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标题

BIM建筑结构设计方法研究与实现

范文

史艾嘉胡庆生

摘要：BIM技术在建筑设计与设备领域应用较普遍，然而在结构设计领域应用相对较少。本文以某多层框架结构为例，运用Revit、PKPM、盈建科等多种软件，对其进行结构分析，对比分析BIM结构设计分析与传统结构分析的区别，实践证明BIM结构分析更有利于提升工程设计师的工作效率，对结构设计具有较大的参考价值。

Abstrcat： BIM technology is widely used in the field of architectural design and equipment， but it is relatively rare in the field of structural design. Taking a multi-layered frame structure as an example， this paper uses Revit， PKPM， YJK building software and other software to analyze its structure， compare and analyze the difference between BIM structural design analysis and traditional structural analysis. It is proved that BIM structural analysis is more beneficial to improve the efficiency of engineering designers， and have great reference value for structural design.

关键词：BIM技术;结构设计;Revit;PKPM

Key words： BIM technology;structural design;Revit;PKPM

中图分类号：TU17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）10-0229-04

0? 引言

近年来，BIM技术在建筑领域得到了广泛应用。国内的BIM软件产品也不断推陈出新，涵盖建筑规划、设计、招投标、施工、运维管理等全生命周期。随着对BIM技术应用的探究愈加深入，各种问题也接踵而至，BIM技术的核心是信息共享，尤其是在专业协同时，如果缺乏信息间的共享，则会造成信息断层。本文主要研究BIM在建筑设计与结构设计间的专业协同，尝试探索基于Revit structure的结构设计方法。

1? BIM概述

BIM（Building information modeling）即建筑信息模型，它起源于20世纪70年代，由BIM之父Chuck Eastman教授首先提出BIM理念，之后逐渐在新加坡、日本、欧洲各国家广泛应用，目前是我国建筑行业兴起的新技术。BIM具有可视化、模拟性、协调性、优化性和可出图性等五大特点，近几年来，随着我国学者研究BIM的时间增长，BIM的应用提及频率也越来越高。尤其是在建筑设计、建筑设备设计等专业应用较广泛，以上海中心大厦这一典型项目为例，该项目充分利用BIM技术实现各专业的协同，大大提高了核心竞争力。但对于绝大多数建筑而言，BIM技术在结构设计方面的应用相比于其他专业较少，各设计院还停留在BIM翻模阶段，结构BIM模型和力学计算分析一直是整个信息链接中脱节的一环，实现建筑、结构、设备、机电等各专业协同仍有许多路要走。

2? 传统结构分析与BIM结构设计区别

传统的结构设计方法是在盈建科、PKPM、ETABS等结构分析软件中单独进行结构建模，这样的结构模型是封闭且孤立的，且不能与其它专业的设计进行有效沟通。这样其他专业的设计师如果需要调取它的结构设计信息是比较困难的，而基于Revit软件能创建一个共享平台，实现信息资源的共享。

基于BIM的结构设计方法是：①首先由结构工程师与建筑工程师共同商讨确定结构形式，利用Revit创建三维物理模型;②结构工程师在进行结构设计时，可根据建筑师前期建立的三维物理模型基础上进行结构构件的布置，以建筑物理模型为参照布置梁、板、柱。这样可大大缩短结构工程师建模时间，避免重复建模，提高工作效率;③结构模型创建好后导入相应的结构分析软件进行分析计算;④最后将分析后的模型导回至Revit软件中，再对其进行修改。这样，结构信息便保存在了Revit模型中，各专业工程师可随时查看相应的结构分析信息，实现各专业的协同设计。其流程图如图1所示。

3? 基于BIM技术的结构设计研究

3.1 软件选择

3.1.1 Revit Structure

Revit 是Autodesk公司开发的一套系列软件的名称。它包含Revit Structure、Revit MEP和Revit Architecture。其中Revit Structure是专为结构工程公司定制的，具有结构设计与分析功能。它将多材质的物理模型与独立、可编辑的分析模型进行集成，可以實现高效的结构分析，可以与常用的结构分析软件进行对接。例如美国CSI公司开发的Etabs软件、Midas、我国的PKPM、盈建科软件等。

3.1.2 盈建科软件（YJK）

盈建科建筑结构设计软件是一套全新的集成化建筑结构设计软件，它包含结构建模、上部结构计算、基础设计、砌体结构设计、施工图设计和接口软件六大方面。结构分析方面，盈建科与PKPM中的SATWE都采用三维的杆单元计算梁、柱，采用壳单元进行墙、板的计算，从这两点来看，两者分析结果基本相同，但盈建科采用比PKPM更先进的有限元分析技术，且接口较多，尤其是盈建科开发的YJK与Revit的数据转换接口，实现了模型在两个软件间的数据双向互通。因此，本文将结合盈建科软件与Revit软件对某多层框架结构办公楼进行结构分析。

3.1.3 PKPM软件

PKPM软件是中国建筑科学研究院所研发的工程管理软件，目前是我国建筑设计院、结构设计院最常使用的软件，市场占有率高，有广大的用户群体。它紧跟行业规范，及时满足我国建筑行业快速发展的需要。PKPM包含SATWE模块，此模块是基于壳元理论的三维组合结构有限元分析，可用于高层和多层钢筋混凝土框架、框架—剪力墙、剪力墙结构及复杂结构的结构计算分析，完成建筑结构在恒、活荷载、地震力等作用下的内力计算与分析，对钢筋混凝土结构还可进行配筋计算。但PKPM也有其缺点，相对与盈建科而言，其系统较封闭、接口较少。本文将用PKPM软件进行传统结构分析，并与基于BIM技术的结构设计分析数据进行对比分析。

3.2工程概况

本工程名称为钢筋混凝土办公楼，结构形式为框架结构，地上共6层，结构高度为21m。首层层高为5m，二层层高为4m，三层至六层层高均为3m。建筑设计使用年限为50年，结构设计安全等级为二级，抗震设防类别标准设防（丙类）。抗震设防烈度为8度（0.2g），场地类别为Ⅲ类。主要构件尺寸及混凝土强度等级如表1所示，板厚度为120mm。

首层平面图及标准层平面图如图2，图3所示。

建立该工程的三维结构模型如图4所示，三维结构分析模型如图5所示。

3.3 BIM模型导入盈建科结构分析

3.3.1 各振型振动周期

将Revit建立的结构信息模型导入至盈建科软件进行结构分析，计算考虑了3个周期，得到各振型周期计算结果如表2所示。

3.3.2 地震作用下的层间位移角分析数据如表3所示。

3.3.3 地震作用规定水平力的楼层位移比如表4所示。

4? 基于PKPM结构分析计算结果对比

为了与基于BIM的盈建科结构分析结果进行对比，本文将采用PKPM软件进行单独建模，其建模及分析步骤如下：首先建立结构整体模型，包括轴网的建立、楼层的定义、荷载的输入、设计参数的输入、楼层组装等;其次进行整体结构分析，包括结构内力计算，配筋计算，分析结果图形和文本显示等。

通过PKPM结构设计软件计算该框架结构三个振型振动周期分别0.6724s、0.5441s、0.4956s。通过PKPM结构设计软件计算所得层间位移角及楼层位移比，其结果如表5、表6所示。

以各振型周期、X方向层间位移角、Y+方向层间位移比为例，将基于BIM的盈建科结构分析数据与PKPM结构分析数据进行对比，如图6、图7、图8所示。

5? 结论与展望

从上述对比结果可以看出，该框架结构运用BIM技术进行结构分析与传统结构分析计算的结果基本一致，确保了结构的可靠性。证明了运用BIM技术进行结构设计是可行的，为工程设计实践提供依据。但本文篇幅有限，仅对简单框架结构进行BIM结构设计，而对其它结构如剪力墙结构、框剪结构、筒体结构等以及异形结构没有进行深入分析，还有待进一步验证。

随着BIM技术的逐渐推广，BIM应用领域不断扩大，BIM技术在结构领域必将得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]吴文勇.基于Revit的建筑结构BIM正向设计方法及软件实现[J].土木建筑工程信息技术，2018，10（3）：39-45.

[2]王晓彤，刘泽洲.BIM技术在国内结构设计中应用的可行性分析[J].工程管理学报，2015（2）：12-16.

[3]严旭.BIM结构设计模型与计算软件贯通的研究[J].土木建筑工程信息技术，2017，9（2）：84-87.

[4]杨党辉，苏原，等.基于BIM技術的结构设计中的数据转换问题分析[J].建筑科学，2015，31（3）：31-36，56.

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