BIM技術的應用可提高建筑結構設計的效率，其前提是結構模型數據的內部一體化。實用的應用流程是當前階段建筑結構BIM發展的重點。實現BIM結構設計要解決兩項關鍵技術，包括基于AutoCAD開發自動生成施工圖軟件和開發Revit轉換接口軟件。

 

前言

 

上世紀80年代以前，傳統的結構設計一般是采用手工計算和在繪圖板畫施工圖，計算和繪圖效率較低，一棟多層房屋的設計周期一般需要三個月以上。

 

計算機的推廣應用，給結構設計帶來革命性進步，可劃分為兩個階段：上世紀80年代開始的第1次結構設計革命，通過CAD應用甩掉圖板。在甩掉圖板的同時也帶來新的問題，雖然扔掉了畫筆，換成了鼠標，但設計人員的手累成了“鼠標手”；2000年開始的第2次結構設計革命，通過BIM(BuildingInformationModeling)技術的應用，將甩掉AutoCAD手工繪圖。

 

未來真正實現了BIM，結構就不用畫圖了。目前大部分設計單位年人均產值在30——40萬左右，雖然屬于技術密集型行業，但設計行業的效率已處于比較低的水平，通過提升技術手段以提高設計效率成了當務之急，正是有了這樣的需求才能推動BIM設計技術的發展。

 

BIM設計技術的應用是一個復雜的系統工程，本文針對建筑結構設計提出在當前軟硬件條件下，實用的應用流程是BIM發展的關鍵，為實現BIM應用流程，要解決AutoCAD自動成圖和Revit轉換接口這兩個關鍵技術。

 

1、結構設計效率低的原因

 

結構模型數據用于描述結構中墻柱梁板構件的幾何尺寸、荷載布置、約束條件、鋼筋布置、構造要求、構件間相互關系及設計參數等信息，它是結構設計的基礎，所有的結構設計工作都是圍繞結構模型數據進行，所以結構模型數據將決定BIM結構設計的過程。

 

結構設計過程可劃分為4個階段：方案設計、結構計算、施工圖繪制和碰撞檢查；相應產生4套結構模型數據：模板圖、計算模型、施工圖和用于碰撞檢查的模型，當前在整個結構設計過程中這4套結構數據是獨立維護的，這是導致設計效率低的主要原因。

 

建筑結構的BIM要求統一的墻、柱、梁和板模型貫穿于方案設計、結構計算、施工圖繪制和碰撞檢查4個設計過程，實現結構方案信息、結構計算信息和結構施工圖信息一體化，即內部一體化；以及結構信息與建筑信息和施工信息一體化，即外部一體化。

 

2、BIM建筑結構設計流程

 

將來全面實現BIM后，設計單位的專業分工有很大不同，比如，整個設計單位只設一個專門的建模部門，建筑專業只管設計，結構只管計算，施工圖是自動生成的。但目前實現這一目標還有困難，不只是專業協同上的問題，計算機軟硬件發展也還達不到要求，全面實現BIM離不開真三維設計，三維設計中64位系統和16G內存為最低配置，CPU運行速度還需要提高10倍。

 

因此，BIM的發展需要分兩個階段實現：在現有的設計過程和軟件基礎上，實現結構信息的一體化，甩掉AutoCAD手工繪圖；等軟硬件條件成熟后全面實現BIM。

 

（1）第1階段的設計過程:從結構模型開始沿圖1中實心箭頭的過程，包括：1)結構模型到結構計算，確定結構方案；2)生成模板圖，修改后自動更新結構模型；再經過計算，自動生成施工圖；3)準確的結構模型傳給Revit用于碰撞檢查。

 

（2）第2階段的設計過程：從建筑三維模型開始的結構設計過程。

 

以上BIM建筑結構設計流程既能滿足現實需要，又能著眼BIM未來發展，是實用化的BIM結構設計流程。要實現BIM結構設計發展的第1階段流程，要研究解決AutoCAD自動成圖技術和Revit轉換接口這兩項關鍵技術。

 

3、AutoCAD自動成圖技術

 

提高結構設計效率的關鍵是實現AutoCAD自動成圖，代替根據計算結果采用AutoCAD手工繪圖，這也是結構設計專業采用BIM技術的最大動力。目前大多數設計人員采用AutoCAD手工繪制結構施工圖，在施工圖階段花費了大量時間，已經成為設計的瓶頸，要徹底解決此問題，唯一的方法是變手工繪圖為自動成圖，因此基于AutoCAD的結構施工圖自動成圖技術的研究是當務之急。

 

結構施工圖自動生成的實現要求設計軟件開發出快速成圖和聯動修改這兩個重要功能。

 

3.1 快速成圖

 

高層結構計算分析完成后，在AutoCAD下，實現一分鐘左右自動生成十多個標準層的模板圖、鋼筋施工圖和計算配筋圖。圖2、圖3分別顯示由廣廈GSPLOT軟件自動生成的梁鋼筋施工圖和板鋼筋施工圖。

 

自動生成施工圖要達到實用程度，施工圖質量要接近設計人員手工繪制的深度，關鍵要做到以下6點：

 

（1）建立描述墻柱梁板施工圖的通用數學模型

 

1993年在容柏生院士的指導下，我們建立了描述墻柱梁板施工圖的數學模型，解決了混凝土構件施工圖的數學描述問題，并首先應用于華南地區梁柱表施工圖的自動生成，一天內可完成一棟廠房的設計，取得了很好的效果。1998年將此模型應用于描述國標平法施工圖，開發的施工圖系統為國標平法在全國推廣應用做出了重大貢獻。經過近20年的驗證表明，此數學模型不拘于結構施工圖的表現形式，具有通用性。

 

（2）規范要求和設計經驗有機結合

 

繪圖的過程既要滿足規范標準又要體現設計個性。智能化的系統才能充分模仿設計人員繪制施工圖的過程。總結各地經驗豐富工程師的繪圖思路和操作過程，形成一個專家繪圖系統，自動將錄入模型轉換成墻、柱、梁和板施工圖的通用模型數據。

 

（3）可選擇的設計習慣

 

通用的施工圖數學模型在AutoCAD圖紙上可根據不同設計習慣來表達施工圖，數學模型在描述墻柱梁板施工圖方面是完備的，可開放選擇，滿足不同設計院的特殊習慣，且適應施工圖表示方法的變化。

 

（4）自動生成的圖元應符合手工制圖的習慣

 

通過手工繪制施工圖，最終得到是由AutoCAD基本圖元組成的施工圖，因此自動成圖，最終也應該得到由AutoCAD基本圖元組成的施工圖，自動生成只是避免了手工繪制的重復勞動，加快了成圖速度，最終的成果是一致的。若不一致，既降低了施工圖的質量，又不方便修改，達不到設計人員的要求。采用基本圖元繪圖還是自定義實體繪圖一直是AutoCAD二次開發兩條不同的技術路線。由于靈活性是結構施工圖的內在要求，因此具有靈活性的基本圖元繪圖對于結構施工圖繪制來說是較好的技術路線。

 

（5）一次生成所有構件的施工圖

 

在一個Dwg文件中包含所有標準層墻、柱、梁和板的模板圖、鋼筋施工圖和計算配筋圖，符合設計習慣，便于管理和打印，也是提高設計效率的一個重要方面。

 

（6）智能化字符重疊調整

 

記錄每個圖元的位置和占圖面的大小，并考慮該圖元對應構件的物理意義，自動將重疊位置的字符移動至不重疊的位置。

 

3.2 聯動修改

 

結構施工圖中不同的構件(圖元)之間具有關聯性，一處修改，其他相關位置要相應修改。聯動修改將大大提高設計人員的改圖效率。譬如，合并兩個邊緣構件，自動將邊緣構件的編號重新整理，同時對應暗柱表自動減少1個截面，圖4是合并前的暗柱圖，圖5是合并后的暗柱圖，相比手工將兩個暗柱合并，軟件合并效率大大提高。

 

在GSPLOT軟件中，關于墻、柱、梁和板的人工編輯命令有50多個，都具有聯動修改的功能，提高了改圖速度。

 

4、Revit轉換接口

 

當前設計行業的BIM基本通過Revit軟件實現。直接在Revit中建立結構模型工作量很大，成本很高，因此，將常用結構設計軟件中的三維分析模型快速轉換到Revit模型，將大大提高建模效率。廣廈Revit轉換接口軟件可實現廣廈模型和PKPM模型到Revit模型的轉換，可直接轉換的構件類型包括：1)柱和梁，包括異形柱、斜柱、斜撐、弧梁、斜梁和層間梁；2)剪力墻，包括弧墻和磚墻；3)樓板，包括斜板。

 

4.1 Revit柱梁族類型

 

結構設計常用的柱截面類型，如矩形、圓形、工型、T型、十型、圓管、方管及各種型鋼混凝土截面，對應Revit柱族類型見圖6。常用的梁截面類型對應Revit梁族類型見圖7，剪力墻和樓板截面對應Revit自帶的族類型。以上截面類型軟件均可自動生成。

 

4.2 Revit轉換接口生成模型實例

 

圖8為高層連體結構的Revit模型，圖9為300米高帶伸臂桁架的超高層框筒結構的Revit模型，兩個模型都是由廣廈軟件經轉換接口生成的Revit模型。通過轉換接口軟件生成Revit模型，不僅效率大大提高，而且模型精度高、錯漏少。

 

5、結語

 

BIM技術的全面應用，將帶來設計行業的一場革命，改變目前工程師的專業分工和工作流程，推動建筑設計進入三維設計的新時代。但BIM的應用不是一朝一夕的事，特別是結構設計專業，要對設計過程全面優化，讓工程師切實體會到BIM所帶來的好處。

 

本文給出了當前階段BIM結構設計流程，可操作性強，容易實現，其中包括AutoCAD自動成圖技術和Revit轉換接口開發這兩個關鍵技術。這兩個技術難點已在廣廈結構軟件中解決，實現了本文提出的BIM建筑結構設計過程，有力地推動BIM技術在結構設計中應用。