BIM技术在结构设计中的应用

随着BIM （建筑信息模型） 技术的快速发展和基于BIM技术的工具软件的不断完善，BIM 技术正逐渐被中国的工程界人士认识与应用。但市场调查表明，目前建筑师接受和应用 BIM 技术的深度和广度远远大于结构工程师。本文将以笔者在BIM技术工具软件Autodesk Revit Structure应用中的实践经验和体会，阐述 BIM 技术在结构设计中的问题，探讨 BIM 技术在结构工程设计的具体实施和应用中的有效方法、过程、技术手段和解决方案。

1. 结构工程师应用BIM技术的难点和问题

首先，基于 BIM 技术的 3D 工具软件（如：Revit）采用了众多的系统参数和模块参变量，与2D创建视图技术有很大的不同， BIM工具软件又要兼顾与2D设计习惯的连贯性，所以系统参数和模块参变量比2D工具软件中的参数要复杂很多倍， 这就使得应用中因为系统参数设置不当或参数与参数之间不匹配而导致很多意想不到的问题。

另外，结构设计中往往需要采用特殊的结构构件，但如果特殊的结构构件模块（族）设计得不好，其3D细节或剖面视图就达不到结构工程师想要的效果。 结构工程师往往因此而放弃BIM技术，回到原来的2D绘图设计方式。

再有，基于 BIM 技术的理想 3D 物理模型与结构分析模型是可以双向链接的。 由于分析模型中包括了大量第三方分析程序所要求的各种信息，如：荷载、荷载组合、支座条件，这就使得工具软件中采用的参数更加繁多，让初学者很难快速适应 和把握， 物理模型与结构分析模型双向链接的优点不能真正得到发挥，而这又是结构工程师希望的功能。 下面针对这些问题探讨解决方案。

2. 一般性问题的解决方案

这里说到的一般性问题的解决方案主要是针对Autodesk Revit Structure工具软件的初级用户和在简单工程项目的结构设计中应用 BIM 技术的用户。解决方案主要包括以下几个方面。

2.1 创建符合本公司设计习惯的项目样板

项目样板是搭建 BIM 技术模型的基础，有了一个真正意义上的好项目样板， 可减少很多重复的工作和加快设计速度。虽然Revit Structure工具软件提供了符合中国习惯的结构标准项目样板文件，但它是针对所有用户的，对个体用户一般要调整较多的设置才能适合。其中主要设定的 内容有：

(1) 自定义项目浏览器中的项目视图组织结构（图1）层次清晰的视图结构可以便于视图组织与管理，提高工作效率。

(2) 定制常用视图样板

即设定视图属性中的各项参数值，使得各种平面视图符合绘图标准和自己的习惯。比如在结构布置平面视图样板中，显示模式要设成“隐藏线（Hidden Line）”，而结构模板平面视图样板为了建模时直观， 建议设成“带边框着色（Shading/Edges）”。总之，视图样板是根据其目的，采用改变视图属性参数值的方法来显示需要的内容，而隐藏不需要的内 容。

建议视图样板包括以下几种：1)结构基础平面：用于结构基础图、桩布置图；2)结构模板平面：用于结构建模，即搭建 BIM 模型的操作主要就是在结构模板平面视图中进行，而 3D 视图用于检查搭建的模型是否正确；3)结构布置平面：用于标注结构构件定位、构件尺寸和编号、索引和注释等内容；4)结构配筋平面：用于绘制结构梁板柱之 钢筋、标注钢筋代号和布筋范围、 钢筋量注释等内容； 5)结构剖面：用于绘制结构细部剖面和大样图及相关标注和注释等内容；6)结构立面：用于表示斜撑布置、结构桁架和转换结构。

(3) 增加系统族和构件族的常用构件类型

建议结构墙的类型包 括：100，125，150，180，200，250，300，350，400，450，500，600，700，800，900，1000等厚度（单位 mm）的墙类型；建议结构楼板的类型包括：100，120，150，180，200，220，250，300，350，400，500等； 建议基础底板的类型包括： 500， 800， 1000， 1500， 2000，2500等； 普通混凝土结构梁的类型包括： 200×400， 300×500，400×600，500×600 等。由于梁在设计中可能的类型变化多样，建议根据需要来增加类型；混凝土柱也一样。

(4) 定制好常用的明细表

结构工程师常用的明细表主要包括以下几种：1)构件尺寸明细表，包括：梁尺寸表、墙和柱尺寸表；2)楼梯表；3)结构层高表；4)材料表明细；等。下图是梁尺寸示例：

(5) 创建项目样板图应注意的问题

Revit 可以将已经完成的项目中的类型和构件族及相关标准传递到新项目， 所以可以部分借鉴成功项目来创建符合自己习惯的工程项目样板,但借鉴成功项目来创建的项目样板需要在自己的实践中检验是否合适。 也要避免在项目样板中填充大量的族， 因为这些族不是对于每个项目都是有用的。与综合样板相比，建议尽量使用最简单的样板。

2.2 创建符合本公司设计标准的常用构件族

结构设计中的构件族主要就是：结构基础、结构柱、结构框架（梁）、结构桁架和板式楼梯。以工业建筑设计为主的公司，其常用的结构构件是预制构件和钢结构构 件；以民用住宅设计为主的公司， 其常用的结构构件是现浇混凝土构件。 根据需要来创建符合本公司设计标准和常用的构件族可以节省时间； 根据需要将自己常用的构件族载入项目样板文件可以减小文件字节，提高电脑运行速度。

创建自己的构件族可以用Revit Structure软件提供的构件族稍作修改，但关键是要适合自己的习惯和公司标准。

2.3 组织和创建常用的注释符号和详图项目

(1)注释符号：构件编号标记、构件连接符号、剖面标头、详图索引标头、标高标头、注释标记、修订标记、中心线、平面法标注等。

(2)详图项目：2D 板上/下铁、2D 洞口、钢构截面、填充区域等

(3)结构钢筋：钢筋标记、钢筋弯钩和钢筋形状等等。

注释符号和二维详图项目族的形式繁多， 可以参考的现有族文件也很多，建议在项目样板仅保留自己常用的。

2.4 创建公司图框

在Revit 中，图框是二维注释可载入族。《Revit用户手册》有关于创建图框的说明，但建议创建图框的步骤是：利用相应图幅的公制标题栏为样板，在族编辑器中载入 2D的CAD 图框，将载入的 CAD 图框移动到标题栏样板框的位置，并将其“部分炸开”，然后增加文本标签：业主名称、工程名称、项目编号、图名、设计阶段、比例、图纸编号、设计签名、修订 版本、修订日期等。标签加完后，另名保存。

需要注意，当创建的图框族被载入到项目后，在图框族中添加的标签有些与系统变量自动链接和更新； 有些可以在项目中的每一张图纸中独立修改其文本内容； 有些在一张图纸上改了，其它的图纸均同时修改。

2.5 链接2D或3D建筑CAD图文件作为结构建模条件

由于 Revit 建筑 3D 图中的梁柱族与结构梁柱族是不同的，所以建议仅利用 2D 或 3D 建筑图文件作为结构建模条件，在此基础上独立搭建结构 BIM 模型。链接上了 2D 或3D的建筑条件图，主要是给结构建模提供构件定位用。

3. 特殊性问题的解决方案

特殊性问题的解决方案主要是针对 Autodesk Revit Structure 工具软件的中级及高级用户和复杂工程项目的结构设计。解决方案主要包括以下方面：

3.1 创建自己常用的异型构件族

结构工程师在工程设计中的价值体现主要表现在： 能够采用特殊的方法和技术手段来解决一个具体问题， 能够提供多种备选结构方案， 从而实现建筑师所期望的空间效果和机电工程师布置其设备和管线所要求的空间尺寸， 保证结构构件不与其它专业元素发生冲突。要实现这一切，结构工程师的解决方案往往就是采用异型 （非常规） 的结构构件， 比如：折梁、变截面梁、缺口梁、鱼腹梁、梁上开洞口、斜柱、异型柱、SRC组合构件、局部降板等。

现有的 BIM 技术建模工具一般不提供此类异型构件的族块（构件族文件）。设计师如果用常规构件来替代此类异型构件，BIM 技术的核心价值就得不到体现，因为用简化的结构模型去与其它专业进行设计协调， 真正有冲突的地方不会被发现，没有冲突的部位反而会错误报警。所以创造自己的异型构件族是顺利应用 BIM 技术于自己设计工作的关键一步。创造灵活、简便、通用性强又具备高度智能的异型构件族，是结构工程师创造性应用BIM技术的智慧体现。

结构构件变化多样， 很多细节又隐蔽在构件内部或被装饰物遮挡，不直观。另外结构工程师的三维空间概念和图形透视方面的知识不如建筑师， 所以要掌握和创造高度智能的异型构件族，要求结构工程师有比较全面的知识，包括：必备的3D基础知识、 较强的计算机操作能力和结构专业知识，也要具有掌握新技术的学习能力和善于总结及创新的能力。

创建异型构件族是一项庞大的系统工程， 但具体到某个设计团队，由于工作性质不同，自己常用的异型构件族并不是很多。 另外， 开始时花费一些时间和精力来做好这项工作，可为今后大大节省时间。限于篇幅，如何创建异型构件族的细节在此不多述。

3.2 关于钢筋混凝土结构的平法表示

在中国内地流行钢筋混凝土结构施工图的绘制均采用平面表示法，即在平面图上标注一些代号，通过对照标准图集，施工技术人员就可以将其转换成工艺图或放样图，这样就免去了结构工程师的大量绘图工作。 其实施工人员最终还是需要完成必须有的工艺图或放样图的绘制工作。

Revit Structure 起初觉得平面表示法这个环节多余，因为从 BIM 技术模型可以轻松提取相关数据自动生成施工人员要的工艺图或放样图， 但这不符合中国工程师的设计习惯和目前中国政府主管部门对施工图文档的报审和备案要求。

为了适应中国市场要求，Autodesk Subscription（速博）就中国结构施工图平面表示法提供了一套变通解决方案—中国本地化工具包， 即采用共享参数和二维详图等标注功能来实现基于平法施工图的制图要求。 笔者初步试用感觉此套方案是可行的，基本上解决了平法施工图的表达问题。但效率比在2D工具中进行平法标注无明显提升，还有待改进。

3.3 BIM物理模型与分析模型的链接及管理

虽然 Revit Structure 可以实现与多个处于领先地位的第三方分析应用软件链接， 但目前链接得比较好又为中国用户熟悉的就是 ETABS。但第三方分析应用软件往往版本更新与Revit不能同步，因此实际应用中，物理模型与分析模型的双向链接功能很少被中国用户采用。

如果使用的不是 Revit Structure 的分析模型功能， 也不太关心分析模型的准确性，则建议通过在用户界面中或在Revit Structure.ini 文件中禁用这些功能， 来显著提高模型性能。关于禁用这些功能的细节请参考相关使用说明。

3.4 关于配筋大样图和钢构节点大样

虽然 Revit Structure 可利用其内部功能和外部二维详图族实现绘制配筋大样图和钢构节点大样， 但利用第三方的应用扩展软件包可大大提高绘制速度。Subscription 的结构扩展程序就是其一，但其功能有待完善。

4.BIM技术在结构设计过程中的阶段性应用

在结构设计前期的方案和初步设计阶段，运用 BIM 技术可以方便与建筑师和机电工程师的协调，可以轻松灵活地提供多个备选方案， 发挥3D模型可视化的功能给客户展示，以便迅速作出决定。目前基于 BIM 技术的工具软件在给结构设计提供的功能一般都可以很好地达到初步设计文档所要求的深度。

但是， 结构工程师最关心的是从结构计算到快速出施工图， 即生成符合标准的设计施工图文档。由于目前基于BIM理念的工具软件尚有些技术问题还没有很好解决，从3D模型到传统的施工图文档还不能达到 100%的无缝链接，所以在实际应用中，建议阶段性应用或部分应用 BIM 技术，同样也可以大大提高工作效率。比如，利用工具软件快速创建3D 模型并自动生成各层平面结构图（模板图）和剖面图的优点，来完成结构条件图。将条件图导出为2D图，一方面提供给其它专业作为结构条件用，另外也是自己在 2D工具中制作配筋详图和节点详图的基准底图。建议在2D详图工具软件 （如AutoCAD） 中外部引用自3D模型导出的条件图，并关掉在配筋图和大样图中不需要的图层，今后如果3D模型有较多的改动和发生设计变更， 仅需要重新导出一次条件图并覆盖旧的条件图文件，这样与模板图有关的修改内容（构件大小和位置）就在与之关联的全部配筋图和大样图中自动更新，避免了打开 每张图在其中重复修改的麻烦。

5.总结

(1) 要有统一的 BIM 技术公司标准和项目样板，以便初学者可以快速上手， 也便于设计团队内部及不同专业团队之间的协调和资源共享。

(2) 创造自己的异型构件族是结构工程师能否用好 BIM技术于自己设计工作的关键。

(3) 采用变通的解决方案和阶段性运用 BIM 技术可以提前享受BIM技术的优势，提高自己在行业中的竞争力。

(4)在单位内部成立 BIM 技术小组，共享经验，共同研讨解决方案，有利于 BIM 技术得到深入广泛的应用，带来可观的效益。