基于BIM的建筑結構設計流程管理研究

陳波

（成都建工第一建筑工程有限公司，成都 610017）

1 引言

在建筑結構設計的過程中，建筑結構設計不嚴謹，設計質量不達標是影響建筑質量的重要因素[1]。依據二維結構設計的傳統方式不可避免地會有工作效率低下、與相關專業的信息傳遞不良、繪圖工作量大、結構的構件位置和設備管線碰撞和錯位等缺點[2]。

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型是利用數字模型完成建筑設計項目的設計和管理，具有智能化、數字化、各模型間信息關聯性好等優點。另外，該系統強大的設計協同能力可以高效地檢查設計碰撞問題，明顯提高結構設計質量。與此同時，設計管理是站在設計管理者的角度根據業主的要求，進行建筑設計質量和流程的管理[3]。設計管理的主要內容包括：設計任務書、設計信息的管理、與設計相關的規范和標準、設計流程的制定、設計協作的管理、設計質量的管理。

2 BIM技術的特點

BIM技術不僅可以用在建筑的設計和施工過程中，還可以在建筑交付后的后期運營和管理中發揮作用，可以應用在建筑全壽命周期中。主要的特點有：

1）設計模型的可視化。傳統的基于CAD軟件的建筑結構設計是二維平面設計，設計成果只能通過平面來展示，很難體現出立體結構的效果。BIM技術可以同時呈現結構設計的三維立體效果和實現建筑實體的立體建模，如圖1所示。

圖1 BIM建筑設計三維模型

2）設計信息集成化。根據BIM基礎模型，各個專業的設計可以將設計的參數如構建間的空間、尺寸、材料等信息輸入到模型當中，實現各個專業間的高度集成。

3）可傳遞性。BIM技術可以在設計的各個數據之間建立有效和統一的關聯，不需要設計人員去更新相關工作，若程序自動修改了某項數據或內容后，系統能夠自動將修改內容反饋到與之關聯的圖元中，提高工作效率的同時減少了設計錯誤率。

3 傳統結構設計的主要問題

基于二維平面的傳統結構設計流程和管理模式面臨的主要問題包括以下4個方面：

1）設計方法方面。二維施工圖繪制方法，結構和構件的布置需要從平面和剖面2個方面繪制，若不進行仔細的校對經常會出現平、剖位置不對的錯誤。

2）設計手段方面。傳統結構設計中結構設計和結構建模計算需要在不同軟件中進行，結構計算需要根據二維軟件中結構布置來計算結構建模，計算完成后還需要返回二維結構設計軟件中再修改和繪制結構圖紙。由于結構設計完成后不可避免地會進行修改或調整，不斷往復的結構設計和建模會增加設計的工作量，降低設計質量。

3）設計協同方面。二維空間的設計無法直觀地反映各個設計專業間的關系，相互之間的協作較為困難，只能依靠設計人員的空間想象力來設想各專業之間的關系，不可避免地會發生專業間的碰撞和構件的位置沖突。

4）設計管理方面。一旦項目開始，設計單位面臨的工作量巨大，為了盡快達到業主要求的工作目標，若設計的監督管理不到位，設計圖紙的布局不合理、內容不完整等現象經常出現，結構和建筑專業的對比檢查和校對會出現不仔細和不全面的問題。

4 基于BIM的建筑結構設計流程

為了彌補二維設計圖紙的缺點，結合BIM技術特點和應用情況，利用BIM技術對傳統的結構設計流程進行了優化，主要包括如下3個方面。

4.1 方案設計階段

基于BIM技術的結構方案設計階段的管理流程：結構專業先依據建筑專業提交的方案模型，結合項目實際情況進行結構方案的設計和建模。然后，對結構模型進行計算和分析，并進行調整和修改及校審。下一步匯總各專業的方案模型數據，并進行設計協調。最后，修改和調整各個專業的設計方案，進入初步設計階段。

4.2 初步設計階段

基于BIM技術的初步設計階段的流程：首先項目的各個專業相互提交方案模型，根據地勘報告和荷載信息進行結構的初步設計建模，在此過程中，結構和其他專業互提設計模型，進行結構構件位置和尺寸的初步設計并初步預留各專業的設備孔洞。然后計算和分析結構模型，并對結構進行調整、修改和校審。最后根據各初步設計模型對數據進行融合和匯總，進行必要的修正和調整后進入下一個階段。

4.3 施工圖設計階段

基于BIM技術的結構施工圖設計階段的首要任務是各個專業相互提交初設模型，根據項目的地基、風荷載、地震等實際情況，構建結構設計模型。建模完成后，對結構進行計算并對結果進行調整和修改、校審。然后，匯總組合各設計專業的初步設計模型數據并進行設計協調和修改，繼而完成結構施工圖的設計模型。最后，可直接生成二維施工圖，經過和結構模型的校核后就可以將施工圖的BIM立體設計模型和二維圖紙一并交付給業主。

5 設計流程對比分析

基于BIM的建筑結構設計流程對結構設計管理的改進主要體現在：在方案設計階段，基于BIM技術進行結構方案的設計可以將設計成果的表達從紙面過渡到結構模型，可以直接將該成果應用在企業的投標、下一步的審批、以此為基礎的深化設計中。將傳統流程的階段性提資活動轉換成隨時對各專業模型進行提取和交換的方式，專業之間的協同設計較好，可最大限度地避免交叉專業間的設計沖突風險。2種結構設計方式的區別如表1所示。

表1 兩種結構設計流程的對比

另外，BIM技術可以利用立體模型直觀地反映項目的設計成果，還可以直接生成二維圖紙，并可以根據模型和各個構件實時更新，可以避免傳統圖紙中平面、立面、剖面不一致的情況。二維和BIM結構設計在各個階段工作量上的差別如表2所示。

表2 二維和BIM結構不同設計階段的時間量

從表2可以看出，利用BIM技術可以明顯提高整個設計流程中的效率，平均提升了約37.6%，其中，檢查和協調環節的提升最為明顯，達到了88.9%，效率提高最小的階段為施工圖的設計階段，效率提升了近20%。由此可得BIM技術在結構設計過程當中有明顯的優勢。

6 結語

本文通過分析傳統二維建筑結構設計面臨的主要問題和基于BIM結構設計的特點，根據BIM技術的特點優化了結構設計的流程，提高結構設計的管理水平，相比于傳統模式，該設計管理方案在設計質量和設計工程量方面有明顯的優勢。

由于BIM技術在國內的應用才剛剛興起，在應用過程當中還面臨著諸多問題，設計階段的模型細度不夠明確，BIM結構模型和第三方結構分析軟件在使用上的兼容性問題，對于BIM模型生成的建筑結構的二維施工圖不一定完全符合相關的制圖標準，有時需要二維CAD輔助完成節點、細部的設計。另外，BIM技術的使用也會明顯增加設計單位的人力和運營成本，軟件的維護費用也會增加。

綜合來講，BIM技術會明顯提高建筑結構設計的效率和設計的質量，從長遠的角度來看，BIM技術符合建筑設計企業質量管理的目標，會逐漸被整個設計行業大規模地應用。