浅谈对BIM中结构三维设计的一点体会
2015-03-20
从2008年进入公司，笔者就开始参加公司举办的三维设计软件培训，笔者公司选用的三维设计平台是revit，除了接触最多的结构专业软件revit structure外，还包括工艺专业revit mep和建筑专业revit architecture（软件版本升级到2013之后，则全部集合到一个软件中）。因此以下文章中针对三维设计的描述都是基于revit平台之上。
笔者最初理解的三维设计就是简单把二维图形转换成三维立体的图形，使用中才慢慢了解到Revit只是实现BIM技术的一种工具。BIM的全拼是Building Information Modeling，即建筑信息模型，是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，比如同样绘制一根梁，在二维cad里梁就是2根线；但在BIM里梁则为一个三维实体，包含了梁的截面尺寸和长度。不仅如此，梁还可以包括自身的混凝土等级、保护层厚度、配筋情况以及建造阶段等信息。因此这里说的三维比起二维，包含的信息要广泛的多。
文章中首先介绍笔者使用结构三维设计的现状与总结，包括三维结构建模过程、三维建模与结构分析计算、如何在三维设计中保留并实现二维平法出图三个方面；之后是关于结构三维设计如何在bim中实现协同设计和协同作业的探索。通过以上两方面，浅析结构专业进行三维设计的优势和重要意义。
一．结构三维设计的现状与优势笔者认为，结构三维设计有两大优势：第一，所有的结构件都是三维实体，三维显示直观并可实时观察，让结构设计师能够观察结构空间形式、结构布置的合理性及结构细部构造特征，能很好地检测设计的准确性；第二，三维模型与二维平面相关联，对一个构件的尺寸进行修改后，所有平、立、剖面上的相应尺寸数据都会进行自动修改，这样可以大量减少重复修改的工作量，提高工作效率并减少遗漏。因此设计者可以把大部分精力花在对结构方案设计的优化上。以下结合笔者的工作经验，介绍现阶段使用revit进行三维设计的情况，并简要分析如何发挥其优势。
1.三维设计与创建结构模型结构设计中，建立贴合实际的建筑结构模型是非常重要的。在Revit中，族是模型的基本元素，所有的结构件，如梁、柱、板、基础等等都是各种类型的族。
Revit自身提供了一个很丰富的族库，用户可以直接载入使用。除了应用自身的族库外，Revit提供的族编辑也能够让用户自由定义其他类型的族，比如矿仓、筏板基础等。能否根据需要灵活定义族是准确、高效完成项目的基础。因此要发挥三维建模的优势，最终就落在如何建好族上，笔者对此进行了总结：
(1)选合适的族模板。Revit根据族的用途和类型，提供了很多种类的族模板，在自建族时首先需要选择合适的族模板。族模板预定义了新建族所属的族类别和一些默认参数。参数类型包括“族参数”和“共享参数”。“族参数”又包括“实例”和“类型”两类，实例参数将出现在族“图元属性”对话框中，而类型参数出现在“类型属性”对话框中； Revit允许在新建族中按要求添加需要的参数。当把完成的族载入到项目中调用时，Revit会根据初始选择的族模板所属的族类别，被归类到设计栏对应命令的类型选择器中。比如我创建一个框架梁类别的族，那它将自动归类在“梁”命令中；此外在明细表中，也会被统计在该类别内，这在之后的算量统计中是可以被使用的。值得注意的是，明细表中可以统计的族类型是固定的，像在常规类型模板下建的族就无法在明细表中统计体积、长度、宽度等，只能统计个数。
(2)创建准确的实体形状选定了族模板后，就可以开始创建族的实体形状。空心形状和实心形状是最重要的两个命令。实心形状用来创建实体模型，空心形状则用来剪切洞口。实心和空心形状都包括拉伸、融合、旋转、放样、放样融合五项功能。从普通的规则形体到无法用平面图形表示的空间体量，都可以通过这些命令来完成。
(3)族的参数设置之所以说族可以提升建模效率，关键还在于族的参数化。参数属性包括：基本属性文本型/数字型；外部属性几何型/描述型/功能型等等，这里是指当前参数是用来描述模型的几何参量还是其它；内部属性确值型/值域型/函数型等。构件通过参数化，当修改几何参数数值时，相应的实体也会发生改变；增加描述型的参数，可以给族添加更丰富的注释信息。一般来说，某一个族中的参数，只能在该族中使用，如果想要几个族同时使用一个参数就需要使用共享参数。这一点在实现平法出图中有详细说明。
此外，通过运用函数型参数等，还可以将参数进行常规的数学运算和逻辑运算外，甚至利用一些小技巧来实现一些包括取整，奇数和偶数等功能，这里就不再详述。总之，参数的多样化决定了信息的多样化，这也是bim信息化模型的核心之一。
2.revit三维模型与结构分析模型的互导
Revit软件本身不能进行结构计算分析，但它可以通过Revit API（应用编程接口）连接的第三方分析应用，如R-STARCAD就是由revit和PKPM共同开发的、能够实现PKPM与Revit 结构模型转换的插件（插件会有一定的版本要求）。Revit侧重于BIM建模，跨专业实现协调设计；而PKPM则在结构分析计算方面与国内规范结合最为紧密。通过模型互导，结构工程师在使用不同软件时可以极大的减少重复建模的工作量，从而提高工作效率并降低出错率。
在模型导入导出的过程中有几点需要注意：由revit模型导入到PKPM时，需注意“导出高级选项”的设置：模型构件选项中我们可以设置需导出的构件种类，包括轴线，结构梁、支撑、柱、墙、等。“特殊处理选项”中在设置偏心归并距离时需特别谨慎。“偏心”均为节点对轴线交点或定位网格对轴线的偏移距离，偏心的正负号跟PKPM的定义是相同的。因为PKPM中一个节点或网格只能布置一个构件，所以这个偏心归并距离的设置要避免将RST模型中的定位节点或定位网格归并到同一段轴线端点上，以防止构件丢失。这个偏心值的设置一般取模型中构件的最小间距和截面最大宽度的最小值。
关于截面选项的设置问题。R-STARCAD对revit的常用族库进行了参数的智能匹配，只需对各个截面的匹配规则进行确认即可。例如我们选定某一截面尺寸的结构柱，会显示该族对性应的PKPM中的截面参数和RST中的族形状预览图。右侧属性表会列出可以修改的族参数匹配规则，如果软件的自动匹配有误，可以手工选择对应的截面参数值，全部参数值确认后，点击“应用”即可确认匹配。对模型中某些不能智能识别的族，需要根据匹配规则指定对应关系，完成手工匹配。完成界面匹配的族会在其最前端显示出红勾。
最后达到的效果：(1)RST中提供了大量预先定义好且与PKPM对应的族文件，包括多种形状和规格的梁、柱和支撑，可以保证在转换过程中，梁、柱和支撑对应转换，并可以出现在PKPM或revit的梁、柱和支撑的构件表中。(2).在RST和PKPM中模型构件各自有很多种偏心形式，在相互转换后梁柱偏心形式和尺寸保持了一致。 (3).模型中的层间梁和斜梁在相互转换后能够保持一致。(4).模型中剪力墙的洞口设置相互转换后保持一致，双梁保持一致。这两点也体现了三维模型设计的优势。
随着各软件公司投入的不断加大，以及一线设计人员的实践反馈。插件也在不断更新完善中，模型互导包含的信息越来越多，比如梁构件，从只包含几何数据信息到后来可以包含配筋信息等。随着国家相应标准的建立，软件之间模型信息的互通将更加完善。
3. 结构三维设计实现平法出图
平法是在二维图纸上表达钢筋信息一种简化，而钢筋信息是三维结构模型的组成部分。从二维平法抽象注释符号所表示的钢筋信息到三维模型中可存储和交换的数据形式，需要建立一个过渡来将他们联系起来，接下来就简要叙述笔者尝试利用revit中共享参数实现梁平法标注的过程。
梁配筋平法标注需要的参数包括梁编号、箍筋类型、架立筋类型、底筋类型、梁宽和梁高。实现方法是在梁构件族里添加以上参数，并让标签族读取这些参数。为了让梁族和标签族能够同时调用这些参数，就需要使用到共享参数功能。
在族的管理选项里有共享参数的按钮，点击后会跳出共享参数编辑对话框。首先要创建一个共享参数文件，把需要的参数添加进去。然后建梁族和标签族，建族后在每个族里添加需要的参数并指定参数类型。建梁族时可以选择系统自带的族模板，把这些共享参数添加到族类型的参数里。有一点需要注意，系统自带的梁族里，梁宽和梁高参数分别为b和h，因为这两个参数不是共享参数，不能被其他族使用，因此可以变通一下，将共享参数中的“梁宽”和“梁高”分别与初始参数里的b和h对应，这样就可以让标签族读取梁宽和梁高的数据。建标记族时先选择结构框架标记族作为模板，然后编辑标签，在类别参数中添加与梁族一样的共享参数；添加完成后，可以在标签参数栏中对这些共享参数的顺序、布置进行编辑，比如增加括号、空格或者换行等，这样就可以在格式上符合平法要求。
完成这两个族的编辑就有了实现梁配筋平法标记的工具，通过将配筋等信息输入到梁模型中，就可以使用梁标签标记出平法表示。此外共享参数还可以运用到明细表和过滤器中，作为可被选中的字段和类别。在三维设计中的平法除了满足现有的出图习惯外，也有自己的特点：首先，模型中的平法注释符号不仅仅是孤立的注释和代号，而是包括了进一步深化这些实体所需要的数值化信息，这些信息可以提取、交换和分析。其次，设计师进行的平法标注是参数化设计过程。设计师可以快速浏览到各种设计信息，通过调整和修改参数，可以实时进行方案比选和配筋优化。设计师对构件的修改( 如: 移动、改尺寸) 可以立刻传递到平法图中，平法图上对应的注释符号，包括标高和所有的几何信息，均可自动更新。
二．结构三维设计如何参与协同设计和协同作业Revit不是一款高级的三维cad，要发挥它真正的优势需要回到三维设计的核心概念BIM上来，而BIM的核心应该是三维协同技术。所谓三维协同分为协同设计和协同作业。协同设计是针对设计院专业内、专业间进行数据和文件交互、沟通交流等的协同工作。协同作业是针对项目业主、设计方、施工方、监理方、材料供应商、运营商等与项目相关各方，进行文件交付、沟通交流等的协同工作。根据结构三维设计自身的特点，笔者认为可以在以下两大方面发挥其作用。
1.协同设计实施方面
笔者所在公司承接的烧结、球团和采选等项目，工艺流程复杂、设备种类繁多，各建、构筑物结构形式多样。每个工程到每个子项都需要公司多个设计部门的通力合作。一些复杂的厂房除工艺设备外,还包括给排水设备、通风除尘设备、三电设备以及相应的管道线路等。由于受空间、结构形式及结构件断面尺寸的限制，各种管道及附属设备的布置需要设计人员花费大量的时间核对柱梁板及相关管道的尺寸信息和它们之间的空间关系。结合自己的设计经验，笔者认为结构三维设计可以在以下三方面促进协同设计。
(1)可视化三维设计
结构三维模型作为BIM综合模型的重要组成部分，可以进行直观的三维浏览并读取构件信息，从而帮助其它非结构专业理解结构图纸。以往图纸会审时都是各专业设计人员拿着各自的图纸进行沟通，相比而言，在一个综合BIM模型下进行讨论沟通效率会更高。
(2)参与网络化的协同设计
三维协同设计一般有两种方案：一种是使用工作集功能。所有的项目人员通过使用工作集，在同一个模型下，一次输入多次利用数据。每个人员只对自己专业负责的内容有读、写的权限，对其它专业参与人员负责的部分只有读的权限。另一种是链接功能。各专业在自己独立的模型中进行设计，但可以随时将其它专业的模型链接进自己的模型来参考（这种功能适合于电脑配置相对较低的情况）。这两种方法要求在设计过程中，各专业设计人员将自己负责部分的模型修改及时进行更新，当其它设计人员每天打开文件并检测更新时就能发现变化，及时沟通。
通过使用上述方法，可以让原来各专业间的线性委托设计变为专业间的网络交互设计，各专业可以同时在一个综合模型中工作，或者在本专业模型中随时链接参考其它专业的模型。这也使得其他专业能在结构和建筑模型上，对工艺设备及管道配合进行优化设计，并在配合设计部门多、工期较紧的情况下控制设计质量。
(3)错漏碰问题的解决
结构bim模型为各专业提供了精准、真实的结构梁柱、墙板、设备基础和支架等信息。在此基础上，工艺设备、管道线路布置确定后，各专业工程师在建模过程中，使用Revit软件自身的“碰撞检查”命令（也可以使用naviswork等更加专业的软件），可以进行碰撞检查并实时调整模型，解决结构与工艺专业间的结构件与设备、管线的硬碰撞；结构件与建筑的门窗、钢梯碰撞；水暖电管线之间的软碰撞；以及复杂厂房楼梯平台的遗漏等问题。
2.协同作业实施方面
三维协同作业技术可实现建筑项目全生命周期的信息构建，增强项目各相关方的信息共享。基于协同设计的模型成果，项目建设方、设计方、施工方、监理方、使用方等都能比较直观地掌握项目的全貌。笔者结合自己在总包现场的施工服务经验，认为结构设计可以在三个方面参与到三维协同作业中发挥作用。
(1)可视化BIM结构模型利用结构三维模型可视化，总包项目部在未施工前就可以对整体厂房结构布置一目了然。由于现在的工程对施工进度要求越来越高，总包项目部可以利用BIM模型合理形象的制定施工顺序和进度安排。
总包现场施工队伍较多，施工队伍水平又参差不齐，因此可以使用可视化的BIM模型对施工单位进行交底，对厂房的重点和难点部位，还可以进行复杂节点深化设计并提供大样图，协助施工单位制定施工措施。这样可以很大程度避免施工队伍对二维图纸信息理解不到位，而导致竣工结果与设计初衷相违背。
可视化BIM模型特别降低了非专业人士对项目的理解难度，如在进行工艺专业或水暖电专业的设备及管线安装时，施工方都可以看明白结构专业的模型，从而提升了不同专业间、不同参与方的项目协同能力。
(2)工程量统计与安排
总包项目部需要对现场各种工程量进行统计，控制造价。应用信息化模型中自动统计的工程量表格，如土建工程量(混凝土、型钢、钢彩板量等)、建筑门窗明细表等都可用于成本估算、工程量预算及工程量决算，从而帮助总包项目部合理控制工程量。现在更有专业的费控计算软件能够导入revit模型数据，因此结构模型还可以提供给费控专业进行相互校核以减少潜在失误。
(3)厂房局部改造
在工程竣工后的生产过程中，使用方有时会根据生产情况和新工艺要求对某些厂房进行改造，因此也存在一部分大修改造项目。相比新建厂房，改造厂房的设计必须避免与现有结构以及设备冲突，并且尽量不影响生产，因此这些改造项目在设计时往往更加复杂，限制也更多。通过利用保存的BIM结构模型，可以直观的进行观察和提取信息，提高准确性和效率。
结语
以上文章中叙述的三维建模、模型互导和分析计算、以及平法出图都只是在实际工程中运用结构三维设计要求的冰山一角。要想将结构三维设计结合到BIM中，实现文章中提出的优势，还必须确立三维设计流程和交互原则，完善结构专业的三维族库，定制模板和出图规则等等，这都需要充分的实践和摸索。当前，BIM技术和思想已经开始慢慢在建筑行业中兴起，在工程中以可视化的信息模型为主导，应用于设计、施工的全过程，起到主导设计、精确施工、无缝衔接的作用；将二维的图纸以三维实体的形式展示，丰富图纸表达深度，提高生产效率，节约工程造价就是我们最终的努力目标。
作者：邓京楠
