基于 BIM 的复杂建筑结构分析技术研究

引言

伴随着建筑行业的持续发展，复杂建筑结构的出现，使得结构分析技术面临着更严苛的要求。而传统的结构分析方法在处理不规则形体、多专业协同等复杂情况时，难以出色完成任务。建筑信息模型(BIM)技术可以将建筑全生命周期信息集成，并依托这些数据建立真实三维建筑结构的模型。在复杂建筑结构分析方面发挥大作用，有力推动建筑结构设计和分析工作的创新发展。

1 BIM 技术优势

1.1 三维可视化表达

BIM 技术摆脱了传统的 2D 图纸限制，以 3D 可视化的形式呈现出了复杂的建筑结构。对于工程师而言，3D 模型更加直观、清晰，能完整地呈现出其构造方式、构件以及空间结构等，便于了解整体的结构特点。除此之外，在一些比较复杂的曲面造型以及异型结构等方面的应用上，它还可以把原本抽象的设计理念变得更加具体化、形象化，更好地向相关方解读自己的设计理念，减小人们交流沟通的误差。

1.2 参数化设计与修改

BIM 技术的参数化特点为建筑结构的设计带来了更大的灵活性和高效性。所有的结构构件的尺寸、材质和性能参数都可以用参数的形式来描述，只要改动其中一项参数，相应的结构或整个模型就会变化。在复杂建筑结构方案比较的时，可以在短时间内对各个参数数值进行调整，生成不同的模型，再进行结构性能的比对分析。

1.3 信息集成与共享

信息集成平台的 BIM 模型包括了建筑物从设计、施工到运维阶段的所有信息。结构设计信息、材料属性、施工进度计划等各类型数据都整合到这个平台上，各专业人员根据自己的权限来获取和更新所需的信息；对于一些大型而复杂的建设项目，各专业的技术人员之间要开展大量信息的交流与沟通工作。而使用 BIM 技术能够实现信息的实时共享和协同工作，有效避免信息孤岛以及信息的传递错误。

2 BIM 的复杂建筑结构分析技术分析

2.1 高精度三维模型构建

第一，使用 BIM 建模软件的参数化曲面建模功能，可精准制作建筑造型的几何体形。在自由曲面结构分析的过程中，采用控制点、控制网格和权重因子对曲面进行编辑修改曲面形态，同时，采用曲面偏移、裁剪、缝合等命令完成模型细节的补充。而在空间网格结构分析阶段，采用节点—杆件的方式建立模型，通过准确输入节点坐标、杆件长度、杆件截面尺寸等信息，可确保模型几何精度。同时，BIM 软件可导入点云、CAD 图纸进行逆向建模，快速建立模型骨架，再完善细节、优化模型。

第二，借助于 BIM 模型的精细化建模技术，能真实地体现出复杂结构构件内部的构造特征。

根据钢结构节点，建立螺栓、焊缝、连接板等构件并详细说明规格、材质和连接方式；通过混凝土分层建模方式分别建模钢筋骨架及混凝土实体部分，表示出钢筋的布筋形式、锚固长度和保护层厚度；利用模型剖切、爆炸视图等方式使构件内部结构可见，为结构分析打好几何信息的基础。

第三，利用数据接口和数据转化的方法将多源数据转化为 BIM 模型。地质勘察数据可以将钻孔柱状图、岩土力学参数等数据转化为 BIM 模型的地层三维模型，给定土层物理力学属性。而荷载数据可以用参数化的方式给到模型上，风荷载、地震作用等可以作为面荷载、线荷载、集中荷载等方式加载于相关构件。

2.2 结构力学性能分析

第一，BIM 和结构分析软件实现集成需要通过数据交换接口及中间文件格式。

基于 IFC/DSTV 等标准格式将 BIM 模型中的几何信息、材料属性、约束条件等数据转换为结构分析软件可识别的数据格式，进行有效识别，将分析软件的机械学效值分配给模型构件，完成模型的拆分和组装工作，进行有效的组合转化，形成具有对应整体刚度的平面布置，实现不同软件下的力学等效转换。

第二，利用 BIM 模型具有参数化及可扩展的特点开展多工况力学性能模拟。通过对荷载参数、边界条件和材料属性的变化，模拟结构在不同工况下的力学反应。在进行温度场模拟时，以实际气象数据设定模型温度边界条件。同时，采用热传导方程求解结构内部温度场，以温度应力作为外加荷载作用于模型上。通过对活荷载的动态变化，对模型预设荷载组合和工况，计算结构不同工况下内力和变形的整体情况。

第三，通过 BIM 模型的信息映射将分析结果实现可视化。将结构分析软件计算得出的应力、应变、位移等结果，作为构件属性信息赋予 BIM 模型；运用颜色编码、等值线和云图等可视化手段，在三维模型中直观展示数据分布；借助动画制作工具，将动态分析结果中各时间步的分析数据转换为动画帧，生成结构响应变化过程的动画，并在三维模型中以动态形式呈现给设计人员。

2.3 碰撞检测与优化

第一，通过对基于 BIM 模型空间拓扑关系的分析开展碰撞检测工作。通过为构件建立包围盒（Bounding Box）或精确几何模型，计算不同构件间的空间距离与位置关系。利用层次包围盒树(Hierarchical Bounding BoxTree)算法，在遍历模型构件的过程中快速筛选出相互靠近的构件集合，缩减了碰撞检测的范围，提高检测速度。在检测过程中，可针对具体情况设置碰撞检测公差范围，将碰撞分为硬碰撞(构件实体相交)和间隙碰撞(间距小于设置值)两种类型。

第二，利用 BIM 模型的参数化修改功能，对碰撞问题进行优化处理。如果出现结构构件和机电管线相碰现象，则可以采取管线调向、管线标高调整或改变结构构件尺寸等措施予以规避。由于 BIM 具有关联性，在调整一个构件的时，与之相关的构件也将随之得到更新，最终达到优化完善的目的。因此，在优化的过程中应结合不同的优化方案，比较每个优化方案下模型的变化情况以及各个优化因素影响，后最终得出最优解。

第三，建立模型变更监控机制，实现模型变更动态碰撞检测。建立模型变更监控机制，若模型改动，激活系统碰撞检测功能，检测更改部分及与之相关的构件，使用增量式碰撞检测算法，只检测更改部分及相关构件。检测结果实时推送给设计者，记录到碰撞报告中，报出问题位置和构件类型。

2.4 协同设计与优化

第一，建立 BIM 协同设计平台以实现基于网络通信技术和数据库管理系统。

采取客户端-服务器（C/S）和浏览器-服务器（B/S）两种方式实现多用户可以对同一个 BIM 模型同时进行并行访问，在进行多用户协同编辑的过程中，保证各用户的多并发操作的一致性。在平台上进行协同设计时提供标注、评论及共享视图等功能，保证各个参与人员的设计会话的高效开展。

第二，运用多目标优化算法和决策支持系统开展多专业的综合优化。基于建筑功能、结构安全和施工成本的多目标优化模型，应用遗传算法、粒子群算法等优化算法，寻找优化解。利用 BIM 模型的信息集成优势，提取各专业设计信息，为优化模型提供数据支撑，在优化过程中通过可视化比较不同方案的优缺点，辅助设计团队进行合理判断。

第三，根据 BIM 模型的信息追踪和流程管理功能实现设计全生命周期的协同管理。根据设计变更历史进行记录并建立起设计过程版本树，方便查询设计思路和设计决策依据；使用工作流引擎设置设计流程、任务节点及审批环节，使设计过程有迹可循，按部就班地完成任务节点，提高工作效率。

3 结语

基于 BIM 的复杂建筑结构分析技术凭借三维可视化表达、参数化设计修改及信息集成共享等优势，在复杂建筑结构分析中具有重大意义。在建筑行业不断向前发展的同时，随着建筑结构越来越复杂，利用 BIM 技术开展复杂建筑结构分析，成为大势所趋，未来应用空间广阔，发展潜力巨大。

参考文献：

[1]颜超.BIM 技术在大型建筑结构设计与管线布置一体化优化中的应用探讨[J].新城建科技,2024,33(10):84-86.

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