BIM如何适用于“中国式”结构设计?

摘要：本文应用常见的BIM软件Revit Structure与Robot Structural Analysis进行双向链接分析，并将结果与PKPM计算结果在重心、刚心位置、 内力、周期以及层间位移等方面进行比。

摘要：目前BIM技术在我国结构设计方面的应用尚未得到推广，主要原因是结构物理模型与结构分析模型之间无法做到完美对接。结合上海某钢结构实际算例，应用常见的BIM软件RevitStructure与RobotStructuralAnalysis进行双向链接分析，并将结果与PKPM计算结果在重心、刚心位置、内力、周期以及层间位移等方面进行比较。

计算结果表明，以RevitStructure和RobotStructuralAnalysis结合进行分析的BIM技术基本适用国内的结构设计和构件验算，但不适用于抗震等方面的验算。最后应用RStarCAD将RevitStructure与PKPM进行链接，并评析其特点，为BIM在我国结构设计中的应用提供参考。

BIM（BuildingInformationModeling）是近年来国内外学者和土木建筑行业研究的热点，并且国家“十一五”科技支撑计划和“十二五”建筑信息化发展纲要也均将BIM纳入其研究范围之中。BIM提出于20世纪70年代，之后Jerry及McGraw-Hill建筑信息公司等均对此概念进行了阐释。简单而言，BIM是通过数字化技术，在虚拟环境中构建模型，进而提供完整的建筑信息库，其中集成了建筑、结构和建筑设备等三维（3D）信息，并同时集成了其他与建设项目相关的信息。 

应用BIM技术能有效地实现建设项目信息的3D表达，帮助设计方、施工方和业主方直观理解与掌握建设项目设计进度，检查设计空间冲突，辅助进行结构、光照等分析；结合模拟技术，可预先分析和优化施工过程及资源配置，确保实际现场施工的顺利进行。自2003年引进BIM技术以来，BIM技术已应用于北京奥运会水立方、上海中心大厦等国内的工程中，给我国结构设计带来了新的发展与挑战。 

但目前结构工程师接受和应用BIM的深度和广度远低于建筑工程师，主要原因在于目前BIM技术在3D物理模型与结构分析模型的双向链接方面尚存亟需解决的技术问题。 

理论上来说，实现BIM物理模型与结构分析模型、物理模型与2D施工图文档之间的双向链接是完全可行的。以Autodesk公司系列软件为例，RevitStructure建立物理模型后，将该物理模型发送至RobotStructuralAnalysis进行结构分析，再将优化后的有限元分析模型返回RevitStructure中更新原有的物理模型。结构设计结束后，连接AutoCADStructuralDetailing得到施工图，实现完整的结构设计过程（见图1）。

图1Autodesk系列软件结构设计流程图

上述过程在国外结构设计适用，但由于目前的RobotStructuralAnalysis所含中国规范有限（荷载规范《GB50009-2001》，抗震规范《JTJ004-89》、《JTJ225-98》、《GBJ50011-2001》、《GB50191-93》、《GBJ11-89》，设计规范《GB50010-2002》、《GB50017-2003》），不能完全契合我国的规范进行结构分析，因此在国内结构设计中实现物理建模和结构分析软件双向无缝链接是有条件的。

本文结合上海某钢框架结构职工宿舍楼工程实例，应用常用的BIM软件RevitStructure及RobotStructuralAnalysis，比较BIM结构设计与传统设计方式的异同，并将RevitStructure建立的物理模型与国内广泛应用的设计分析软件PKPM进行对接，以期探索BIM技术在我国规范的情况下应用于结构设计的方法与特点。 

1.RevitStructure与RobotStructuralAnalysis双向链接

该宿舍楼共6层，梁柱均采用常用工字钢和H型钢，钢材型号Q345；楼板采用混凝土板，混凝土型号C30；支撑采用箱型截面钢管；基础采用独立基础；抗震设防烈度7级。 

因为RevitStructure中预置的截面形式很有限，故在RevitStructure建立截面的构件时，常用手段有三：一是导入已有的族文件；二是创建新的构件族；三是在RobotStructuralAnalysis中建立结构模型后再更新至RevitStructure中。此处选用第三种方式，这是因为RobotStructuralAnalysis中内置有我国的部分国家规范，也有我国常用的钢材型号，使用方便，也便于后期用钢量统计和输出。RevitStructure中的模型以及RobotStructuralAnalysis中的模型分别如图2、图3所示。

图2RevitStructure中的模型

图3RobotStructuralAnalysis中模型

实际操作中发现，在RevitStructure中可以选择从RobotStructuralAnalysis中更新模型，并且在RobotStructuralAnalysis中修改的杆件和新添加的杆件也会在RevitStructure中的模型上显示，从而实现了两个软件双向链接的目的。 

但是RobotStructuralAnalysis中定义的地震作用、杆件约束等信息，在同步的过程中会丢失。这将意味着，如果将模型更新至RevitStructure中后，再做修改发送到RobotStructuralAnalysis进行结构计算，则需要重新定义地震作用和杆件约束，这对于整体结构来说都是不小的工作量。所以在实际应用时，建议在RobotStructuralAnalysis中完成设计，将其同步至RevitStructure中更新杆件。 

2.RobotStructuralAnalysis与PKPM计算结果比较分析 

为判断RevitStructure与RobotStructuralAnalysis双向链接的方法是否适用于我国的结构设计，此处分别使用RobotStructuralAnalysis与PKPM建立同一个钢框架结构运行计算，对比其计算结果并分析其异同。

2.1重心、刚心位置比较 

对于一个结构，若重心与刚心不重合，则在计算侧向力效果时应该考虑其扭转效应。PKPM与RobotStructuralAnalysis分析中的重心、刚心位置如表1、表2所示。

由表1和表2可看出，PKPM与RobotStructuralAnalysis在进行重心计算时，结果基本相同；PKPM计算出的重心与刚心位置差距较大，RobotStructuralAnalysis计算得出的重心和刚心位置差距较小。总体趋势上看，其刚心相对于重心的位置，都是在Y轴偏离坐标原点方向，即刚心的Y坐标比重心的Y坐标更大，而重心和刚心的X坐标基本相同。由于该差别与整体尺寸相比较小，可以认为两个软件的重心、刚心计算结果基本一致。

2.2内力比较 

取某次梁的内力进行比较，RobotStructuralAnalysis和PKPM计算结果汇总于表3所示。

经比较发现，RobotStructuralAnalysis和PKPM计算的剪力和弯矩值接近，可认为二者相同。

2.3周期比较 

将PKPM与RobotStructuralAnalysis计算得到的结构周期进行比较，得到结果如表4。 

由表4可见，PKPM得到的周期明显大于RobotStructuralAnalysis的结果。 

分别删去RobotStructuralAnalysis中的活载与恒载进行计算，得到的周期均无变化；同样地，分别删去PKPM中的活载和恒载，得到的周期结果与RobotStructuralAnalysis的比较如表5。 

由表5可知，当PKPM中不加荷载，即仅计算其自重时得到的周期，与RobotStructuralAnalysis中计算得到的周期基本相同。由此可知，RobotStructuralAnalysis在计算结构周期时，其重力荷载代表值中没有考虑荷载的效应，所得的周期不符合我国的规范要求。

2.4层间位移比较 

考虑到RobotStructuralAnalysis中无法计算中国荷载规范下的风荷载，需手动添加，故在此算例中暂不考虑风荷载；在PKPM设置中，将基本风压设置为0，进行计算，从而比较二者在相同的地震作用下，计算得到的层间位移的异同。

将RobotStructuralAnalysis和PKPM计算得到的各层层间位移最大的一组数据整理见表6。 

表6中，RobotStructuralAnalysis与PKPM计算得到的层间位移有一定差别。同样，将PKPM中的所有荷载去掉，重力荷载代表值只考虑自重，则在地震作用下得到的X、Y方向位移整理如表7所示。

即当PKPM中不考虑荷载效应时，得到的侧向位移与RobotStructuralAnalysis仍有较大差异，不能将原因归咎与此。 

RobotStructuralAnalysis与PKPM在计算地震力时均采用了振型分解反应谱法，所以影响其计算结果的可能与其自重也有关系。此处，将二者计算得到的结构自重再进行比较，如表8所示。 

对比发现，两种软件计算得到的自重不相同。经判断，实际结构中7层所用钢梁材料是6层的1/30左右，与PKPM较为符合，所以RobotStructuralAnalysis得到的自重应该是不符合实际的，也由此导致其计算得到的位移值不准确。 

3.RevitStructure与PKPM双向链接 

由于RevitStructure与RobotStructuralAnalysis组合进行结构计算，目前在结合中国规范方面尚且存在一些问题，所以如果可以将RevitStructure与我国结构工程师常用的结构分析软件，如PKPM等进行结合，可增加结构工程师应用BIM技术进行结构设计的可能性与接受速度。 

本文以RStarCAD软件为媒介，将钢结构算例由Revit导入到PKPM中的模型，如图4所示。 

图4.RStar转换后PKPM中的整楼模型

由此可见，从Revit中导出的模型可以很好地转化为PKPM可打开的形式，但将导出的.sc结尾格式的文件导入到PMCAD中进行查看后，在转换数据时还存在如下不足： 

（1）轴线编号未能同步导入到PKPM中，需要在PMCAD中重新定义轴线编号。 

（2）不能导入楼板。 

（3）不能导入荷载，包括板面上恒载活载以及风载地震作用等，不能导入荷载组合。 

另外，RStarCAD可匹配的软件版本有很大的限制。以RStarCAD2013为例，只可以匹配RevitStructure2013与PKPM2010，当这两款软件中有一款需要进行升级时，就无法进行二者的双向链接，这也给结构设计带来了一定的局限性。 

综上，目前RStarCAD可以应用于结构设计中，可以将结构的物理模型进行转换，节省建模时间；但其对信息的转换效率不高，在使用过程中还不是很便利，有待进一步改善。 

4.结语 

在结构分析方面，RevitStructure可双向无缝链接结构分析软件RobotStructuralAnalysis，基本可以适应在中国规范下进行结构设计和构件验算。但是，通过与PKPM计算结果的对比，RobotStructuralAnalysis在计算结构周期、层间位移时重力荷载代表值和自重出现偏差，从而导致进行抗震验算时尚不能用RevitStructure与RobotStructuralAnalysis结合的结构设计方式。此外，还可使用RStarCAD作为RevitStructure和PKPM的桥梁，将Revit Structure中的物理模型导入PKPM中进行结构计算。

虽然目前还不能将RevitStructure中模型的全部信息导入到PKPM中，但鉴于我国的结构工程师普遍很熟悉PKPM，这种设计方式应容易得到普及。目前，BIM技术将是土木工程发展的方向和趋势，相信文中提出的软件的缺憾将会不断完善，结构设计方法不断改进，BIM技术也将越来越多地应用到我国的结构设计中。

（作者：王晓彤杜克大学工程管理系，刘泽洲清华大学土木工程系）

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