1 BIM可视化技术的应用现状

BIM即建筑信息模型，其主要根据目标对象的相关信息参数，在计算机系统内构建可视化、协同化与模拟化的立体仿真模型，以直观形象描述目标对象的客观实际状态，具有显著的直观性、协调性和模拟性特征。近年来，国家相关部门高度重视BIM可视化技术在工程项目领域的优化运用，先后制定并实施了包括《建筑业现代化推进战略行动计划》等在内的诸多宏观政策，为全面实现BIM可视化技术的综合价值提供了重要指导^[1]。经过长期探索与总结，BIM可视化技术的应用范围越来越广阔，可满足建筑工程设计环节、施工环节和运维环节的诸多差异化需求，符合快节奏、高标准的工程项目实施导向。在现代高层建筑结构设计领域，BIM可视化技术同样扮演着不可替代的现实角色，在降低建筑结构设计难度系数，优化整合建筑结构技术参数等方面的价值极为突出。受限于诸多主客观条件，当前BIM可视化技术的应用水平尚有较大提升空间，需有针对性地统一数据标准，提升智能化和集成化水平。

随着城市化进程的加快，高层建筑逐渐成为城市天际线的重要组成部分。在此背景下，BIM可视化技术的应用为高层建筑结构设计带来了前所未有的便利。通过构建精细的三维模型，设计师能够全方位、多角度地审视设计方案，及时发现并解决潜在的设计问题。同时，BIM技术还能够实现设计信息的实时共享与协同作业，极大地提高了设计效率和质量。然而，尽管BIM可视化技术已经取得了显著的进展，但在实际应用过程中仍面临着数据标准不统一、智能化和集成化水平有待提升等挑战。未来，随着技术的不断进步和应用的不断深化，相信BIM可视化技术将在高层建筑结构设计领域发挥更加重要的作用。

2 BIM可视化技术的优势和特点

2.1 互动和反馈的可视化

BIM可视化技术以三维建筑模型为基本表达方式，其中涵盖多类型工程数据信息，贯穿项目实施的全生命周期。在传统二维平面设计条件下，建筑工程构件更多地以文字和线条等方式进行描述，往往需要运用专业技术方法对建筑平面、立面和剖面的各个构件进行细化处理。而在BIM可视化技术环境下，其互动和反馈的可视化优势更加突出，不仅可设定相应技术参数信息，自动生成三维模型，直观了解项目整体情况，而且还可对建筑构件状态进行实时调整修改，大幅提高建筑结构设计效率。

此外，BIM可视化技术还具备强大的互动功能，设计师可以通过简单的操作，如旋转、缩放、平移等，对建筑模型进行全方位的观察和分析。这种直观的操作方式使得设计师能够更快速地理解设计方案，减少误解和沟通障碍。同时，BIM可视化技术还能提供实时的反馈，当设计师对建筑模型进行修改时，相关工程数据信息会自动更新，确保设计的一致性和准确性。这种互动和反馈的可视化方式不仅提高了设计效率，还增强了设计的可靠性和安全性。

2.2 各专业协调性

现代高层建筑结构设计通常由多个专业协同完成，该过程中的沟通协调贯穿项目实施全过程，而BIM可视化技术则为各专业的动态协调与协作提供了重要基础支持。通过运用BIM可视化技术，高层建筑结构设计可细化分为若干子结构和子专业，根据建筑模型的工作集模式共享中心坐标，表达结构尺寸、标高和构造，进而衔接各子结构和子专业之间的协调关系，生成相应的分析报告，从而减少往复修改，压缩项目实施周期。得益于此，高层建筑结构设计成本得以降低^[2]。BIM可视化技术在协调各专业时，还能够有效避免因信息沟通不畅而导致的误差和冲突。各专业设计师可以在同一平台上，基于共享的建筑模型进行协同设计，实时查看和修改各自的设计内容，同时了解其他专业的设计情况。这种协同工作方式使得各专业之间的设计更加紧密地联系在一起，避免了因设计脱节而导致的施工问题。同时，BIM可视化技术还能够提供丰富的数据支持，帮助设计师更好地理解建筑的整体性能和特点，从而做出更加科学、合理的决策。

2.3 真实模拟性

BIM可视化技术既可模拟图纸设计的建筑模型，又可模拟难以通过实操进行构造的事物，这种真实模拟性优势涵盖了项目场地分析模拟、结构碰撞模拟、风环境模拟和日照分析模拟等多类型项目。现代高层建筑结构设计需要综合把握时间、信息和结构等要素，任何一项设计内容的缺失均会影响整体结构效果，而在BIM可视化技术支持下可采用“平法标注”方式对建筑结构物理信息、几何信息、规则信息和变化信息等进行动态模拟，并根据其可出图性优势，导出相应平面图、立面图和剖面图。

通过BIM可视化技术的真实模拟性，设计师可以直观地看到建筑在不同条件下的表现，如在不同风力和日照条件下的形态变化，以及结构在受力情况下的变形和应力分布。这种模拟不仅提高了设计的准确性，还能帮助设计师更好地理解和优化建筑的整体性能。此外，BIM可视化技术还能够模拟建筑在不同施工阶段的情况，如基础施工、主体结构施工、装饰装修施工等，从而帮助施工团队更好地理解设计意图，提高施工效率和质量。总的来说，BIM可视化技术的真实模拟性为高层建筑结构设计提供了强大的技术支持，使得设计更加科学、合理和高效。

3 建筑结构设计中BIM可视化技术的关键点

3.1 BIM结构建模

建筑结构设计中BIM可视化技术的建模过程可细化为结构建模和钢筋建模等两种类型，二者在参数运用、建模过程与优化分析等方面存在明显差异，应结合高层建筑结构设计实际需求，予以灵活构造。其中，结构建模主要以高层建筑结构中的梁、柱、板、剪力墙、基础等要素为主要面向对象，为不同构件族赋予不同实例参数，再按照模型轴网标高确定构件位置，实现对构件实例的创建。钢筋建模则可采用手动建模和插件建模等两种不同方式，分析处理个别构件和复杂节点处的钢筋信息，为快速准确生成结构施工图提供便利条件。BIM结构建模初步完成后，可对模型状态予以优化，为后续BIM应用提供可靠的基础模型。

3.2 协同设计

正如前文所述，BIM可视化技术可满足实时共享沟通的现实需求，使协同设计模式下的建筑结构信息传输更高效、更精准，改变了传统结构设计条件下“信息断层”的技术难题。在协同设计中，可在建筑结构模型中设置统一化的工作集协同规则，同步建立中心文件，使之与各设计人员的本地文件保持交互协同。通过运用现代网络存储技术，BIM可视化技术中的协同设计还可将建筑结构设计文件传输至云端服务器，延缓结构设计数据传输延迟^[3]。在链接协同方面，参与高层建筑结构设计的人员均可编辑对应部分的模型，通过单向更新的协同方式灵活调用不同模板，工作集协同更快。

3.3 碰撞检测

高层建筑结构设计中的碰撞检测旨在按照既定规则方法，检测建筑模型中各构件、各设备之间的吻合状态，判断是否存在位置和空间上的碰撞冲突。纵观以往传统建筑结构设计实际，其普遍存在不同构件或设备尺寸、型号和位置偏差过大的共性问题，尤其是二维图纸和人工审查不利于在结构设计中取得最高效率。对此，在BIM可视化技术条件下，应首先创建三维建筑模型，准确标识构件、管线和设备等各项要素，然后利用碰撞检测功能进行分类检测。通过自动识别和标记，BIM可视化技术可在建筑模型中准确标识潜在碰撞点，输出准确的碰撞信息和位置信息，辅助设计人员准确定位并通过漫游、剖切等操作予以修改。

3.4 模型转换

模型转换即将高层建筑BIM模型从一种格式或平台转换成为另一种格式或平台。实践表明，模型转换通常会受诸多扰动因素影响，对建筑结构设计信息的准确性和一致性具有严格要求。对此，应事先明确不同软件平台间的模型互操作性，然后在精确的数据转换和校验机制下将BIM模型中所包含的几何尺寸、材料属性、构造细节等建筑结构相关信息，通过模型转换接口进行准确传递。在上述过程中，应建立模型转换数据交互通道，防止数据信息丢失或误解，确保设计信息完整。对于需要进行模型优化和轻量化处理的高层建筑结构，同样可利用模型转换功能，对模型进行相应几何清理和数据压缩，降低模型文件大小。

3.5 平法施工图绘制

作为建筑结构设计中常用的一种图纸表达方式，平法施工图主要利用平面图形和符号来描述建筑结构的构造和尺寸，其具有简洁明了、清晰直观、易于理解等特点，可为后期工程施工提供基础依据。在BIM可视化技术下，利用三维模型与二维模型之间的转换规则，使三维建筑模型中的各项建筑结构参数自动准确地标注于符合平法施工图规范的二维图纸之中，以提高图纸生成效率，确保图纸的准确性和一致性。利用注释工具集，标注梁配筋和板钢筋等相应结构构件，保持构件属性参数关联，实现共享参数的同步修改。随着高层建筑结构设计要求的提高，平法施工图绘制的应用价值将更为显著。

4 基于BIM可视化技术的高层建筑结构设计探讨

4.1 桩基结构设计

桩基结构是现代高层建筑结构的重要构成部分，其对于保持建筑结构稳定性和抗震性等具有关键现实作用。在BIM可视化技术应用中，应根据高层建筑地质条件、荷载要求等因素，创建桩基的三维模型，精准确定桩基类型，设定桩长、桩径、桩身材料等基本参数。在确定单桩承载力的基础上，根据《建筑桩基技术规范》分析处理桩数并布桩，验算桩基荷载，将其极限承载力受力状态之内，最后设计桩身和承台。利用BIM模型计算桩身配筋，将配筋率、配筋长度、纵向主筋截面面积等参数保持在合理范围内，并视具体情况适度加密箍筋^[4]。

通过BIM可视化技术，可以直观地展示桩基结构的布局和受力状态，帮助设计师更好地理解和优化桩基设计。此外，BIM技术还可以模拟桩基施工过程，预测可能出现的施工问题和风险，为施工方案的制定提供有力支持。同时，BIM模型中的桩基信息还可以与施工进度计划、质量管理等系统相关联，实现信息的集成和共享，提高施工效率和质量。

4.2 剪力墙设计

高层建筑剪力墙构件与其所受到的弯曲力矩、剪切力和轴向力等具有直接关系，应在具体设计中注重偏心受压状态。根据高层建筑结构需求和设计要求，选择具有代表性的模型参数，在BIM可视化平台内创建剪力墙三维模型，并通过调整模型参数，优化调整剪力墙布局和形态。添加剪力墙的配筋信息，比如钢筋直径、间距和数量等，利用自动配筋设计功能得出相应效果。在剪力墙连接节点设计方面，则应创建该节点的三维模型，并进行详细的配筋和构造设计。上述过程中，应注重剪力墙结构模型的更新与维护，以满足数据交换和共享。

为了进一步提高剪力墙设计的准确性和可靠性，可以借助BIM可视化技术进行虚拟施工模拟。通过模拟剪力墙的施工过程，可以预测可能出现的问题和风险，如施工过程中的变形、裂缝等，从而及时进行调整和优化。同时，BIM技术还可以进行施工方案的模拟和优化，选择最佳的施工方法和顺序，确保施工过程的顺利进行。在剪力墙设计完成后，还可以利用BIM模型进行施工图的绘制和输出。通过BIM模型的自动成图功能，可以快速生成符合规范的施工图纸，提高绘图效率和准确性。此外，BIM模型还可以提供丰富的施工信息，如材料清单、构件尺寸、安装位置等，为施工过程中的材料采购、构件加工和安装等提供有力支持。

综上所述，BIM可视化技术在高层建筑剪力墙设计中具有重要的应用价值。通过创建剪力墙的三维模型，优化调整布局和形态，添加配筋信息，进行施工模拟和施工图绘制等步骤，可以大幅提高剪力墙设计的准确性和可靠性，为高层建筑的结构安全提供有力保障。

4.3 梁结构设计

BIM可视化技术下的梁结构设计可利用参数化设计功能，构建基于梁的类型、尺寸和位置等信息的结构模型，并根据高层建筑结构实际需要，对梁的几何形状、材料属性、配筋，以及梁的截面尺寸、跨度、高度等进行详细设计。利用BIM技术的协同设计功能，对梁与柱、墙等其他结构元素进行协同化处理，避免彼此之间的相互矛盾与冲突。在该基础上，利用BIM软件对梁结构进行碰撞检测，重点检测梁与其他结构元素之间是否存在碰撞问题。对梁结构承载能力和抗震性能等作出优化分析，以提高其整体性能，同时生成平面布置图、剖面图、配筋图等图纸或文档。

4.4 风环境和日照模拟

在风环境模拟中，可根据高层建筑设计方案，建立建筑模型体量，在模型内标注建筑几何形状、尺寸和高度等参数，然后设定风速、风向、温度等气象参数。导入风环境分析软件，保证分析软件与BIM模型的无缝对接，确定分析区域和边界条件后进行模拟分析，得出建筑周边和室内的风速、风压等风环境参数，并以此为参考调整建筑布局、景观设计，以改善风环境。在日照模拟方面，则应注重项目所处区域的地理位置、季节和时段等基础信息，并设置日照分析相关参数，确定需要分析的建筑区域和窗户等开口部位，得出建筑各部位的日照时间和日照强度等参数。

4.5 结构抗震设计

为提高高层建筑抗震设防、抗倒塌变形能力，可利用BIM可视化技术进行结构抗震设计。在操作中，应构建包括建筑结构计算、结构基础设计、砌体结构设计、结构施工图设计等在内的功能模块，以实现分层分级建模。利用抗震分析软件进行模拟，计算高层建筑结构在地震作用下的位移、内力、加速度等响应参数，以此为参考识别建筑结构中的薄弱环节和潜在破坏点，比如应力集中区域、变形过大部位或连接不牢固的构件等。根据抗震分析结果，改变结构的刚度分布和强度分布，使结构在地震作用下可形成合理变形模式，有效消散地震能量。

同时，结合BIM可视化技术的三维动态展示功能，可以直观地观察和分析结构在地震作用下的变形和破坏情况，进一步优化抗震设计方案。此外，还可以通过BIM平台与其他专业进行协同设计，确保结构抗震设计与建筑、给排水、电气等专业的协调一致，提高整体设计效率和质量。最终，基于BIM可视化技术的结构抗震设计将为高层建筑提供更加安全可靠的保障。

4.6 机电管线设计

机电管线是保证高层建筑基本功能的关键要素，BIM可视化技术则可显著增强管线设计的灵活性，使传统设计环境下难以实现的最优设计过程与效果更具实现可能。对此，可利用BIM可视化技术制定机电管线深化设计计划，准确设定设计范围、设计精度、设计周期等，在高层建筑三维几何模型中定义机电管线的材料属性、尺寸、连接方式，并在模型中综合排布风、水、电等各专业管线，避免管线交叉和空间浪费^[5]。使用BIM软件的碰撞检测功能，对管线布局、走向和标高等进行优化调整，确保管线设计效果。

同时，BIM可视化技术还能提供机电管线施工的模拟和演示，帮助施工人员更好地理解设计意图，减少施工过程中的误解和错误。通过BIM技术，可以对机电管线的安装顺序、施工方法、所需材料和工具等进行详细规划，从而有效指导现场施工，提高施工效率和质量。此外，BIM可视化技术还能为机电管线的维护和管理提供有力支持，通过模型中的信息，可以快速定位管线位置、了解管线属性和运行状态，为设备的维护、检修和更换提供便利，延长设备使用寿命，降低维护成本。

5 结语

综上所述，BIM可视化技术的关键价值优势决定了其在高层建筑结构设计中的现实地位。因此，技术人员应摒弃传统陈旧的建筑结构设计模式制约，建立健全基于BIM可视化技术的结构设计规则流程，明确建筑结构设计不同项目内容的差异化需求，保持对建筑结构各项技术参数的动态调整，在特定范围内实现建筑结构设计各项数据的交互共享，排除各类扰动因素对结构设计的影响，为全面彰显BIM可视化技术核心价值奠定基础，为促进高层建筑结构设计事业高质量发展贡献力量。