浅谈结构专业的BIM应用 梁雄
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浅谈结构专业的BIM应用
---------GICD技术总监梁雄1.模型与结构设计
BIM相关技术在建筑行业的普及和应用如火如荼，但是BIM对结构专业的工程师们意味着什么呢？能带来哪些帮助或者生产力的提高呢？在回答这些问题前，我们来看看目前结构工程师的大致工作流程：
图1. 结构专业设计基本流程
工程师根据建筑专业的输入信息制定基本的结构方案，之后根据项目的勘探信息和相关规范在结构分析软件中建立结构分析模型，这个模型包括建筑的主要受力构件的三维几何模型和荷载、计算参数等。
这里的结构模型通常与建筑模型是不同的，有些需要简化，有些需要细化。
比如建筑中的非主体受力构件（栏杆等）就简化掉，而结构中的梁，有些建筑方案模型中是没有的，这就需要细化。
我们可以看到，同样的建筑，不同专业设计的时候，会把建筑拆分成不同粒度的基本构件，每个专业只考虑本专业所需的信息。
这就是BIM应用中
必须考虑模型详细等级（Level Of Detail, LOD）的原因。
模型不是越细越好，也不可能一个模型吃遍天下；一个建筑在不同的阶段会构建不同粒度的模型，这些模型之间是相互关联和补充的。
结构工程师根据专业知识建立结构分析模型后就可用软件进行力学计算，结构计算软件经过几十年的发展，已经比较成熟，计算效率越来越高，计算结果越来越可靠，越来越智能，还能给出丰富的分析结果（表格、图形、计算书，甚至有应力应变动画）。
然后结构工程师根据计算分析软件给出的结果进行构件的设计，对于钢筋混凝土结构，主要是进行柱、墙、梁板的配筋和规范校核。
最后将这些结构设计信息按照平法规则绘制施工图纸。
在这一个流程中，施工图绘制的工作量是比较大的，本人对一些结构工程师做过访谈，对一般的住宅项目，第4步施工图绘制与前3步工作的时间比例大概是7:3。
2.平法表达VS三维模型
我们偶尔会听到一种声音说：“中国BIM在结构专业发展缓慢主要是受制于平法表达规则”，真的是这样的吗？咋一听，好像挺有道理：BIM提倡用三维模型来表达建筑的各种信息，平法是落后的二维表达方式！可是仔细一想，这里面是有问题的：首先这句话将信息的存储与信息的传递（表达）两个概念模糊化了或者是故意混淆了。
首先，我们来看信息的传递：图2 是从Tekla的三维设计软件中截取的图片，这张图片以二维平面投影的方式将构件内部的钢筋排布情况清晰的展现给我们，但是我们并不能知道这些钢筋的直径。
图2. Tekla建模软件中截取的二维平面投影表达图片
同样图3是从广联达的结构施工图软件中截取的图片，这是一个平法表达的暗柱大样图，和图2一样也是以平面的方式清晰的表达了钢筋的排布方式，并且通过注释可以很快知道各种钢筋的尺寸。
图2和图3都是一种二维的信息传递方式，但是他们的信息其实都是以三维技术为载体进行组织和存储的（详见上述两款软件的官方网站）。
BIM软件的一个重要特征是其将建筑信息以三维模型为载体进行组织和存储，这样能够保证信息的完备性和相互关联性，并具备建筑语义，这些信息可以通过各种方式表达并传递给相关人们；这些表达方式可以是平法图纸也可以是三维模型的平面剖切投影，同样可以是在软件中进行三维漫游（这也是一种信息表达方式）。
图4是在三维浏览过程中的截图，我们不难看出，软件三维漫游的方式来传递构件中的钢筋信息是非常低效的，需要用户不断的旋转视角，并用测量工具去测量。
反而是平法规则给了我们一种高效的平面表达方式，根源在于平法表达本质上是三维模型的二维投影加上平法注释，与BIM所提倡的三维信息存储
不但不矛盾，而且是相辅相成的，只是目前缺少能够将三维结构模型快速生成平法表达的软件工具。
图3. GICD施工图软件中截取的二维平法表达信息
图4. 三维漫游的方式表达（获取）信息
3.“甩图板”VS “绘图员的消失”
以上我们闲谈了结构设计的流程，三维模型与平法表达关系及认识的误区，现在回到开始提出的问题，BIM到底能给结构专业带来什么样的影响？老一辈工程师都经历过“甩图板”的时代，被称为一场革命。
如今BIM时代，同样很多人认为是一场革命，这场革命我认为可以用“绘图员的消失”来概括。
我们来畅想一下未来结构工程师的工作流程：
1.建筑师将方案模型上传到中央服务器，结构工程师打开设计软件，同步建筑模型到本地，
点击软件的模型转换按钮，建筑模型自动转换成结构设计模型
2.结构工程师根据专业知识检查模型、添加荷载和计算参数点击计算按钮，软件自动进行
计算分析，这个过程结构工程师可以去喝一杯咖啡。
3.软件计算完成，结构工程师查看内力和位移，判断结构是否合理，如果有必要，调整一
下模型和计算参数，重新计算，如果没问题，点击出图按钮，美观的结构施工图就生成出来了。
分析上面的流程，可以看到，未来结构工程师主要工作是用专业知识确定结构方案和设定分析模型，判断计算结果的合理性，其他工作都交给计算机去完成了，这是不是现在设计院中有经验的总工们的工作。
可以预料，在不久的将来，等结构专业的BIM软件成熟，设计院只需要这样的工程师，现在的绘图工作完全可以交给计算机去完成，因为那是计算机擅长的工作，只要数据交给它，它就能很快的绘出结构施工图，因为本质上，结构施工图不像建筑施工图，前者是计算数据驱动的，是可以计算机解决的，只要能够输入正确的模型与配筋信息。
这样，目前的“绘图员”肯定就会从这个行业消失，就如同画图板一样消失在历史的前进车轮中，谁也无法阻挡。
4. 三维钢筋—“罪与罚？”
结构专业需不需要三维钢筋？这个问题有两个答案：1. 太需要，如果你能免费给我做出来，太炫了！2. 不需要，你让我一根一根建三维钢筋模型，这不是坑爹吗？这两个答案都是合理的，只是前提条件不同，如果有三维钢筋，至少我们可以看到复杂节点如何截断和绑扎，至少可以帮助检查钢筋的排布等等。
但是相比目前知道的三维钢筋应用价值，我们发现投入的成本太大。
对于结构专业来说，钢筋三维模型不能靠坐标定位的方式建立，而需采用设计参数加规则约束来建立，例如梁的钢筋可通过跨中和支座处截面上下部钢筋根数、排数等参数，以及截断的构造规则来确定钢筋的三维空间排布。
而且软件可以将构造规则内嵌于软件中，用户无需交互输入定位坐标，只需通过输入配筋参数和选择构造规则即可完成钢筋三维模型的建立。
但是，目前从硬件和软件两方面，三维钢筋还不成熟。
可喜的是，我看到北京市出的BIM地方规范明确将钢筋信息指定为属性信息，而非几何信息。
也许未来，等计算机和软件技术发展了，三维钢筋的生成代价都很小了，我们再来谈三维钢筋的应用问题也不迟。
5. BIM对结构设计专业的价值
从图1我们可以看到，除了正常的设计流程主线，通常情况下，结构设计是迭代演进的，而且受建筑专业方案调整影响非常大。
网上曾经流传过下面一张图片：
图5. 结构施工图怎么能不改？
每个结构工程师看到这个图片都会会心一笑吧。
如果我们的平法施工图的生成代价非常小了，并且可以增量的方式根据结构方案和计算结果的不同而自动更新，重用已有的成果图纸，那么改图就不再是结构工程师的痛，而是点一个按钮就完成的事。
另外，现在限价或限量设计的项目越来越多，如果能够非常方便的根据结构设计模型得到工程量甚至造价，那么甲方的满意度一定会得到提升。
上述应用，利用BIM相关技术来完成应该是不难的，原因就在于BIM软件中，二维平法图只是以三维方式存储的数据的一种信息表达和传递方式，另外由于建筑信息的完备性和关联性，得出工程量和造价信息也不应该是难事，不应该需要大量的人工干预。
6. 结束语
历史的车轮总是向着生产力提高的方向前进的，途中可能会走弯路，可能会迟到但绝不会缺席；结构专业的技术总会向前发展，至于叫不叫BIM和BIM有没有关系，其实无大碍，关键是我们需要不断的补充新的知识，不要固守成规，这样才不至于成为消失中的一员。
