BIM正向設(shè)計中結(jié)構(gòu)信息模型的構(gòu)建方法

宋樹波 于楨琪 鄭鋒鍾 代一銘 林 潔 文若婷

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 260033； 2.青島理工大學(xué) 商學(xué)院，青島 260033)

引言

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)自提出便得到了建筑行業(yè)的大力推廣，《建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[1]也明確提出加快實現(xiàn)建筑行業(yè)信息化發(fā)展，加快推進(jìn)BIM技術(shù)在全過程的集成應(yīng)用以及應(yīng)用BIM新技術(shù)為建設(shè)生產(chǎn)服務(wù)。BIM技術(shù)已經(jīng)引領(lǐng)起了一場行業(yè)內(nèi)的思想變革浪潮，像建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工管理、后期維護(hù)多個方面的信息都可以通過BIM技術(shù)有效地進(jìn)行信息共享、集成和交換。

BIM正向設(shè)計是對傳統(tǒng)建筑項目設(shè)計流程的徹底變革，使得建筑與結(jié)構(gòu)可以用直觀的三維模型展現(xiàn)，不同維度和屬性的信息在同一平臺集成管理，有效地提高設(shè)計效率與協(xié)調(diào)性，進(jìn)而提高設(shè)計質(zhì)量。與目前普遍使用“先CAD出圖、后翻模”[2]的BIM逆向設(shè)計而言，這種“先建模、后出圖”的BIM正向設(shè)計方法，強(qiáng)化了規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維建筑全生命周期信息對稱性、統(tǒng)一性和指導(dǎo)性； 滿足了業(yè)主、施工、監(jiān)理、審圖機(jī)構(gòu)等設(shè)計協(xié)同方對建筑信息的需要； 也避免了BIM逆向設(shè)計造成的工作重復(fù)、設(shè)計效率低、人力物力浪費(fèi)的問題[3]。

傳統(tǒng)設(shè)計中的結(jié)構(gòu)信息模型(Structure Information Model)是區(qū)別于建筑信息模型(Building Information Model)，通常的建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計是分開進(jìn)行的，但是設(shè)計過程卻是緊密相關(guān)的，建筑設(shè)計要為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供必要的幾何拓?fù)湫畔ⅰIM是基于IFC標(biāo)準(zhǔn)[4]架構(gòu)建筑與結(jié)構(gòu)信息協(xié)同模型。作為國際建筑業(yè)主流的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換和共享標(biāo)準(zhǔn)，IFC可以從層次上分為資源層、核心層、共享層、專業(yè)領(lǐng)域?qū)印?biāo)準(zhǔn)的建筑模型應(yīng)含有幾何信息、材料信息、荷載信息等都儲存在IFC資源層，利用支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的軟件在共享層中可以實現(xiàn)資源層的信息交換與共享。核心層對整個信息資源層的信息進(jìn)行組織和鏈接。通過定義基于XML格式的通用有限元模型，可以從IFC的資源層中提取出必要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息，形成結(jié)構(gòu)設(shè)計分析得標(biāo)準(zhǔn)XML文件，利用IFC模型中構(gòu)件角部節(jié)點坐標(biāo)完成結(jié)構(gòu)單元連接節(jié)點的提取[5]。

國內(nèi)在BIM正向設(shè)計軟件開發(fā)方面已有眾多成果，王靜[6]等人設(shè)計了自主平臺CabrIFC，該平臺可以實現(xiàn)PKPM設(shè)計軟件與IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的建筑信息共享，解決了兩者中對于部分結(jié)構(gòu)分析信息描述上不統(tǒng)一的問題。鄧雪原[7]等人建立了一種基本方法自動生成符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的各種結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件的結(jié)構(gòu)模型。研究思路是先構(gòu)建基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑模型。通過自動提取技術(shù)，從模型文件中獲取用于結(jié)構(gòu)分析和計算的標(biāo)準(zhǔn)XML文件，通過有限元模型接口對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行修改和編輯，如圖1所示。吳文勇[8]等人提出了較為完善的BIM技術(shù)編制要點，以數(shù)據(jù)庫+文件服務(wù)器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分離，建立了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計系GSRevit。

圖1 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑結(jié)構(gòu)模型自動生成基本框架

1 結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法

只有嚴(yán)格按照IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)信息模型構(gòu)建，才能確保建筑模型和結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)一致性和共享性，實現(xiàn)BIM正向設(shè)計，結(jié)構(gòu)信息高效傳遞[9]。目前可用于BIM設(shè)計的軟件眾多，如Bentley公司的ArchitecturalDesktop軟件、Autodesk公司的Revit系列軟件、Graphisoft公司的ArchiCAD系列軟件以及DassaultSystem公司的CATIA系列軟件等。其中在民用建筑領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的是Revit系列軟件，它具有較好三維展示功能，工程模型數(shù)據(jù)支持IFC標(biāo)準(zhǔn)且具有比較豐富的外部數(shù)據(jù)接口[10]。因此，將IFC標(biāo)準(zhǔn)中的屬性集擴(kuò)展方法作為一種技術(shù)手段，結(jié)合IFC標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)有組件的屬性集，建立一個具體的結(jié)構(gòu)信息模型是可行的[11]。有多種建模軟件可供選擇，但眾多軟件基本的建模思路是一致的。利用BIM建模軟件通過各種三維建模命令進(jìn)行實體建模，實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的可視化，輸入的各類參數(shù)將按數(shù)據(jù)模型的要求組織、讀取、分析和計算。下文將從BIM結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的全過程敘述如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)信息模型的構(gòu)建。

1.1 非幾何信息

構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型首先要輸入待建項目的總體信息，結(jié)構(gòu)模型總信息應(yīng)包括結(jié)構(gòu)形式與層數(shù)、建筑和結(jié)構(gòu)層號關(guān)系、材料信息、磚混信息、地震和時程分析信息、風(fēng)計算信息、地下室信息、規(guī)范調(diào)整信息等，這些信息與參數(shù)將會貫穿結(jié)構(gòu)計算與分析的全過程，以共享參數(shù)的形式添加，屬于結(jié)構(gòu)的非幾何信息，是結(jié)構(gòu)分析與計算的整體信息。其中每一個構(gòu)件的非幾何信息都會被單獨(dú)描述、儲存和利用，相同類別的信息可以同時被選定和修改，大幅度提高了建模的效率。

1.2 幾何信息

結(jié)構(gòu)幾何模型構(gòu)建與一般的建筑三維模型構(gòu)建方法大致相同，不同之處在于結(jié)構(gòu)模型所有的構(gòu)件都是受力構(gòu)件，要進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)的布置，軸網(wǎng)是幾何拓?fù)湫畔⒌钠矫嬗成洌呛笃谀Ｐ徒ⅰ?gòu)件安放、定點定位，提取計算尺寸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)模型計算中起著舉足輕重的作用。正交軸網(wǎng)、圓弧軸網(wǎng)、單根軸網(wǎng)等都是軸網(wǎng)的輸入方法，其中批量進(jìn)行軸網(wǎng)輸入是效率較高的一種軸網(wǎng)創(chuàng)建方法。

軸網(wǎng)完成后要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行構(gòu)件的布置。梁、板、柱、墻是結(jié)構(gòu)計算中最基本的構(gòu)件，所有的計算數(shù)據(jù)都是根據(jù)基本構(gòu)件的尺寸得到的。將基本構(gòu)件劃分為單元，然后疊加不同的荷載和工況進(jìn)行分析計算。梁板柱創(chuàng)建與截面信息修改，根據(jù)擴(kuò)展的各個IFC實體的屬性，按要求輸入結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何尺寸、材料強(qiáng)度、等參數(shù)信息創(chuàng)建能夠包含這些IFC實體所有屬性的數(shù)據(jù)類。

構(gòu)件布置完成后要按規(guī)范輸入構(gòu)件的恒載和活載，便于以后的結(jié)構(gòu)分析和驗算。荷載類型包括線性荷載、集中荷載、局部線性荷載、分布扭矩、集中扭矩、溫度變化等。通過定義構(gòu)件屬性信息可以實現(xiàn)荷載的施加，不同的建模軟件實現(xiàn)方式有所不同。但結(jié)構(gòu)荷載都會以共享參數(shù)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)的形式存儲在符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的模型文件中。

荷載布置完成后就基本完成了結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，接下來需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與計算，根據(jù)計算結(jié)果合理調(diào)整設(shè)計，這里不做分析。以上介紹的結(jié)構(gòu)模型建立方法適用于框架、框剪、剪力墻、筒等多種結(jié)構(gòu)形式。

圖2 結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建項目實例

2 結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法在某高層剪力墻工程項目中的應(yīng)用

通過對比選擇，作者認(rèn)為GSrevit是一款較符合作者模型構(gòu)建思路的建模軟件。作者選取了一個裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的項目[12]，通過使用廣廈GSRevit軟件進(jìn)行BIM結(jié)構(gòu)信息模型構(gòu)建，以此驗證結(jié)構(gòu)信息模型構(gòu)建思路的正確性，期望發(fā)現(xiàn)建模過程中可能存在的問題與解決辦法。

首先在進(jìn)行非幾何信息的輸入，在相應(yīng)的模塊里可以很細(xì)輕松地進(jìn)行結(jié)構(gòu)信息、材料信息、地震信息以及各種計算信息的輸入，且可以與后期構(gòu)件布置相協(xié)調(diào)保持一致。完成信息輸入后可以進(jìn)行軸網(wǎng)建立，軸網(wǎng)輸入已是較為成熟的輸入方式。其次進(jìn)行標(biāo)高修改，因為在非幾何信息輸入時已經(jīng)確定結(jié)構(gòu)層數(shù)和樓層標(biāo)高，結(jié)構(gòu)標(biāo)高已提前生成，在這一步只需要進(jìn)行部分標(biāo)高的修改完善。重要的一步為構(gòu)建布置，在Revit中可以很方便的建立各種族，我們所熟悉的墻、梁、板、柱均可以以族的形式使用，且每一個單獨(dú)的族可以定義不同的屬性。經(jīng)過實際項目驗證，在結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建中調(diào)用各類族進(jìn)行構(gòu)件布置是完全可行的。進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算前的最后一步即為荷載布置，荷載布置完成后便可以初步驗證模型是否有錯誤。作者利用該項目基本完成了一個結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建全過程，證明了提出的BIM結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建思路是正確的，但具體的操作與實踐中還存在一些細(xì)節(jié)上的問題。

首先在模型總體信息中需要記錄構(gòu)件的材料強(qiáng)度等參數(shù)，但每個構(gòu)件的自帶屬性里也包含著對應(yīng)構(gòu)件的非幾何參數(shù)，兩處皆可修改，兩者的修改邏輯問題需要明確規(guī)定。結(jié)構(gòu)構(gòu)件布板經(jīng)常出現(xiàn)自動布板錯誤的問題，可以選擇的替代方法有角點布板，但是角點布板布置上的板只能出計算配筋值，后期無法通過軟件自動生成施工圖，出現(xiàn)自動布板錯誤的原因可能是墻、梁、柱的連接不正確。解決的辦法有兩種，一種是加強(qiáng)建模時的細(xì)節(jié)控制，另一種方法是優(yōu)化節(jié)點判定，讓軟件自行修正建模偏差。

3 結(jié)論

(1)基于BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)信息模型構(gòu)建為實現(xiàn)BIM正向設(shè)計提供了一種可靠的方法，為建筑三維可視化模型和分析計算模型的無縫對接提供基礎(chǔ)。

(2)以非幾何信息輸入、軸網(wǎng)布置、結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置、荷載輸入等步驟可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，且滿足結(jié)構(gòu)分析計算的要求。

(3)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)建立的結(jié)構(gòu)信息模型可以得到支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的建模軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件的兼容，為通用結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建、實現(xiàn)集成化建筑設(shè)計、后期運(yùn)營管理奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。