淺析在BIM中的結(jié)構(gòu)三維設(shè)計

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　　最初理解的三維設(shè)計就是簡單把二維圖形轉(zhuǎn)換成三維立體的圖形，使用中才慢慢了解到Revit只 是實現(xiàn)BIM技術(shù)的一種工具。BIM的全拼是Building Information Modeling，即建筑信息模型，是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，比如同樣繪制一根梁，在二維cad里梁就是 2根線；但在BIM里梁則為一個三維實體，包含了梁的截面尺寸和長度。不僅如此，梁還可以包括自身的混凝土等級、保護(hù)層厚度、配筋情況以及建造階段等信 息。因此這里說的三維比起二維，包含的信息要廣泛的多。

　　文章中首先介紹筆者使用結(jié)構(gòu)三維設(shè)計的現(xiàn)狀與總結(jié)，包括三維結(jié)構(gòu)建模過程、三維建模與結(jié)構(gòu)分析計算、如何在三維設(shè)計中保留并實現(xiàn)二維平法出圖三個方 面；之后是關(guān)于結(jié)構(gòu)三維設(shè)計如何在bim中實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計和協(xié)同作業(yè)的探索。通過以上兩方面，淺析結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行三維設(shè)計的優(yōu)勢和重要意義。

　　一．結(jié)構(gòu)三維設(shè)計的現(xiàn)狀與優(yōu)勢筆者認(rèn)為，結(jié)構(gòu)三維設(shè)計有兩大優(yōu)勢：第一，所有的結(jié)構(gòu)件都是三維實體，三維顯示直觀并可實時觀察，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計師能夠觀 察結(jié)構(gòu)空間形式、結(jié)構(gòu)布置的合理性及結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造特征，能很好地檢測設(shè)計的準(zhǔn)確性；第二，三維模型與二維平面相關(guān)聯(lián)，對一個構(gòu)件的尺寸進(jìn)行修改后，所有 平、立、剖面上的相應(yīng)尺寸數(shù)據(jù)都會進(jìn)行自動修改，這樣可以大量減少重復(fù)修改的工作量，提高工作效率并減少遺漏。因此設(shè)計者可以把大部分精力花在對結(jié)構(gòu)方案 設(shè)計的優(yōu)化上。以下結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗，介紹現(xiàn)階段使用revit進(jìn)行三維設(shè)計的情況，并簡要分析如何發(fā)揮其優(yōu)勢。

　　1.三維設(shè)計與創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)設(shè)計中，建立貼合實際的建筑結(jié)構(gòu)模型是非常重要的。在Revit中，族是模型的基本元素，所有的結(jié)構(gòu)件，如梁、柱、板、基礎(chǔ)等等都是各種類型的族。

　　Revit自身提供了一個很豐富的族庫，用戶可以直接載入使用。除了應(yīng)用自身的族庫外，Revit提供的族編輯也能夠讓用戶自由定義其他類型的族， 比如礦倉、筏板基礎(chǔ)等。能否根據(jù)需要靈活定義族是準(zhǔn)確、高效完成項目的基礎(chǔ)。因此要發(fā)揮三維建模的優(yōu)勢，最終就落在如何建好族上，筆者對此進(jìn)行了總結(jié)：

　　(1)選合適的族模板。Revit根據(jù)族的用途和類型，提供了很多種類的族模板，在自建族時首先需要選擇合適的族模板。族模板預(yù)定義了新建族所屬的 族類別和一些默認(rèn)參數(shù)。參數(shù)類型包括“族參數(shù)”和“共享參數(shù)”?！白鍏?shù)”又包括“實例”和“類型”兩類，實例參數(shù)將出現(xiàn)在族“圖元屬性”對話框中，而類 型參數(shù)出現(xiàn)在“類型屬性”對話框中； Revit允許在新建族中按要求添加需要的參數(shù)。當(dāng)把完成的族載入到項目中調(diào)用時，Revit會根據(jù)初始選擇的族模板所屬的族類別，被歸類到設(shè)計欄對應(yīng)命 令的類型選擇器中。比如我創(chuàng)建一個框架梁類別的族，那它將自動歸類在“梁”命令中；此外在明細(xì)表中，也會被統(tǒng)計在該類別內(nèi)，這在之后的算量統(tǒng)計中是可以被 使用的。值得注意的是，明細(xì)表中可以統(tǒng)計的族類型是固定的，像在常規(guī)類型模板下建的族就無法在明細(xì)表中統(tǒng)計體積、長度、寬度等，只能統(tǒng)計個數(shù)。

　　(2)創(chuàng)建準(zhǔn)確的實體形狀選定了族模板后，就可以開始創(chuàng)建族的實體形狀?？招男螤詈蛯嵭男螤钍亲钪匾膬蓚€命令。實心形狀用來創(chuàng)建實體模型，空心形 狀則用來剪切洞口。實心和空心形狀都包括拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣、放樣融合五項功能。從普通的規(guī)則形體到無法用平面圖形表示的空間體量，都可以通過這些命 令來完成。

　　(3)族的參數(shù)設(shè)置之所以說族可以提升建模效率，關(guān)鍵還在于族的參數(shù)化。參數(shù)屬性包括：基本屬性文本型/數(shù)字型；外部屬性幾何型/描述型/功能型等 等，這里是指當(dāng)前參數(shù)是用來描述模型的幾何參量還是其它；內(nèi)部屬性確值型/值域型/函數(shù)型等。構(gòu)件通過參數(shù)化，當(dāng)修改幾何參數(shù)數(shù)值時，相應(yīng)的實體也會發(fā)生 改變；增加描述型的參數(shù)，可以給族添加更豐富的注釋信息。一般來說，某一個族中的參數(shù)，只能在該族中使用，如果想要幾個族同時使用一個參數(shù)就需要使用共享 參數(shù)。這一點在實現(xiàn)平法出圖中有詳細(xì)說明。

　　此外，通過運用函數(shù)型參數(shù)等，還可以將參數(shù)進(jìn)行常規(guī)的數(shù)學(xué)運算和邏輯運算外，甚至利用一些小技巧來實現(xiàn)一些包括取整，奇數(shù)和偶數(shù)等功能，這里就不再詳述?？傊?，參數(shù)的多樣化決定了信息的多樣化，這也是bim信息化模型的核心之一。

　　2.revit三維模型與結(jié)構(gòu)分析模型的互導(dǎo)

　　Revit軟件本身不能進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，但它可以通過Revit API（應(yīng)用編程接口）連接的第三方分析應(yīng)用，如R-STARCAD就是由revit和PKPM共同開發(fā)的、能夠?qū)崿F(xiàn)PKPM與Revit 結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換的插件（插件會有一定的版本要求）。Revit側(cè)重于BIM建模，跨專業(yè)實現(xiàn)協(xié)調(diào)設(shè)計；而PKPM則在結(jié)構(gòu)分析計算方面與國內(nèi)規(guī)范結(jié)合最為緊 密。通過模型互導(dǎo)，結(jié)構(gòu)工程師在使用不同軟件時可以極大的減少重復(fù)建模的工作量，從而提高工作效率并降低出錯率。

　　在模型導(dǎo)入導(dǎo)出的過程中有幾點需要注意：由revit模型導(dǎo)入到PKPM時，需注意“導(dǎo)出高級選項”的設(shè)置：模型構(gòu)件選項中我們可以設(shè)置需導(dǎo)出的構(gòu) 件種類，包括軸線，結(jié)構(gòu)梁、支撐、柱、墻、等。“特殊處理選項”中在設(shè)置偏心歸并距離時需特別謹(jǐn)慎?！捌摹本鶠楣?jié)點對軸線交點或定位網(wǎng)格對軸線的偏移距 離，偏心的正負(fù)號跟PKPM的定義是相同的。因為PKPM中一個節(jié)點或網(wǎng)格只能布置一個構(gòu)件，所以這個偏心歸并距離的設(shè)置要避免將RST模型中的定位節(jié)點 或定位網(wǎng)格歸并到同一段軸線端點上，以防止構(gòu)件丟失。這個偏心值的設(shè)置一般取模型中構(gòu)件的最小間距和截面最大寬度的最小值。

　　關(guān)于截面選項的設(shè)置問題。R-STARCAD對revit的常用族庫進(jìn)行了參數(shù)的智能匹配，只需對各個截面的匹配規(guī)則進(jìn)行確認(rèn)即可。例如我們選定某 一截面尺寸的結(jié)構(gòu)柱，會顯示該族對性應(yīng)的PKPM中的截面參數(shù)和RST中的族形狀預(yù)覽圖。右側(cè)屬性表會列出可以修改的族參數(shù)匹配規(guī)則，如果軟件的自動匹配 有誤，可以手工選擇對應(yīng)的截面參數(shù)值，全部參數(shù)值確認(rèn)后，點擊“應(yīng)用”即可確認(rèn)匹配。對模型中某些不能智能識別的族，需要根據(jù)匹配規(guī)則指定對應(yīng)關(guān)系，完成 手工匹配。完成界面匹配的族會在其最前端顯示出紅勾。

　　最后達(dá)到的效果：(1)RST中提供了大量預(yù)先定義好且與PKPM對應(yīng)的族文件，包括多種形狀和規(guī)格的梁、柱和支撐，可以保證在轉(zhuǎn)換過程中，梁、柱 和支撐對應(yīng)轉(zhuǎn)換，并可以出現(xiàn)在PKPM或revit的梁、柱和支撐的構(gòu)件表中。(2).在RST和PKPM中模型構(gòu)件各自有很多種偏心形式，在相互轉(zhuǎn)換后 梁柱偏心形式和尺寸保持了一致。 (3).模型中的層間梁和斜梁在相互轉(zhuǎn)換后能夠保持一致。(4).模型中剪力墻的洞口設(shè)置相互轉(zhuǎn)換后保持一致，雙梁保持一致。這兩點也體現(xiàn)了三維模型設(shè)計 的優(yōu)勢。

　　隨著各軟件公司投入的不斷加大，以及一線設(shè)計人員的實踐反饋。插件也在不斷更新完善中，模型互導(dǎo)包含的信息越來越多，比如梁構(gòu)件，從只包含幾何數(shù)據(jù)信息到后來可以包含配筋信息等。隨著國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的建立，軟件之間模型信息的互通將更加完善。

　　3. 結(jié)構(gòu)三維設(shè)計實現(xiàn)平法出圖

　　平法是在二維圖紙上表達(dá)鋼筋信息一種簡化，而鋼筋信息是三維結(jié)構(gòu)模型的組成部分。從二維平法抽象注釋符號所表示的鋼筋信息到三維模型中可存儲和交換的數(shù)據(jù)形式，需要建立一個過渡來將他們聯(lián)系起來，接下來就簡要敘述筆者嘗試?yán)胷evit中共享參數(shù)實現(xiàn)梁平法標(biāo)注的過程。

　　梁配筋平法標(biāo)注需要的參數(shù)包括梁編號、箍筋類型、架立筋類型、底筋類型、梁寬和梁高。實現(xiàn)方法是在梁構(gòu)件族里添加以上參數(shù)，并讓標(biāo)簽族讀取這些參數(shù)。為了讓梁族和標(biāo)簽族能夠同時調(diào)用這些參數(shù)，就需要使用到共享參數(shù)功能。

　　在族的管理選項里有共享參數(shù)的按鈕，點擊后會跳出共享參數(shù)編輯對話框。首先要創(chuàng)建一個共享參數(shù)文件，把需要的參數(shù)添加進(jìn)去。然后建梁族和標(biāo)簽族，建 族后在每個族里添加需要的參數(shù)并指定參數(shù)類型。建梁族時可以選擇系統(tǒng)自帶的族模板，把這些共享參數(shù)添加到族類型的參數(shù)里。有一點需要注意，系統(tǒng)自帶的梁族 里，梁寬和梁高參數(shù)分別為b和h，因為這兩個參數(shù)不是共享參數(shù)，不能被其他族使用，因此可以變通一下，將共享參數(shù)中的“梁寬”和“梁高”分別與初始參數(shù)里 的b和h對應(yīng)，這樣就可以讓標(biāo)簽族讀取梁寬和梁高的數(shù)據(jù)。建標(biāo)記族時先選擇結(jié)構(gòu)框架標(biāo)記族作為模板，然后編輯標(biāo)簽，在類別參數(shù)中添加與梁族一樣的共享參 數(shù)；添加完成后，可以在標(biāo)簽參數(shù)欄中對這些共享參數(shù)的順序、布置進(jìn)行編輯，比如增加括號、空格或者換行等，這樣就可以在格式上符合平法要求。

　　完成這兩個族的編輯就有了實現(xiàn)梁配筋平法標(biāo)記的工具，通過將配筋等信息輸入到梁模型中，就可以使用梁標(biāo)簽標(biāo)記出平法表示。此外共享參數(shù)還可以運用到 明細(xì)表和過濾器中，作為可被選中的字段和類別。在三維設(shè)計中的平法除了滿足現(xiàn)有的出圖習(xí)慣外，也有自己的特點：首先，模型中的平法注釋符號不僅僅是孤立的 注釋和代號，而是包括了進(jìn)一步深化這些實體所需要的數(shù)值化信息，這些信息可以提取、交換和分析。其次，設(shè)計師進(jìn)行的平法標(biāo)注是參數(shù)化設(shè)計過程。設(shè)計師可以 快速瀏覽到各種設(shè)計信息，通過調(diào)整和修改參數(shù)，可以實時進(jìn)行方案比選和配筋優(yōu)化。設(shè)計師對構(gòu)件的修改( 如: 移動、改尺寸) 可以立刻傳遞到平法圖中，平法圖上對應(yīng)的注釋符號，包括標(biāo)高和所有的幾何信息，均可自動更新。

　　二．結(jié)構(gòu)三維設(shè)計如何參與協(xié)同設(shè)計和協(xié)同作業(yè)Revit不是一款高級的三維cad，要發(fā)揮它真正的優(yōu)勢需要回到三維設(shè)計的核心概念BIM上來，而 BIM的核心應(yīng)該是三維協(xié)同技術(shù)。所謂三維協(xié)同分為協(xié)同設(shè)計和協(xié)同作業(yè)。協(xié)同設(shè)計是針對設(shè)計院專業(yè)內(nèi)、專業(yè)間進(jìn)行數(shù)據(jù)和文件交互、溝通交流等的協(xié)同工作。 協(xié)同作業(yè)是針對項目業(yè)主、設(shè)計方、施工方、監(jiān)理方、材料供應(yīng)商、運營商等與項目相關(guān)各方，進(jìn)行文件交付、溝通交流等的協(xié)同工作。根據(jù)結(jié)構(gòu)三維設(shè)計自身的特 點，筆者認(rèn)為可以在以下兩大方面發(fā)揮其作用。

　　1.協(xié)同設(shè)計實施方面

　　筆者所在公司承接的燒結(jié)、球團(tuán)和采選等項目，工藝流程復(fù)雜、設(shè)備種類繁多，各建、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)形式多樣。每個工程到每個子項都需要公司多個設(shè)計部門的 通力合作。一些復(fù)雜的廠房除工藝設(shè)備外,還包括給排水設(shè)備、通風(fēng)除塵設(shè)備、三電設(shè)備以及相應(yīng)的管道線路等。由于受空間、結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)件斷面尺寸的限制， 各種管道及附屬設(shè)備的布置需要設(shè)計人員花費大量的時間核對柱梁板及相關(guān)管道的尺寸信息和它們之間的空間關(guān)系。結(jié)合自己的設(shè)計經(jīng)驗，筆者認(rèn)為結(jié)構(gòu)三維設(shè)計可 以在以下三方面促進(jìn)協(xié)同設(shè)計。

　　(1)可視化三維設(shè)計

　　結(jié)構(gòu)三維模型作為BIM綜合模型的重要組成部分，可以進(jìn)行直觀的三維瀏覽并讀取構(gòu)件信息，從而幫助其它非結(jié)構(gòu)專業(yè)理解結(jié)構(gòu)圖紙。以往圖紙會審時都是各專業(yè)設(shè)計人員拿著各自的圖紙進(jìn)行溝通，相比而言，在一個綜合BIM模型下進(jìn)行討論溝通效率會更高。

　　(2)參與網(wǎng)絡(luò)化的協(xié)同設(shè)計

　　三維協(xié)同設(shè)計一般有兩種方案：一種是使用工作集功能。所有的項目人員通過使用工作集，在同一個模型下，一次輸入多次利用數(shù)據(jù)。每個人員只對自己專業(yè) 負(fù)責(zé)的內(nèi)容有讀、寫的權(quán)限，對其它專業(yè)參與人員負(fù)責(zé)的部分只有讀的權(quán)限。另一種是鏈接功能。各專業(yè)在自己獨立的模型中進(jìn)行設(shè)計，但可以隨時將其它專業(yè)的模 型鏈接進(jìn)自己的模型來參考（這種功能適合于電腦配置相對較低的情況）。這兩種方法要求在設(shè)計過程中，各專業(yè)設(shè)計人員將自己負(fù)責(zé)部分的模型修改及時進(jìn)行更 新，當(dāng)其它設(shè)計人員每天打開文件并檢測更新時就能發(fā)現(xiàn)變化，及時溝通。

　　通過使用上述方法，可以讓原來各專業(yè)間的線性委托設(shè)計變?yōu)閷I(yè)間的網(wǎng)絡(luò)交互設(shè)計，各專業(yè)可以同時在一個綜合模型中工作，或者在本專業(yè)模型中隨時鏈接 參考其它專業(yè)的模型。這也使得其他專業(yè)能在結(jié)構(gòu)和建筑模型上，對工藝設(shè)備及管道配合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并在配合設(shè)計部門多、工期較緊的情況下控制設(shè)計質(zhì)量。

　　(3)錯漏碰問題的解決

　　結(jié)構(gòu)bim模型為各專業(yè)提供了精準(zhǔn)、真實的結(jié)構(gòu)梁柱、墻板、設(shè)備基礎(chǔ)和支架等信息。在此基礎(chǔ)上，工藝設(shè)備、管道線路布置確定后，各專業(yè)工程師在建模 過程中，使用Revit軟件自身的“碰撞檢查”命令（也可以使用naviswork等更加專業(yè)的軟件），可以進(jìn)行碰撞檢查并實時調(diào)整模型，解決結(jié)構(gòu)與工藝 專業(yè)間的結(jié)構(gòu)件與設(shè)備、管線的硬碰撞；結(jié)構(gòu)件與建筑的門窗、鋼梯碰撞；水暖電管線之間的軟碰撞；以及復(fù)雜廠房樓梯平臺的遺漏等問題。

　　2.協(xié)同作業(yè)實施方面

　　三維協(xié)同作業(yè)技術(shù)可實現(xiàn)建筑項目全生命周期的信息構(gòu)建，增強項目各相關(guān)方的信息共享。基于協(xié)同設(shè)計的模型成果，項目建設(shè)方、設(shè)計方、施工方、監(jiān)理 方、使用方等都能比較直觀地掌握項目的全貌。筆者結(jié)合自己在總包現(xiàn)場的施工服務(wù)經(jīng)驗，認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計可以在三個方面參與到三維協(xié)同作業(yè)中發(fā)揮作用。

　　(1)可視化BIM結(jié)構(gòu)模型利用結(jié)構(gòu)三維模型可視化，總包項目部在未施工前就可以對整體廠房結(jié)構(gòu)布置一目了然。由于現(xiàn)在的工程對施工進(jìn)度要求越來越高，總包項目部可以利用BIM模型合理形象的制定施工順序和進(jìn)度安排。

　　總包現(xiàn)場施工隊伍較多，施工隊伍水平又參差不齊，因此可以使用可視化的BIM模型對施工單位進(jìn)行交底，對廠房的重點和難點部位，還可以進(jìn)行復(fù)雜節(jié)點 深化設(shè)計并提供大樣圖，協(xié)助施工單位制定施工措施。這樣可以很大程度避免施工隊伍對二維圖紙信息理解不到位，而導(dǎo)致竣工結(jié)果與設(shè)計初衷相違背。

　　可視化BIM模型特別降低了非專業(yè)人士對項目的理解難度，如在進(jìn)行工藝專業(yè)或水暖電專業(yè)的設(shè)備及管線安裝時，施工方都可以看明白結(jié)構(gòu)專業(yè)的模型，從而提升了不同專業(yè)間、不同參與方的項目協(xié)同能力。

　　(2)工程量統(tǒng)計與安排

　　總包項目部需要對現(xiàn)場各種工程量進(jìn)行統(tǒng)計，控制造價。應(yīng)用信息化模型中自動統(tǒng)計的工程量表格，如土建工程量(混凝土、型鋼、鋼彩板量等)、建筑門窗 明細(xì)表等都可用于成本估算、工程量預(yù)算及工程量決算，從而幫助總包項目部合理控制工程量?，F(xiàn)在更有專業(yè)的費控計算軟件能夠?qū)雛evit模型數(shù)據(jù)，因此結(jié) 構(gòu)模型還可以提供給費控專業(yè)進(jìn)行相互校核以減少潛在失誤。

　　(3)廠房局部改造

　　在工程竣工后的生產(chǎn)過程中，使用方有時會根據(jù)生產(chǎn)情況和新工藝要求對某些廠房進(jìn)行改造，因此也存在一部分大修改造項目。相比新建廠房，改造廠房的設(shè) 計必須避免與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)以及設(shè)備沖突，并且盡量不影響生產(chǎn)，因此這些改造項目在設(shè)計時往往更加復(fù)雜，限制也更多。通過利用保存的BIM結(jié)構(gòu)模型，可以直觀的 進(jìn)行觀察和提取信息，提高準(zhǔn)確性和效率。

　　結(jié)語

　　以上文章中敘述的三維建模、模型互導(dǎo)和分析計算、以及平法出圖都只是在實際工程中運用結(jié)構(gòu)三維設(shè)計要求的冰山一角。要想將結(jié)構(gòu)三維設(shè)計結(jié)合到BIM 中，實現(xiàn)文章中提出的優(yōu)勢，還必須確立三維設(shè)計流程和交互原則，完善結(jié)構(gòu)專業(yè)的三維族庫，定制模板和出圖規(guī)則等等，這都需要充分的實踐和摸索。當(dāng) 前，BIM技術(shù)和思想已經(jīng)開始慢慢在建筑行業(yè)中興起，在工程中以可視化的信息模型為主導(dǎo)，應(yīng)用于設(shè)計、施工的全過程，起到主導(dǎo)設(shè)計、精確施工、無縫銜接的 作用；將二維的圖紙以三維實體的形式展示，豐富圖紙表達(dá)深度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約工程造價就是我們最終的努力目標(biāo)。