BIM來了，結(jié)構(gòu)就不用畫圖了！

  導(dǎo)語

  上世紀(jì)80年代以前，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計周期一般需要三個月以上。

  計算機(jī)的推廣應(yīng)用，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來革命性進(jìn)步，可劃分為兩個階段：上世紀(jì)80年代開始的第1次結(jié)構(gòu)設(shè)計革命，通過CAD應(yīng)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(biāo)，但設(shè)計人員的手累成了“鼠標(biāo)手”；2000年開始的第2次結(jié)構(gòu)設(shè)計革命，通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，將甩掉AutoCAD手工繪圖。

  未來真正實現(xiàn)了BIM，結(jié)構(gòu)就不用畫圖了。目前大部分設(shè)計單位年人均產(chǎn)值在30～40萬左右，雖然屬于技術(shù)密集型行業(yè)，但設(shè)計行業(yè)的效率已處于比較低的水平，通過提升技術(shù)手段以提高設(shè)計效率成了當(dāng)務(wù)之急，正是有了這樣的需求才能推動BIM設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。

  BIM設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文針對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出在當(dāng)前軟硬件條件下，實用的應(yīng)用流程是BIM發(fā)展的關(guān)鍵，為實現(xiàn)BIM應(yīng)用流程，要解決AutoCAD自動成圖和Revit轉(zhuǎn)換接口這兩個關(guān)鍵技術(shù)。

  1、結(jié)構(gòu)設(shè)計效率低的原因

  結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)用于描述結(jié)構(gòu)中墻柱梁板構(gòu)件的幾何尺寸、荷載布置、約束條件、鋼筋布置、構(gòu)造要求、構(gòu)件間相互關(guān)系及設(shè)計參數(shù)等信息，它是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，所有的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作都是圍繞結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行，所以結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)將決定BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程。

  結(jié)構(gòu)設(shè)計過程可劃分為4個階段：方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算、施工圖繪制和碰撞檢查；相應(yīng)產(chǎn)生4套結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)：模板圖、計算模型、施工圖和用于碰撞檢查的模型，當(dāng)前在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中這4套結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是獨立維護(hù)的，這是導(dǎo)致設(shè)計效率低的主要原因。

  建筑結(jié)構(gòu)的BIM要求統(tǒng)一的墻、柱、梁和板模型貫穿于方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算、施工圖繪制和碰撞檢查4個設(shè)計過程，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案信息、結(jié)構(gòu)計算信息和結(jié)構(gòu)施工圖信息一體化，即內(nèi)部一體化；以及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計流程

  將來全面實現(xiàn)BIM后，設(shè)計單位的專業(yè)分工有很大不同，比如，整個設(shè)計單位只設(shè)一個專門的建模部門，建筑專業(yè)只管設(shè)計，結(jié)構(gòu)只管計算，施工圖是自動生成的。但目前實現(xiàn)這一目標(biāo)還有困難，不只是專業(yè)協(xié)同上的問題，計算機(jī)軟硬件發(fā)展也還達(dá)不到要求，全面實現(xiàn)BIM離不開真三維設(shè)計，三維設(shè)計中64位系統(tǒng)和16G內(nèi)存為最低配置，CPU運行速度還需要提高10倍。

  因此，BIM的發(fā)展需要分兩個階段實現(xiàn)：在現(xiàn)有的設(shè)計過程和軟件基礎(chǔ)上，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(xiàn)BIM。

  第1階段的設(shè)計過程：從結(jié)構(gòu)模型開始沿圖1中實心箭頭的過程，包括：

  1）結(jié)構(gòu)模型到結(jié)構(gòu)計算，確定結(jié)構(gòu)方案；

  2）生成模板圖，修改后自動更新結(jié)構(gòu)模型；再經(jīng)過計算，自動生成施工圖；

  3）準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)模型傳給Revit用于碰撞檢查。

  第2階段的設(shè)計過程：從建筑三維模型開始的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程。

  以上BIM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計流程既能滿足現(xiàn)實需要，又能著眼BIM未來發(fā)展，是實用化的BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計流程。要實現(xiàn)BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展的第1階段流程，要研究解決AutoCAD自動成圖技術(shù)和Revit轉(zhuǎn)換接口這兩項關(guān)鍵技術(shù)。

  3、AutoCAD自動成圖技術(shù)

  提高結(jié)構(gòu)設(shè)計效率的關(guān)鍵是實現(xiàn)AutoCAD自動成圖，代替根據(jù)計算結(jié)果采用AutoCAD手工繪圖，這也是結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)采用BIM技術(shù)的最大動力。目前大多數(shù)設(shè)計人員采用AutoCAD手工繪制結(jié)構(gòu)施工圖，在施工圖階段花費了大量時間，已經(jīng)成為設(shè)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(jié)構(gòu)施工圖自動成圖技術(shù)的研究是當(dāng)務(wù)之急。

  結(jié)構(gòu)施工圖自動生成的實現(xiàn)要求設(shè)計軟件開發(fā)出快速成圖和聯(lián)動修改這兩個重要功能。

  快速成圖

  高層結(jié)構(gòu)計算分析完成后，在AutoCAD下，實現(xiàn)一分鐘左右自動生成十多個標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到實用程度，施工圖質(zhì)量要接近設(shè)計人員手工繪制的深度，關(guān)鍵要做到以下6點：

  （1）建立描述墻柱梁板施工圖的通用數(shù)學(xué)模型

  1993年在容柏生院士的指導(dǎo)下，我們建立了描述墻柱梁板施工圖的數(shù)學(xué)模型，解決了混凝土構(gòu)件施工圖的數(shù)學(xué)描述問題，并首先應(yīng)用于華南地區(qū)梁柱表施工圖的自動生成，一天內(nèi)可完成一棟廠房的設(shè)計，取得了很好的效果。1998年將此模型應(yīng)用于描述國標(biāo)平法施工圖，開發(fā)的施工圖系統(tǒng)為國標(biāo)平法在全國推廣應(yīng)用做出了重大貢獻(xiàn)。經(jīng)過近20年的驗證表明，此數(shù)學(xué)模型不拘于結(jié)構(gòu)施工圖的表現(xiàn)形式，具有通用性。

  （2）規(guī)范要求和設(shè)計經(jīng)驗有機(jī)結(jié)合

  繪圖的過程既要滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)又要體現(xiàn)設(shè)計個性。智能化的系統(tǒng)才能充分模仿設(shè)計人員繪制施工圖的過程?？偨Y(jié)各地經(jīng)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(tǒng)，自動將錄入模型轉(zhuǎn)換成墻、柱、梁和板施工圖的通用模型數(shù)據(jù)。

  （3）可選擇的設(shè)計習(xí)慣

  通用的施工圖數(shù)學(xué)模型在AutoCAD圖紙上可根據(jù)不同設(shè)計習(xí)慣來表達(dá)施工圖，數(shù)學(xué)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(shè)計院的特殊習(xí)慣，且適應(yīng)施工圖表示方法的變化。

  （4）自動生成的圖元應(yīng)符合手工制圖的習(xí)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(yīng)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(fù)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(zhì)量，又不方便修改，達(dá)不到設(shè)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(fā)兩條不同的技術(shù)路線。由于靈活性是結(jié)構(gòu)施工圖的內(nèi)在要求，因此具有靈活性的基本圖元繪圖對于結(jié)構(gòu)施工圖繪制來說是較好的技術(shù)路線。

  （5）一次生成所有構(gòu)件的施工圖

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

  （6）智能化字符重疊調(diào)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(yīng)構(gòu)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。

  聯(lián)動修改

  結(jié)構(gòu)施工圖中不同的構(gòu)件（圖元）之間具有關(guān)聯(lián)性，一處修改，其他相關(guān)位置要相應(yīng)修改。聯(lián)動修改將大大提高設(shè)計人員的改圖效率。譬如，合并兩個邊緣構(gòu)件，自動將邊緣構(gòu)件的編號重新整理，同時對應(yīng)暗柱表自動減少1個截面，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(guān)于墻、柱、梁和板的人工編輯命令有50多個，都具有聯(lián)動修改的功能，提高了改圖速度。

  4、Revit轉(zhuǎn)換接口

  當(dāng)前設(shè)計行業(yè)的BIM基本通過Revit軟件實現(xiàn)。直接在Revit中建立結(jié)構(gòu)模型工作量很大，成本很高，因此，將常用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中的三維分析模型快速轉(zhuǎn)換到Revit模型，將大大提高建模效率。廣廈Revit轉(zhuǎn)換接口軟件可實現(xiàn)廣廈模型和PKPM模型到Revit模型的轉(zhuǎn)換，可直接轉(zhuǎn)換的構(gòu)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。

  Revit柱梁族類型

  結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)Revit柱族類型。常用的梁截面類型對應(yīng)Revit梁族類型見圖7，剪力墻和樓板截面對應(yīng)Revit自帶的族類型。以上截面類型軟件均可自動生成。

  5、結(jié)語

  BIM技術(shù)的全面應(yīng)用，將帶來設(shè)計行業(yè)的一場革命，改變目前工程師的專業(yè)分工和工作流程，推動建筑設(shè)計進(jìn)入三維設(shè)計的新時代。但BIM的應(yīng)用不是一朝一夕的事，特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)，要對設(shè)計過程全面優(yōu)化，讓工程師切實體會到BIM所帶來的好處。

  本文給出了當(dāng)前階段BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，可操作性強(qiáng)，容易實現(xiàn)，其中包括AutoCAD自動成圖技術(shù)和Revit轉(zhuǎn)換接口開發(fā)這兩個關(guān)鍵技術(shù)。這兩個技術(shù)難點已在廣廈結(jié)構(gòu)軟件中解決，實現(xiàn)了本文提出的BIM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，有力地推動BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用。