劉 俊 王子俊 林紫茹 胡 笳 王 磊

(1.上海理工大學(xué) 土木系，上海 200093； 2.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045； 3.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044)

1 BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

三維技術(shù)在石化、電力、機(jī)械等行業(yè)較為成熟的應(yīng)用是到施工圖階段。在石化、電力行業(yè)，三維技術(shù)主要解決的是管線眾多導(dǎo)致的碰撞問題，同時(shí)達(dá)到建設(shè)材料零庫(kù)存，有效精確控制投資規(guī)模。在機(jī)械行業(yè)，三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與數(shù)控機(jī)床無縫銜接，達(dá)到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一體化[1-2]。BIM的定義由三部分組成，BIM是一個(gè)建設(shè)項(xiàng)目物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)； BIM是一個(gè)共享的知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息、為該設(shè)施從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程； 在項(xiàng)目的不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)[3-5]。目前建筑和機(jī)電專業(yè)能使用BIM工具軟件較好地完成施工圖設(shè)計(jì)[6]。

但結(jié)構(gòu)專業(yè)由于需要計(jì)算分析模型，同時(shí)結(jié)構(gòu)施工圖是通過“平法”表示，而目前BIM工具軟件不具備該功能，因此處理好計(jì)算模型和“平法”表示，是實(shí)現(xiàn)基于BIM技術(shù)做結(jié)構(gòu)施工圖的前提[7]。在建筑工程BIM模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換方面，已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)模型自動(dòng)生成ETABS、SPA和MIDAS等結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的功能[8-9]。

2 基于Revit平臺(tái)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)

2.1 Revit平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用

Revit是Autodesk公司一套系列軟件的名稱。Revit系列軟件是為建筑信息模型(BIM)構(gòu)建的，可幫助建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)質(zhì)量更好、能效更高的建筑。Revit是我國(guó)建筑業(yè)BIM體系中使用最廣泛的軟件之一。在Revit模型中，所有的圖紙、二維視圖和三維視圖以及明細(xì)表都是同一個(gè)基本建筑模型數(shù)據(jù)庫(kù)的信息表現(xiàn)形式。在圖紙視圖和明細(xì)表視圖中操作時(shí)，Revit軟件將收集有關(guān)建筑項(xiàng)目的信息，并在項(xiàng)目的其他所有表現(xiàn)形式中協(xié)調(diào)該信息，即二維圖形和三維圖形聯(lián)動(dòng)[10]。

在Revit中進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用軟件提供的一系列協(xié)同機(jī)制實(shí)現(xiàn)在同一平臺(tái)上的共同工作，各專業(yè)的最新工作成果可以直接反應(yīng)在集成后的模型中，共享給其他專業(yè)參考。與二維工作模式相比，協(xié)同工作簡(jiǎn)化了繁瑣的對(duì)圖環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了各專業(yè)工作的實(shí)時(shí)同步，從而即時(shí)暴露并解決問題，減少設(shè)計(jì)中的錯(cuò)漏碰缺[11]。因此，工作實(shí)時(shí)同步是三維協(xié)同設(shè)計(jì)較常規(guī)二維設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢(shì)。

2.2 結(jié)構(gòu)專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)流程

參照建筑的Revit模型，建立結(jié)構(gòu)的Revit模型。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，相比以平面圖為基礎(chǔ)建模，可以直觀的掌握具體空間關(guān)系，防止結(jié)構(gòu)布置的不合理； 所建模型可以轉(zhuǎn)換成計(jì)算分析模型，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程相比，未增加建模工作量的同時(shí)，提高了模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)為建筑和機(jī)電的設(shè)計(jì)提供了可參照的結(jié)構(gòu)模型，提高了各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的效率。

與常規(guī)設(shè)計(jì)流程相比，結(jié)構(gòu)專業(yè)在進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，主要需要處理以下三方面的額外工作，一是處理好與建筑專業(yè)的交界面，例如需要與建筑專業(yè)約定到豎向構(gòu)件的歸屬，如果屬于結(jié)構(gòu)范圍，那么建筑面層需要單獨(dú)建立并附加在墻柱表面。另一方面是處理好與結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的同步，目前已經(jīng)有幾款商用結(jié)構(gòu)工具軟件能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件與Revit軟件的對(duì)接，該部分將在下一章詳細(xì)介紹?？傮w來說，工具軟件能夠簡(jiǎn)化一部分結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與Revit模型之間的重復(fù)建模工作，但不能完全消除兩類軟件之間的數(shù)據(jù)鴻溝，因此難以避免需要同時(shí)維護(hù)結(jié)構(gòu)的三套數(shù)據(jù)表達(dá)，即計(jì)算分析表達(dá)，Revit三維表達(dá)和施工圖二維表達(dá)。第三方面是在Revit中繪制施工圖，Revit與CAD軟件的底層驅(qū)動(dòng)模式不同，沒有圖層的概念，主要依賴于族和構(gòu)件來控制不同類型的視圖表達(dá)，較為繁瑣，這部分工作目前也可以依靠工具軟件來簡(jiǎn)化工作量，在下節(jié)中敘述。

3 BIM技術(shù)在施工圖設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用研究

3.1 平法

建筑結(jié)構(gòu)施工圖平面整體設(shè)計(jì)方法，即行業(yè)內(nèi)稱為平法表示法，是我國(guó)目前混凝土結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的表示方法。平法的表示形式，概括來講，是把結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸和配筋等，按照平面整體表示方法制圖規(guī)則，整體直接表達(dá)在各類構(gòu)件的結(jié)構(gòu)平面布置圖上，再與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造詳圖配合，即構(gòu)成一套新型完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。結(jié)構(gòu)施工圖平法的核心是表達(dá)鋼筋信息，在平面布置圖上有平面注寫方式、列表注寫方式和截面注寫方式三種。

Revit實(shí)現(xiàn)平法表達(dá)的過程，是將構(gòu)件具體的鋼筋信息通過平法符號(hào)族進(jìn)行表達(dá)的過程。平法符號(hào)族能與構(gòu)件具體鋼筋信息形成關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息表達(dá)聯(lián)動(dòng)[12]。實(shí)現(xiàn)Revit平法表達(dá)能讓圖紙表達(dá)更為簡(jiǎn)潔，降低對(duì)電腦性能的要求，同時(shí)也與現(xiàn)有設(shè)計(jì)施工人員的習(xí)慣相對(duì)接，利于實(shí)際應(yīng)用。

3.2 基于Revit的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)軟件特點(diǎn)比較

YJK建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)是一套全新的集成化建筑結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，功能包括結(jié)構(gòu)建模、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和接口軟件六大方面。結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)軟件可進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的樓板、梁、柱、剪力墻、樓梯、基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)施工圖輔助設(shè)計(jì)。它接力其它YJK軟件的建模和計(jì)算結(jié)果，自動(dòng)選配鋼筋和進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。軟件按照2011年9月發(fā)布的國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集11G101《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》自動(dòng)繪制施工圖紙，鋼筋修改等操作均在平法圖上進(jìn)行。

REVIT-YJKS產(chǎn)品主要分為結(jié)構(gòu)模型、計(jì)算信息、施工圖三個(gè)部分的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了Revit和YJK在模型幾何定位、結(jié)構(gòu)計(jì)算信息、構(gòu)件鋼筋信息、施工圖繪制以及三維實(shí)體鋼筋的數(shù)據(jù)傳遞和共享。

探索者結(jié)構(gòu)三維施工圖軟件TSPT for Revit是為結(jié)構(gòu)專業(yè)開發(fā)的三維平臺(tái)自動(dòng)生成施工圖軟件。軟件通過讀取計(jì)算分析軟件的結(jié)果，自動(dòng)在Revit上生成結(jié)構(gòu)施工圖，并通過關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)修改效率的最大化。

廣廈結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)GSRevit是基于Revit平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，可直接針對(duì)Revit模型進(jìn)行荷載輸入、總信息輸入，通過調(diào)用結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊和施工圖生成模塊完成相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算工作并將結(jié)果快速導(dǎo)入Revit平臺(tái)[13]。

相對(duì)于探索者TSPT需要讀取外部數(shù)據(jù)，Revit-YJK與YJK只需內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定。而且Revit-YJK和YJK為同一平臺(tái)產(chǎn)品，對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，使用上也更加習(xí)慣。廣廈GSRevit雖實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工圖一體化，但針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，人工可干預(yù)程度較Revit-YJK偏低。因此，在工程案例中模型轉(zhuǎn)換時(shí)采用了Revit-YJK。

3.3 基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

隨著BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不斷應(yīng)用，依次出現(xiàn)以下三種BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。

1)在Revit平臺(tái)上，基于建筑模型直接建立結(jié)構(gòu)模型，然后通過接口導(dǎo)出結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。之后分別維護(hù)Revit模型和結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。該方法能夠較高效的得到精確的三維結(jié)構(gòu)模型，并且可與各專業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，并可直接通過Revit生成結(jié)構(gòu)模板圖，但由于Revit模型和結(jié)構(gòu)計(jì)算模型沒有產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，所以構(gòu)件配筋信息不能傳遞到Revit平臺(tái)，因此在Revit平臺(tái)出不了配筋圖。

2)在結(jié)構(gòu)計(jì)算平臺(tái)上，直接建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算后，將結(jié)構(gòu)模型和配筋信息導(dǎo)入到Revit平臺(tái)中，能夠生成模板圖和施工圖。但由于結(jié)構(gòu)建模時(shí)無法如方式一參照建筑模型，所以模型精度較難保證。

3)首先建立Revit建筑模型，然后基于Revit建筑模型用Revit-YJK建立結(jié)構(gòu)模型。將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到Y(jié)JK進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并用YJK生成施工圖。再將帶鋼筋參數(shù)的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Revit-YJK，并關(guān)聯(lián)模型(關(guān)聯(lián)后的結(jié)構(gòu)模型可根據(jù)建筑、機(jī)電提資進(jìn)行修改)，最終生成Revit平臺(tái)的結(jié)構(gòu)施工圖。

3.4 基于BIM技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

目前在進(jìn)行基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用3.3節(jié)中的第三種方式。但在具體結(jié)構(gòu)模型建立時(shí)，又細(xì)分為兩種方法。

1)將建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電各專業(yè)模型建立在同一個(gè)模型中，相對(duì)二維設(shè)計(jì)建模而言，該方法的優(yōu)點(diǎn)是模型精度極高，和真實(shí)建筑幾乎完全一致。但其缺點(diǎn)是在自動(dòng)生成施工圖時(shí)，由于共用一個(gè)模型，很難將各專業(yè)構(gòu)件分別分開出圖。

2)將建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電各專業(yè)模型分開建立，相互參照。該方法的特點(diǎn)是在生成施工圖時(shí)，能夠快速便捷的以各專業(yè)成圖習(xí)慣生成各專業(yè)施工圖。

兩種方法在模型體量較大時(shí)，都會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)性能提出較高要求。目前的解決方案是將建筑拆分為若干層，將各個(gè)層建立為獨(dú)立模型，最終通過參照組合在一起。但該方法的缺點(diǎn)是，如果需要將模型導(dǎo)入計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，該方法對(duì)建立的組合模型是不可行的。

4 工程案例

4.1 工程背景

本項(xiàng)目位于南昌新建區(qū)長(zhǎng)堎鎮(zhèn)紅灣公路南側(cè)，規(guī)劃一路東側(cè)，禮賢北路北側(cè)。項(xiàng)目用地面積為39，852m2。擬建項(xiàng)目將包括兩座202m的超高層塔樓以及2層高商業(yè)裙樓，共提供約144 900m2地上建筑面積，主要包括辦公空間、酒店、商業(yè)。地下總建筑面積約6 168m2，典型地下室兩層。地下室為辦公空間、酒店和設(shè)備空間。本文針對(duì)3A5商業(yè)小樓進(jìn)行了結(jié)構(gòu)施工圖BIM正向設(shè)計(jì)。

4.2 設(shè)計(jì)過程

首先，基于Revit建立了建筑模型(見圖1)，并基于建筑模型建立了Revit結(jié)構(gòu)模型(見圖2)。本文采用的是將各專業(yè)分開建模的方法，方便后續(xù)施工圖生成。對(duì)于復(fù)雜建筑，該建模方法在多專業(yè)配合時(shí)仍需相互參照，較為不便。

圖1 Revit建筑模型

圖2 Revit結(jié)構(gòu)模型

由于本文在Revit中采用的是整體建模方式，因此可將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖3。對(duì)于大型建筑，該建模方式對(duì)電腦的性能要求極高，較難滿足。需注意，目前從Revit平臺(tái)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的結(jié)構(gòu)模型是不具有標(biāo)準(zhǔn)層概念的，這對(duì)于結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的荷載加載和調(diào)整將增加較大工作量?；谑┕D模塊，針對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整修改并生成平法施工圖，部分施工圖見圖4。

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖4 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件生成二層梁配筋

將平法施工圖文件導(dǎo)入Revit-YJK，形成了BIM施工圖，部分施工圖見圖5、圖6。在生成結(jié)構(gòu)施工圖的過程中，雖能通過人工干預(yù)，對(duì)具體計(jì)算結(jié)果及圖紙內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，但干預(yù)程度仍較低。如按平法施工圖進(jìn)行梁配筋時(shí)，梁的布置和跨數(shù)的確定，軟件更多的是基于計(jì)算結(jié)果而非結(jié)構(gòu)工程師的意圖，導(dǎo)致了一定量的后期調(diào)整工作，降低了設(shè)計(jì)效率。

圖5 Revit結(jié)構(gòu)施工圖軟件生成二層板配筋

圖6 Revit結(jié)構(gòu)施工圖軟件生成二層柱配筋

5 總結(jié)

(1)基于Revit結(jié)構(gòu)施工圖軟件和結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件能夠?qū)崿F(xiàn)BIM的施工圖設(shè)計(jì)；

(2)建筑體量較大時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高，較難滿足；

(3)協(xié)同模式的選擇對(duì)設(shè)計(jì)過程和結(jié)果影響較大，分專業(yè)建模方便出施工圖，但對(duì)復(fù)雜建筑而言，專業(yè)配合效率降低；

(4)Revit結(jié)構(gòu)施工圖軟件導(dǎo)出結(jié)構(gòu)計(jì)算模型時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)有錯(cuò)誤，穩(wěn)定性有待提高；

(5)生成施工圖時(shí)，缺乏前期人工干預(yù)的功能，出圖效率有待提高。