基于建筑信息模型的建筑结构施工图设计研究

摘要：二维CAD技术是国内建筑工程设计的基础，二维图档是各专业设计交流信息的媒介，施工图纸为设计成果交付形式。虽然伴随CAD技术的进步，建筑工程设计质量有所提升，但发展前景不容乐观：信息共享难、绘制与修改工程图纸、建立工程模型需花费较多时间进行等，BIM技术有效的解决了上述问题。但由于设计方法与应用标准的缺乏统一，不配套的软件等因素制约，建筑设计应用BIM技术的发展瓶颈依然存在。

关键词：建筑信息模型；建筑结构；施工图设计

中图分类号：TU3文献标识码： A

Abstract: two dimensional CAD technology is the basis of domestic architectural engineering design, 2D drawings are all professional design exchanges information media, the construction drawings for the design results delivery forms. Although with the improvement of CAD technology, design and construction quality has improved, but the prospect is not optimistic: information sharing, to draw and modify the engineering drawing, building model takes more time, BIM technology is used to solve the problem. But because of lack of uniform design method and the application of standard, control is not the necessary software and other factors, the bottleneck of the development of architectural design and the application of BIM technology still exists.Keywords: building information modeling; building structure; construction drawing design

中图分类号：TU765 文献标识码：A

一 设计结构施工图的要求

（一）设计步骤

建筑结构施工图传统的设计工作模式是建立在二维图档基础上进行的，首先，结构模型的分析与设计需要结构设计者以建筑设计图纸为参考的前提下进行，在结构设计软件上进行构件设计与内力分析；建筑设计者收到反馈的结构设计成果，做建筑设计模型调整，达成设计要求；结构施工图参考结构设计成果绘制。伴随CAD技术的深入应用，在构建分析结构模型时，构件定位、轴网自动导入等信息已经可依据网层识别技术实现，但手工重建繁多的模型信息不可避免；在绘制结构施工图时，自动生成性能已在部分CAD系统中实现，但此类图档并不具有联系性与完整性以及信息的一致性等。

在BIM模型基础上设计结构施工图，具有如下优势：信息模型可在工程设计中完整性的存在，支持自动更新、关联修改图档与模型，因BIM具有开放性，自动模型信息的转换可在相关软件中实现。BIM建筑设计模型经BIM建筑设计软件构建；导出模型为IFC文件，通过BIM模型的集成提取系统，将结构构建信息提取，构建BIM施工图设计模型；另外，BIM模型可实现提取几何模型，经约束、荷载补充定义，分析和设计结构（建筑设计模型收到结构设计成果反馈信息，调整模型），BIM施工图设计模型与设计成果相互集成，最终得到BIM结构施工图的完整模型；设计和合作管理结构施工图建立在BIM模型上，构建BIM施工结构图设计模型是该设计流程实现的关键。

描述模型需求

物理结构模型是建筑施工图结构设计的核心，除此之外，还包含有管理信息、关联信息、模型属性信息等，节点信息、轴网信息、构件信息、约束信息是物理结构模型信息的组成；内力信息、荷载信息、设计成果信息、材料信息构成属性信息；视图和模型关联、属性和模型关联、构件间的关联构成关联信息；用户权限信息、模型版本信息、权利者信息构成管理信息。

二 BIM 在IFC构架中的定义

结构构件含义

描述建筑结构模型体系在IFC标准上得到了完整建立，可对板、基础、梁、柱、楼梯、墙等结构构件做描述，建筑构件实体派生出上述结构构件。建筑实体于IFC模型中首次定义；楼层和建筑实体的关联经关联实体集合而来；墙体模型是在楼层与墙体实体间的关联经空间结构关联构建定义。

定义构件属性

IFC支持几何、力学性能、成本、材料等模型构件属性，材料构件的多层定义可于IFC模型实现，比如下图为墙体材料定义，隔热层、内墙面砖、结构岑谷外墙面砖构成墙体。材料属性经材料实体定义，层材料模型经材料层集合与使用、材料分层实体实现定义，墙体与其材料关联也经材料关联实体得到建构。

(三）定义关联关系

将两关联实体分为主从关系，修改主实体则从实体发生改变，但改变从实体时主实体不会变被称为非对称性关联。比如墙体与洞口，删除墙体，洞口也被删除；删除洞口，墙体依然存在，仅是洞口与墙体间关联断开。下图为洞口与墙体间的关联关系，多个洞口可与墙体发生关联，但单个洞口只与一段墙体关联。

对等关系的两关联实体若改变任何一方实体都会引起关联对方的变化，被称为对称关联。比如柱与梁间关联，经构件节点构建柱实体与梁实体间的关联，若梁端位置变化，经实体关联，柱也随之更新实体，出现修改柱的关联；若修改柱，关联梁也会变动。

实现IFC数据自定义

属性扩展、实体扩展、基于Ifc-Proxy实体扩展是IFC的主要扩展方式。实体扩展具高运行效率但识别模型软件不易，该方式适用于升级IFC标准版本；基于IfcProxy实体扩展具灵活性强特性，但效率低，可扩展模型信息数量少；属性扩展可扩展模型多、灵活性强。下面分析墙体的属性扩展，纵筋信息、墙体体积、钢筋等级、箍筋信息、混凝土标号是墙体的属性集，墙体与其类型实体关联经类型关联实体构建，墙体与其结构设计属性集关联经墙体类型实体构建。

三 设计BIM模型和系统实现

(一)设计BIM模型

根据IFC标准模型具有的逻辑结构，根据方便性与运行效率的要求，BIM的组织结构模型根据IFC简化模型构建，间距高效性与IFC模型文件的导出。BIM模型主要的机构逻辑包括材料信息模型、计算结构模型、属性定义模型与结构构件模型，面对象结构为主要的结构构件模型，建筑构件类派生其结构构件（墙、柱、梁与板等）。结构构件关联构建经构件关联类建立。结构设计结果与机构内力分析结构为计算结构模型，经计算结果类与建筑构件类间耦合，构建结构构件与计算结构关联，钢筋材料与混凝土材料为材料信息模型，构件构件与材料属性关联经材料关联类构件，属性定义模型向扩展动态BIM模型提供路径，并定义动态结构构件属性。

系统实现

依据本文所述，下图为结构施工图BIM设计原型系统的内在结构逻辑图，包含模型层、接口层、数据层、应用层。本系统经数据层提供相关数据，包括图档管理信息、设计规则信息、BIM模型信息、IFC文件信息、系统信息等；接口层为物理数据储存转化为BIM模型提供了路径，通过访问IFC接口可提取BIM模型，并实现BIM数据库与其内存间的映射；作为系统核心，在模型层定义BIM模型信息，可对施工结构图的要求统统满足；应用层可实现算量统计、检查三维模型、设计管理图档与模型、规范校验设计结果等功能。

四 应用验证

以三层钢筋混凝土框架结构作为研究对象，测试验证BIM系统与模型，其一，构建BIM建筑模型；将Revit模型导入Etabs软件得到Etabs分析模型，对约束条件与负载信息补充，分析内力与设计配筋；将IFC文件里的模型构件提取得到BIMSD信息构件模型；以数据文件Access为Etabs软件结构导出的设计成果，结构材料信息、内力结构与配筋结果在BIMSD模型结构中被接口导入读取，同时关联构件信息，得到BIM结构施工图设计完整模型；三维模型检查、钢筋与结构混凝土量统计、结构施工图设计等在BIMSD模型与平面整体表示法上实现。

五 结语

本文通过对建筑结构施工图BIM模型进行了设计、流程以及模型描述做了分析，构建了设计模型，得出钢筋混凝土框架结构设计系统。在工程设计需求复杂的当今，结构施工图传统设计流程显得落后，结构施工图BIM设计为效率瓶颈突破提供了技术支撑；施工机构图BIM设计应当和国内建筑制图与设计规范相借鉴，本文仅做了梁、基础、板层面上的施工图平法设计，没有涉及到复杂构件与结构体系，这需要后至之士努力研究。

参考文献：

[1] 刘照球.基于IFC标准建筑结构信息模型研究[D].同济大学,2010.

[2] 刘照球,李云贵.建筑结构信息模型的研究[C].//第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集.2008:219-226.

[3] 王永红.基于BIM建筑结构设计模型集成框架应用开发[J].商,2013,(10):245.

[4] 薛晓娟,赵昕,丁洁民等.建筑信息模型在建筑结构一体化协同设计中的应用[J].结构工程师,2011,27(1):14-18.

[5] 刘照球,李云贵,吕西林等.基于BIM建筑结构设计模型集成框架应用开发[J].同济大学学报（自然科学版）,2010,38(7):948-953.