圖繪制

按照上述建模步驟建立一個建筑結構設計對象的模型，模型當中包含了建筑的基礎構件、梁構件、板構件和柱構件。在利用建筑信息模型技術繪制平法施工圖時，所有設計者都需要遵循平法施工圖設計規范，將其作為重要前提，實現對共享參數和標簽族的創建。圖2為某建筑結構設計中梁構件的標簽族和在平法施工圖中應用的示意圖。

圖2 某建筑結構設計中梁構件的標簽族和在平法施工圖中應用的 示意圖

在Revit軟件當中創建一個全新的項目，選擇菜單欄中的“管理”選項，并點擊下方“共享參數”指令。在彈出的“編輯共享參數”窗口當中創建全新的指令，創建共享參數和新建組，在之后的創建參數窗口當中完成參數共享，此時完成了對建筑結構平法共享參數的創建。按照上述流程創建的共享參數具備良好的協調性，在后期對設計方案更改時，只需要修改一處，其他位置的參數也會隨之發生改變，以此實現基于建筑信息模型技術的參數協調控制。

在Revit軟件當中完成對共享參數的創建后，針對標簽族進行創建。在Revit軟件當中，結構柱定位圖以及建筑梁平法配筋圖當中都可以添加建立的標簽族。通過對建筑結構BIM模型和族文件的編制，從Revit軟件中設計出對應建筑結構以及相關詳圖的平法施工圖描述。針對生成的結果可以利用二維CAD對其進行表達。在結合建筑信息模型技術的基礎上，得到建筑結構平法施工圖，利用該施工圖實現對施工設計的管理，促進設計效率的提升。在Revit軟件當中創建的結構平法施工圖中可以看出，在施工圖當中包含了多項建筑結構信息，若實際應用的建筑項目結構簡單，則可以實現對建筑結構信息的快速運用，以此提升設計工作的效率。

2.3 確定建筑IFC空間結構關系

為了確保后續各項工作的開展具備更標準的依據，從而實現各個專業參與方的銜接，以建筑信息模型技術作為基礎，在BIM平臺上開展各項工作，以此減少由于數據交換的不協調和數據丟失造成的嚴重后果。建筑IFC空間結構關系，如圖3所示。

圖3 建筑IFC空間結構關系圖

由于IFC標準本身具備一定的開放性，且閱讀性更面向于大眾群體，因此任何人都能夠使用和查找，方便建筑項目各個參與方使用。同時，IFC標準當前主要應用在工業建筑領域和民用建筑領域當中，因此將IFC標準作為建筑結構BIM軟件與第三方交換軟件的連接條件具備極高可行性，并且IFC標準本身是針對數據交換設計而來的，因此將IFC標準應用到其他軟件當中也能夠進一步提高數據資源的利用價值。在制定IFC標準時，結合集成嵌套的關系，將建筑結構當中的構件信息、樓層信息、建筑物信息等相互結構，并構成一套具備系統性的框架結構。在IFC標準當中，嵌套規則是核心，通過嵌套的方式對各個建筑結構實體進行定義。建筑IFC空間結構中共包含了場地層次、建筑層次、樓層層次和空間層次等四個不同層次結構，從這一點可以看出IFC標準遵循的是一般層次結構關系。建筑項目當中包含著多個場地，而場地當中又包含了多個建筑，建筑整體又是由多個樓層組成的，各個樓層又可以看作由梁板柱和各個構件組成的。按照這一標準，將其作為設計的思路完成對建筑結構的設計。

2.4 建筑結構設計內容標準信息描述

將建筑機構設計內容標準信息劃分為四個基本層次，從高到低依次為領域層、共享層、核心層和資源層。將具有相似性的工程信息匯總在同一個模塊的同一層當中完成描述。在上述基于IFC標準的基礎上，對設計內容的標準信息進行描述時，不得出現越級情況，例如資源層不得使用領域層當中的信息對設計內容進行描述。通過這一描述規定的設置能夠有效避免結構改動時造成混亂的問題。針對各個層級的具體信息描述內容設置，在領域層當中包含著其他各個領域的所有信息；在共享層當中包含了不同專業下需要完成交換的信息；在資源層當中包含了最基礎的建筑結構信息，例如幾何信息、材料信息等。在實際對建筑結構設計內容進行描述時，應當結合設計需要，從對應層次領域當中挑選出符合描述規定的信息，并將其匯總構成一個完整的建筑結構設計內容標準描述信息。

3 對比分析

為證明設計的方法可行，下述將通過對比實驗的方式，對基于建筑信息模型技術的結構設計方法進行檢驗。在設計研究前，應先進行建筑設計概況的描述，具體內容見表1。

表1 建筑設計概況的描述

完成對建筑設計基礎信息與概況的描述后，使用本文設計方法與傳統設計方法，對建筑結構進行設計，對比兩種方法設計后的綜合性能。對比結果見表2。

表2 本文設計方法與傳統設計方法實際應用效果

從上述對比結果可以看出，使用本文設計方法進行建筑結構的綜合設計，可以降低設計成果的造價、縮短建筑工程施工工期、減少設計變更行為的發生次數、控制施工中的管線碰撞次數、避免建筑項目后續施工出現風險，從而提高建筑工程項目的綜合性能指標。綜上可知，本次提出的建筑結構設計方法在引進建筑信息模型技術后，具有了更加顯著的優勢，可以全面或徹底解決傳統設計技術存在的不足與短板。

4 結束語

在本文研究的建筑結構設計方法中，引進了建筑信息模型技術。對比實驗結果證明，設計方法具有更加優化的綜合性能，可以解決傳統方法在應用中存在的多種不足。

但此次設計也存在一些缺陷，包括沒有構建建筑信息模型共享平臺，無法實現此模型在更多領域中的應用轉換，沒有嘗試將此項技術與更多技術進行創新融合，無法實現對現代化設計產物的進一步更新與優化。上述提出的問題都將在后續的研究中進行優化，因此，我國建筑行業的發展與建設勢必向著更加優化的方向進步。

本次課題的研究受到多種因素的影響，可能存在一些論點論述不清，希望在后續的研究中，通過對建筑領域相關設計工作的進一步調研，優化此次設計成果，完善相關理論。