淺談對BIM中結構三維設計的一點體會
2015-03-20
從2008年進入公司，筆者就開始參加公司舉辦的三維設計軟件培訓，筆者公司選用的三維設計平臺是revit，除了接觸最多的結構專業(yè)軟件revit structure外，還包括工藝專業(yè)revit mep和建筑專業(yè)revit architecture（軟件版本升級到2013之后，則全部集合到一個軟件中）。因此以下文章中針對三維設計的描述都是基于revit平臺之上。
筆者最初理解的三維設計就是簡單把二維圖形轉換成三維立體的圖形，使用中才慢慢了解到Revit只是實現BIM技術的一種工具。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信息數據作為模型的基礎，進行建筑模型的建立，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構三維設計的現狀與總結，包括三維結構建模過程、三維建模與結構分析計算、如何在三維設計中保留并實現二維平法出圖三個方面；之后是關于結構三維設計如何在bim中實現協同設計和協同作業(yè)的探索。通過以上兩方面，淺析結構專業(yè)進行三維設計的優(yōu)勢和重要意義。
一．結構三維設計的現狀與優(yōu)勢筆者認為，結構三維設計有兩大優(yōu)勢：第一，所有的結構件都是三維實體，三維顯示直觀并可實時觀察，讓結構設計師能夠觀察結構空間形式、結構布置的合理性及結構細部構造特征，能很好地檢測設計的準確性；第二，三維模型與二維平面相關聯，對一個構件的尺寸進行修改后，所有平、立、剖面上的相應尺寸數據都會進行自動修改，這樣可以大量減少重復修改的工作量，提高工作效率并減少遺漏。因此設計者可以把大部分精力花在對結構方案設計的優(yōu)化上。以下結合筆者的工作經驗，介紹現階段使用revit進行三維設計的情況，并簡要分析如何發(fā)揮其優(yōu)勢。
1.三維設計與創(chuàng)建結構模型結構設計中，建立貼合實際的建筑結構模型是非常重要的。在Revit中，族是模型的基本元素，所有的結構件，如梁、柱、板、基礎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、筏板基礎等。能否根據需要靈活定義族是準確、高效完成項目的基礎。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，筆者對此進行了總結：
(1)選合適的族模板。Revit根據族的用途和類型，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。族模板預定義了新建族所屬的族類別和一些默認參數。參數類型包括“族參數”和“共享參數”。“族參數”又包括“實例”和“類型”兩類，實例參數將出現在族“圖元屬性”對話框中，而類型參數出現在“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。當把完成的族載入到項目中調用時，Revit會根據初始選擇的族模板所屬的族類別，被歸類到設計欄對應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；此外在明細表中，也會被統計在該類別內，這在之后的算量統計中是可以被使用的。值得注意的是，明細表中可以統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表中統計體積、長度、寬度等，只能統計個數。
(2)創(chuàng)建準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、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)族的參數設置之所以說族可以提升建模效率，關鍵還在于族的參數化。參數屬性包括：基本屬性文本型/數字型；外部屬性幾何型/描述型/功能型等等，這里是指當前參數是用來描述模型的幾何參量還是其它；內部屬性確值型/值域型/函數型等。構件通過參數化，當修改幾何參數數值時，相應的實體也會發(fā)生改變；增加描述型的參數，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，只能在該族中使用，如果想要幾個族同時使用一個參數就需要使用共享參數。這一點在實現平法出圖中有詳細說明。
此外，通過運用函數型參數等，還可以將參數進行常規(guī)的數學運算和邏輯運算外，甚至利用一些小技巧來實現一些包括取整，奇數和偶數等功能，這里就不再詳述。總之，參數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三維模型與結構分析模型的互導
Revit軟件本身不能進行結構計算分析，但它可以通過Revit API（應用編程接口）連接的第三方分析應用，如R-STARCAD就是由revit和PKPM共同開發(fā)的、能夠實現PKPM與Revit 結構模型轉換的插件（插件會有一定的版本要求）。Revit側重于BIM建模，跨專業(yè)實現協調設計；而PKPM則在結構分析計算方面與國內規(guī)范結合最為緊密。通過模型互導，結構工程師在使用不同軟件時可以極大的減少重復建模的工作量，從而提高工作效率并降低出錯率。
在模型導入導出的過程中有幾點需要注意：由revit模型導入到PKPM時，需注意“導出高級選項”的設置：模型構件選項中我們可以設置需導出的構件種類，包括軸線，結構梁、支撐、柱、墻、等。“特殊處理選項”中在設置偏心歸并距離時需特別謹慎。“偏心”均為節(jié)點對軸線交點或定位網格對軸線的偏移距離，偏心的正負號跟PKPM的定義是相同的。因為PKPM中一個節(jié)點或網格只能布置一個構件，所以這個偏心歸并距離的設置要避免將RST模型中的定位節(jié)點或定位網格歸并到同一段軸線端點上，以防止構件丟失。這個偏心值的設置一般取模型中構件的最小間距和截面最大寬度的最小值。
關于截面選項的設置問題。R-STARCAD對revit的常用族庫進行了參數的智能匹配，只需對各個截面的匹配規(guī)則進行確認即可。例如我們選定某一截面尺寸的結構柱，會顯示該族對性應的PKPM中的截面參數和RST中的族形狀預覽圖。右側屬性表會列出可以修改的族參數匹配規(guī)則，如果軟件的自動匹配有誤，可以手工選擇對應的截面參數值，全部參數值確認后，點擊“應用”即可確認匹配。對模型中某些不能智能識別的族，需要根據匹配規(guī)則指定對應關系，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。
最后達到的效果：(1)RST中提供了大量預先定義好且與PKPM對應的族文件，包括多種形狀和規(guī)格的梁、柱和支撐，可以保證在轉換過程中，梁、柱和支撐對應轉換，并可以出現在PKPM或revit的梁、柱和支撐的構件表中。(2).在RST和PKPM中模型構件各自有很多種偏心形式，在相互轉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換后能夠保持一致。(4).模型中剪力墻的洞口設置相互轉換后保持一致，雙梁保持一致。這兩點也體現了三維模型設計的優(yōu)勢。
隨著各軟件公司投入的不斷加大，以及一線設計人員的實踐反饋。插件也在不斷更新完善中，模型互導包含的信息越來越多，比如梁構件，從只包含幾何數據信息到后來可以包含配筋信息等。隨著國家相應標準的建立，軟件之間模型信息的互通將更加完善。
3. 結構三維設計實現平法出圖
平法是在二維圖紙上表達鋼筋信息一種簡化，而鋼筋信息是三維結構模型的組成部分。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據形式，需要建立一個過渡來將他們聯系起來，接下來就簡要敘述筆者嘗試利用revit中共享參數實現梁平法標注的過程。
梁配筋平法標注需要的參數包括梁編號、箍筋類型、架立筋類型、底筋類型、梁寬和梁高。實現方法是在梁構件族里添加以上參數，并讓標簽族讀取這些參數。為了讓梁族和標簽族能夠同時調用這些參數，就需要使用到共享參數功能。
在族的管理選項里有共享參數的按鈕，點擊后會跳出共享參數編輯對話框。首先要創(chuàng)建一個共享參數文件，把需要的參數添加進去。然后建梁族和標簽族，建族后在每個族里添加需要的參數并指定參數類型。建梁族時可以選擇系統自帶的族模板，把這些共享參數添加到族類型的參數里。有一點需要注意，系統自帶的梁族里，梁寬和梁高參數分別為b和h，因為這兩個參數不是共享參數，不能被其他族使用，因此可以變通一下，將共享參數中的“梁寬”和“梁高”分別與初始參數里的b和h對應，這樣就可以讓標簽族讀取梁寬和梁高的數據。建標記族時先選擇結構框架標記族作為模板，然后編輯標簽，在類別參數中添加與梁族一樣的共享參數；添加完成后，可以在標簽參數欄中對這些共享參數的順序、布置進行編輯，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梁配筋平法標記的工具，通過將配筋等信息輸入到梁模型中，就可以使用梁標簽標記出平法表示。此外共享參數還可以運用到明細表和過濾器中，作為可被選中的字段和類別。在三維設計中的平法除了滿足現有的出圖習慣外，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，而是包括了進一步深化這些實體所需要的數值化信息，這些信息可以提取、交換和分析。其次，設計師進行的平法標注是參數化設計過程。設計師可以快速瀏覽到各種設計信息，通過調整和修改參數，可以實時進行方案比選和配筋優(yōu)化。設計師對構件的修改( 如: 移動、改尺寸) 可以立刻傳遞到平法圖中，平法圖上對應的注釋符號，包括標高和所有的幾何信息，均可自動更新。
二．結構三維設計如何參與協同設計和協同作業(yè)Revit不是一款高級的三維cad，要發(fā)揮它真正的優(yōu)勢需要回到三維設計的核心概念BIM上來，而BIM的核心應該是三維協同技術。所謂三維協同分為協同設計和協同作業(yè)。協同設計是針對設計院專業(yè)內、專業(yè)間進行數據和文件交互、溝通交流等的協同工作。協同作業(yè)是針對項目業(yè)主、設計方、施工方、監(jiān)理方、材料供應商、運營商等與項目相關各方，進行文件交付、溝通交流等的協同工作。根據結構三維設計自身的特點，筆者認為可以在以下兩大方面發(fā)揮其作用。
1.協同設計實施方面
筆者所在公司承接的燒結、球團和采選等項目，工藝流程復雜、設備種類繁多，各建、構筑物結構形式多樣。每個工程到每個子項都需要公司多個設計部門的通力合作。一些復雜的廠房除工藝設備外,還包括給排水設備、通風除塵設備、三電設備以及相應的管道線路等。由于受空間、結構形式及結構件斷面尺寸的限制，各種管道及附屬設備的布置需要設計人員花費大量的時間核對柱梁板及相關管道的尺寸信息和它們之間的空間關系。結合自己的設計經驗，筆者認為結構三維設計可以在以下三方面促進協同設計。
(1)可視化三維設計
結構三維模型作為BIM綜合模型的重要組成部分，可以進行直觀的三維瀏覽并讀取構件信息，從而幫助其它非結構專業(yè)理解結構圖紙。以往圖紙會審時都是各專業(yè)設計人員拿著各自的圖紙進行溝通，相比而言，在一個綜合BIM模型下進行討論溝通效率會更高。
(2)參與網絡化的協同設計
三維協同設計一般有兩種方案：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據。每個人員只對自己專業(yè)負責的內容有讀、寫的權限，對其它專業(yè)參與人員負責的部分只有讀的權限。另一種是鏈接功能。各專業(yè)在自己獨立的模型中進行設計，但可以隨時將其它專業(yè)的模型鏈接進自己的模型來參考（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計過程中，各專業(yè)設計人員將自己負責部分的模型修改及時進行更新，當其它設計人員每天打開文件并檢測更新時就能發(fā)現變化，及時溝通。
通過使用上述方法，可以讓原來各專業(yè)間的線性委托設計變?yōu)閷I(yè)間的網絡交互設計，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)能在結構和建筑模型上，對工藝設備及管道配合進行優(yōu)化設計，并在配合設計部門多、工期較緊的情況下控制設計質量。
(3)錯漏碰問題的解決
結構bim模型為各專業(yè)提供了精準、真實的結構梁柱、墻板、設備基礎和支架等信息。在此基礎上，工藝設備、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），可以進行碰撞檢查并實時調整模型，解決結構與工藝專業(yè)間的結構件與設備、管線的硬碰撞；結構件與建筑的門窗、鋼梯碰撞；水暖電管線之間的軟碰撞；以及復雜廠房樓梯平臺的遺漏等問題。
2.協同作業(yè)實施方面
三維協同作業(yè)技術可實現建筑項目全生命周期的信息構建，增強項目各相關方的信息共享?；趨f同設計的模型成果，項目建設方、設計方、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。筆者結合自己在總包現場的施工服務經驗，認為結構設計可以在三個方面參與到三維協同作業(yè)中發(fā)揮作用。
(1)可視化BIM結構模型利用結構三維模型可視化，總包項目部在未施工前就可以對整體廠房結構布置一目了然。由于現在的工程對施工進度要求越來越高，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度安排。
總包現場施工隊伍較多，施工隊伍水平又參差不齊，因此可以使用可視化的BIM模型對施工單位進行交底，對廠房的重點和難點部位，還可以進行復雜節(jié)點深化設計并提供大樣圖，協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，而導致竣工結果與設計初衷相違背。
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，如在進行工藝專業(yè)或水暖電專業(yè)的設備及管線安裝時，施工方都可以看明白結構專業(yè)的模型，從而提升了不同專業(yè)間、不同參與方的項目協同能力。
(2)工程量統計與安排
總包項目部需要對現場各種工程量進行統計，控制造價。應用信息化模型中自動統計的工程量表格，如土建工程量(混凝土、型鋼、鋼彩板量等)、建筑門窗明細表等都可用于成本估算、工程量預算及工程量決算，從而幫助總包項目部合理控制工程量?，F在更有專業(yè)的費控計算軟件能夠導入revit模型數據，因此結構模型還可以提供給費控專業(yè)進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過程中，使用方有時會根據生產情況和新工藝要求對某些廠房進行改造，因此也存在一部分大修改造項目。相比新建廠房，改造廠房的設計必須避免與現有結構以及設備沖突，并且盡量不影響生產，因此這些改造項目在設計時往往更加復雜，限制也更多。通過利用保存的BIM結構模型，可以直觀的進行觀察和提取信息，提高準確性和效率。
結語
以上文章中敘述的三維建模、模型互導和分析計算、以及平法出圖都只是在實際工程中運用結構三維設計要求的冰山一角。要想將結構三維設計結合到BIM中，實現文章中提出的優(yōu)勢，還必須確立三維設計流程和交互原則，完善結構專業(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。當前，BIM技術和思想已經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，應用于設計、施工的全過程，起到主導設計、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，豐富圖紙表達深度，提高生產效率，節(jié)約工程造價就是我們最終的努力目標。
作者：鄧京楠
