基于BIM 技术的建筑项目数字化设计与仿真研究

宋 怡

（江苏省淮阴商业学校，江苏 淮安 223003）

我国经济持续快速发展，给建筑行业创造了一个非常好的发展机遇。随着各个城市的兴起和扩建，各类建筑如雨后春笋拔地而起，为工业生产、市民生活、商业经营和娱乐活动提供了必要的场所。随着建筑项目的规模和工程量不断扩大，继续使用原有的施工技术，不仅会导致工期无法满足要求，还可能导致更多的资源浪费、建筑成本增加、工程收益降低[1]。BIM（Building Information Modeling）技术是一种新型的建筑施工技术，运用计算机技术对建筑工程各种相关信息进行建模并形成数字化存储，运用相应的数据挖掘方法、信息处理手段、计算仿真技术，可以可视化地展示建筑项目的三维结构、参数优化过程、成本合理性分析和施工进度模拟过程等，可以大大提升建筑项目的施工进度、大大优化建筑项目的资源配置、大大降低建筑项目的施工成本[2-3]。因此，进行基于BIM 技术的建筑项目数字化设计与仿真研究，具有十分重要的意义。

1 建筑项目仿真样例与BIM 软件选择

为了便于阐述BIM 技术如何在建筑项目的数字化中进行应用，首先设定一个建筑项目的仿真案例。这个案例以某城市主干街道的一个人行天桥为假想设计对象，相关结构要求和参数要求均以此为背景产生。从这个人行天桥的结构来看，采用钢拱结构为主体，对主干街道形成南北向跨越，具体参数指标见表1。

表1 本文中建筑项目仿真样例的相关参数

为了实现主干街道人行天桥这一建筑项目样例的BIM 仿真设计，需要选择合适的BIM 软件。BIM 技术本身是一种理念、模式或者框架，能实现BIM 设计的软件和平台有很多。而完整BIM 设计包括很多流程，并不是只完成建筑项目的三维数字化设计即可，还需要配合数据库软件、优化软件等共同完成建筑项目的设计、施工、后期管理等综合任务。所以，一个建筑项目的完整BIM 数字化设计，需要多个软件的协同配合。

这里，主要明确主体软件的选择。在桥梁类建筑项目的BIM 设计中，Revit 软件、Tekla 软件、Bentley 软件都是可供选择的软件。3 款软件相比较而言，Revit 软件操作简单、数字化设计结果精确，但对于特别复杂的模型构建存在一定不足；Tekla 软件不容易操作，并局限于某一类的结构建模；Bentley 软件可以实现复杂结构建模，但建模过程复杂烦琐。对于本文中的主干街道人行天桥，其结构并不复杂，因此选择Revit 软件作为BIM 设计的主体软件。为了完成主干街道人行天桥的完整BIM 设计，除了选择Revit 软件用于建筑项目结构的三维数字化设计，还分别选择了Lumion 软件用于Revit 软件设计结果后期的可视化渲染，Project 软件用于人行天桥施工进度的规划测算，Navisworks 软件用于人行天桥施工进度的仿真模拟，Bimfilm 软件用于人行天桥施工工序的演示和视频剪辑等。

2 建筑项目的BIM 参数化设计

人行天桥这个建筑项目的结构虽然不复杂，但也包含了非常多的设计内容，如果每一个局部、每一个组成单元都单独设置，会导致BIM 设计过程中出现非常大的工作量。因此，对于各个局部、各个组成单元中具有共同属性的参数进行统一设置，在进一步地修改中统一进行更新，就会大大加快BIM 设计和优化的过程。因此，参数化设计是BIM 数字化设计中非常重要的内容。

通过参数化设计，可以大大减少设计工作量和BIM 软件的运算量。尤其是，BIM 技术可以通过族概念的参数化设计，对同一族内的构件进行统一的几何形态设置和属性配置，真正达到了“一处修改全局更新”的效果。本文中，应用到的参数化设计类型结构和组成情况，如图1 所示。

图1 人行天桥BIM 设计中的参数化结构和组成

从图1 中可以看出，人行天桥BIM 设计中的参数化设计包含3 个层次，第一个层次中包含了常规参数、项目参数、族参数和共享参数4 个子项。其中，常规参数这一子项可以拓展到第二层次，其第二层次又分为文字类型的参数、数值类型的参数、整数类型的参数和材质类型的参数；项目参数这一子项没有到第二层次的拓展；族参数这一子项可以拓展到第二层次，其第二层次又分为族类型参数、族实例参数，其中，族类型参数这一子项可以拓展到第三层次，其第三层次又分为几何参数、非几何参数，而族实例参数这一子项也可以拓展到第三层次，其第三层次也分为几何参数、非几何参数；共享参数这一子项可以拓展到第二层次，其第二层次又分为几何参数和非几何参数。

通过图1 所构建的参数化设计树，可以将总体设计任务沿着参数维度进行逐步的拆分和细化，最终具体到一个个参数化设计的具体内容，从而完成BIM 数字化整体的参数化设计。

3 建筑项目BIM 三维建模

运用BIM 技术进行建筑项目的数字化设计，主要是为了视觉上直观地看到建筑项目设计好之后的三维展示效果。因此，对于本文中主干街道人行天桥的BIM设计，要给出其三维的数字化模型及其相关参数。而这一部分的数字化模型，在人行天桥建成后也会在真实世界中一直存在，所以称之为永久结构模型。除了进行人行天桥实体的三维模型数字化设计，BIM 技术还希望通过数字化处理模拟仿真出天桥的施工工序和整个施工过程，以便对人行天桥的实际建造给出最为直观的展示，进而判断其合理性并改善其中的不足。所以，除了永久结构模型的数字化设计，还需要对施工过程中的临时模型进行数字化设计，以便形成后续的施工过程动画展示。

对于主干街道人行天桥的永久结构模型数字化设计，主要包括主拱结构部分的数字化设计、桥主梁结构部分的数字化设计、拱横梁结构部分的数字化设计、桥面横梁结构部分的数字化设计、桥面挑梁结构部分的数字化设计、吊杆结构部分的数字化设计、桥面支撑结构部分的数字化设计和桥墩结构部分的数字化设计。对于主干街道人行天桥的临时施工模型数字化设计，主要包括安装支架结构部分的数字化设计、生活区域结构部分的数字化设计、施工机械结构部分的数字化设计。除了临时施工所用的器具，还需要对临时施工的场地进行数字化设计。

据此，得到建筑项目BIM 三维建模的主要单元组成，如图2 所示。

图2 人行天桥BIM 三维建模的主要单元组成

如图2 所示，在进行各个单元的三维建模过程中，除了数字化的模型结构，还要将每一个单元的参数信息添加于其中以满足前述的参数化设计要求，如各个单元的属性参数、标高参数、坐标轴参数和参照平面参数等。这样，每一个数字化结构单元就扩展成了族信息包，分别是主拱结构部分的族信息包、桥主梁结构部分的族信息包、拱横梁结构部分的族信息包、桥面横梁结构部分的族信息包、桥面挑梁结构部分的族信息包、吊杆结构部分的族信息包、桥面支撑结构部分的族信息包、桥墩结构部分的族信息包、安装支架结构部分的族信息包、生活区域结构部分的族信息包和施工机械结构部分的族信息包。

至此，本文得到主干街道人行天桥的三维数字化设计效果，如图3 所示。

图3 主干街道人行天桥的三维数字化设计效果

从图3 可以看出，运用BIM 技术得到的三维数字化设计效果，直观地展示出了人行天桥设计出来以后的结构和外观。桥面横架在两侧桥墩之上，桥面两侧有主拱护卫和支撑，2 个主拱之间通过均匀排布的横梁连接。

4 建筑项目BIM 施工分解

根据BIM 技术完成主干街道人行天桥的三维数字化设计以后，可以借助BIM 技术进一步进行施工阶段的分解，分解结果见表2。

表2 人行天桥的BIM 施工阶段分解

从表2 中可以看出，第一列是人行天桥项目BIM 数字化模型的版本，第二列对应了每一个模型完成的施工内容，第三列对应了每一个模型完成所用的施工工期，第四列对应了施工的起始时间，第五列对应了施工的完成时间。可见，在BIM 数字化技术之下，人行天桥项目的每一个施工阶段和内容都变得非常明确。

5 结论

BIM 技术是建筑项目数字化设计和施工仿真的重要手段。本文以主干街道人行天桥建筑项目为研究案例，在给出其具体的工程参数要求之后，选择了BIM技术的实现软件。在人行天桥建筑项目BIM 参数化设计中，将整个内容细化为常规参数、项目参数、族参数和共享参数4 个子项并逐级细分。对人行天桥建筑项目的永久结构模型、临时施工模型，进行了三维数字化设计并给出了视觉展示效果。依托BIM 设计过程和结果，对人行天桥建筑项目进行了施工周期的分解，明确了每一个阶段的施工内容。