前言      

     

     

上世纪80年代以前，传统的结构设计一般是采用手工计算和在绘图板画施工图，计算和绘图效率较低，一栋多层房屋的设计周期一般需要三个月以上。

计算机的推广应用，给结构设计带来革命性进步，可划分为两个阶段：上世纪80 年代开始的第1次结构设计革命，通过CAD应用甩掉图板。在甩掉图板的同时也带来新的问题，虽然扔掉了画笔，换成了鼠标，但设计人员的手累成了“鼠标手”；2000 年开始的第2次结构设计革命，通过BIM( Building InformationModeling) 技术的应用，将甩掉AutoCAD手工绘图。

未来真正实现了BIM，结构就不用画图了。目前大部分设计单位年人均产值在30～40万左右，虽然属于技术密集型行业，但设计行业的效率已处于比较低的水平，通过提升技术手段以提高设计效率成了当务之急，正是有了这样的需求才能推动BIM设计技术的发展。

BIM设计技术的应用是一个复杂的系统工程，本文针对建筑结构设计提出在当前软硬件条件下，实用的应用流程是BIM发展的关键，为实现BIM应用流程，要解决AutoCAD自动成图和Revit转换接口这两个关键技术。

结构设计效率低的原因      

     

     

结构模型数据用于描述结构中墙柱梁板构件的几何尺寸、荷载布置、约束条件、钢筋布置、构造要求、构件间相互关系及设计参数等信息，它是结构设计的基础，所有的结构设计工作都是围绕结构模型数据进行，所以结构模型数据将决定BIM结构设计的过程。

结构设计过程可划分为4个阶段：方案设计、结构计算、施工图绘制和碰撞检查；相应产生4套结构模型数据：模板图、计算模型、施工图和用于碰撞检查的模型，当前在整个结构设计过程中这4套结构数据是独立维护的，这是导致设计效率低的主要原因。

建筑结构的BIM要求统一的墙、柱、梁和板模型贯穿于方案设计、结构计算、施工图绘制和碰撞检查4个设计过程，实现结构方案信息、结构计算信息和结构施工图信息一体化，即内部一体化；以及结构信息与建筑信息和施工信息一体化，即外部一体化。

BIM建筑结构设计流程      

     

     

将来全面实现BIM后，设计单位的专业分工有很大不同，比如，整个设计单位只设一个专门的建模部门，建筑专业只管设计，结构只管计算，施工图是自动生成的。但目前实现这一目标还有困难，不只是专业协同上的问题，计算机软硬件发展也还达不到要求，全面实现BIM离不开真三维设计，三维设计中64位系统和16G内存为最低配置，CPU运行速度还需要提高10倍。

因此，BIM的发展需要分两个阶段实现：在现有的设计过程和软件基础上，实现结构信息的一体化，甩掉AutoCAD手工绘图；等软硬件条件成熟后全面实现BIM。

第1阶段的设计过程:  从结构模型开始沿图1中实心箭头的过程，包括：

1) 结构模型到结构计算，确定结构方案；

2) 生成模板图，修改后自动更新结构模型；再经过计算，自动生成施工图；

3) 准确的结构模型传给Revit用于碰撞检查。

第2阶段的设计过程： 从建筑三维模型开始的结构设计过程。

图1 BIM建筑结构设计流程

以上BIM建筑结构设计流程既能满足现实需要，又能着眼BIM未来发展，是实用化的BIM结构设计流程。要实现BIM结构设计发展的第1阶段流程，要研究解决AutoCAD自动成图技术和Revit转换接口这两项关键技术。

AutoCAD自动成图技术      

     

提高结构设计效率的关键是实现AutoCAD自动成图，代替根据计算结果采用AutoCAD手工绘图，这也是结构设计专业采用BIM技术的最大动力。目前大多数设计人员采用AutoCAD手工绘制结构施工图，在施工图阶段花费了大量时间，已经成为设计的瓶颈，要彻底解决此问题，唯一的方法是变手工绘图为自动成图，因此基于AutoCAD的结构施工图自动成图技术的研究是当务之急。

结构施工图自动生成的实现要求设计软件开发出快速成图和联动修改这两个重要功能。

快速成图

高层结构计算分析完成后，在AutoCAD下，实现一分钟左右自动生成十多个标准层的模板图、钢筋施工图和计算配筋图。图2、图3分别显示由广厦GSPLOT软件自动生成的梁钢筋施工图和板钢筋施工图。

自动生成施工图要达到实用程度，施工图质量要接近设计人员手工绘制的深度，关键要做到以下6点：

（1）建立描述墙柱梁板施工图的通用数学模型

1993年在容柏生院士的指导下，我们建立了描述墙柱梁板施工图的数学模型，解决了混凝土构件施工图的数学描述问题，并首先应用于华南地区梁柱表施工图的自动生成，一天内可完成一栋厂房的设计，取得了很好的效果。1998 年将此模型应用于描述国标平法施工图，开发的施工图系统为国标平法在全国推 广应用做出了重大贡献。经过近20 年的验证表明，此数学模型不拘于结构施工图的表现形式，具有通用性。

（2）规范要求和设计经验有机结合

绘图的过程既要满足规范标准又要体现设计个性。智能化的系统才能充分模仿设计人员绘制施工图的过程。总结各地经验丰富工程师的绘图思路和操作过程，形成一个专家绘图系统，自动将录入模型转换成墙、柱、梁和板施工图的通用模型数据。

（3）可选择的设计习惯

通用的施工图数学模型在AutoCAD 图纸上可根据不同设计习惯来表达施工图，数学模型在描述墙柱梁板施工图方面是完备的，可开放选择，满足不同设计院的特殊习惯，且适应施工图表示方法的变化。

（4）自动生成的图元应符合手工制图的习惯

通过手工绘制施工图，最终得到是由AutoCAD基本图元组成的施工图，因此自动成图，最终也应该得到由AutoCAD基本图元组成的施工图，自动生成只是避免了手工绘制的重复劳动，加快了成图速度，最终的成果是一致的。若不一致，既降低了施工图的质量，又不方便修改，达不到设计人员的要求。采用基本图元绘图还是自定义实体绘图一直是AutoCAD 二次开发两条不同的技术路线。由于灵活性是结构施工图的内在要求，因此具有灵活性的基本图元绘图对于结构施工图绘制来说是较好的技术路线。

（5）一次生成所有构件的施工图

在一个Dwg文件中包含所有标准层墙、柱、梁和板的模板图、钢筋施工图和计算配筋图，符合设计习惯，便于管理和打印，也是提高设计效率的一个重要方面。

（6）智能化字符重叠调整

记录每个图元的位置和占图面的大小，并考虑该图元对应构件的物理意义，自动将重叠位置的字符移动至不重叠的位置。

图2 梁钢筋施工图

图3 板钢筋施工图

联动修改

结构施工图中不同的构件( 图元) 之间具有关联性，一处修改，其他相关位置要相应修改。联动修改将大大提高设计人员的改图效率。譬如，合并两个边缘构件，自动将边缘构件的编号重新整理，同时对应暗柱表自动减少1个截面，图4是合并前的暗柱图，图5是合并后的暗柱图，相比手工将两个暗柱合并，软件合并效率大大提高。

图4 合并前暗柱及钢筋大样

图5 合并后暗柱及钢筋大样

在GSPLOT软件中，关于墙、柱、梁和板的人工编辑命令有50多个，都具有联动修改的功能，提高了改图速度。

Revit转换接口      

     

     

当前设计行业的BIM基本通过Revit软件实现。直接在Revit中建立结构模型工作量很大，成本很高，因此，将常用结构设计软件中的三维分析模型快速转换到Revit模型，将大大提高建模效率。广厦Revit转换接口软件可实现广厦模型和PKPM模型到Revit模型的转换，可直接转换的构件类型包括：1) 柱和梁，包括异形柱、斜柱、斜撑、弧梁、斜梁和层间梁；2) 剪力墙，包括弧墙和砖墙；3) 楼板，包括斜板。

Revit柱梁族类型

结构设计常用的柱截面类型，如矩形、圆形、工型、T 型、十型、圆管、方管及各种型钢混凝土截面，对应Revit柱族类型见图6。常用的梁截面类型对应Revit梁族类型见图7，剪力墙和楼板截面对应Revit自带的族类型。以上截面类型软件均可自动生成。

图6 柱截面和Revit柱族

图7 梁截面和Revit梁族

Revit转换接口生成模型实例

图8为高层连体结构的Revit模型，图9为300米高带伸臂桁架的超高层框筒结构的Revit模型，两个模型都是由广厦软件经转换接口生成的Revit模型。通过转换接口软件生成Revit模型，不仅效率大大提高，而且模型精度高、错漏少。

结语      

     

     

BIM技术的全面应用，将带来设计行业的一场革命，改变目前工程师的专业分工和工作流程，推动建筑设计进入三维设计的新时代。但BIM的应用不是一朝一夕的事，特别是结构设计专业，要对设计过程全面优化，让工程师切实体会到BIM所带来的好处。

本文给出了当前阶段BIM结构设计流程，可操作性强，容易实现，其中包括AutoCAD自动成图技术和Revit转换接口开发这两个关键技术。这两个技术难点已在广厦结构软件中解决，实现了本文提出的BIM建筑结构设计过程，有力地推动BIM技术在结构设计中应用。