基于BIM技術(shù)的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

羅 威

（湖北城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

BIM技術(shù)作為一種常用的建筑信息模型，不僅可以將其貫穿于項(xiàng)目的整個(gè)階段，還能覆蓋社會(huì)經(jīng)濟(jì)、項(xiàng)目施工以及各個(gè)專業(yè)等內(nèi)容，在簡(jiǎn)化復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程、提高復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率和效果等方面發(fā)揮重要作用[1]。因此，在BIM技術(shù)的應(yīng)用背景下，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的科學(xué)化、高效化設(shè)計(jì)，如何科學(xué)設(shè)計(jì)和應(yīng)用復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)人員必須思考和解決的問題。

1 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)交換內(nèi)容

通常情況下，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)交換內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 幾何信息

空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要用于對(duì)幾何信息的傳遞，這些幾何信息包含結(jié)構(gòu)形態(tài)節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)信息、桿件引用信息。通過利用空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，可以精確地計(jì)算和確定構(gòu)件的最優(yōu)尺寸，為復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的有效開展提供重要的依據(jù)和參考。

1.2 物理信息

空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)除了可以傳遞幾何信息外，還可以傳遞物理信息，這些物理信息主要包含構(gòu)件物理屬性和有限元信息。其中構(gòu)件物理屬性包含物理材質(zhì)、力學(xué)性能等；有限元信息主要包含節(jié)點(diǎn)信息、約束信息和荷載信息等[2]。

2 基于BIM技術(shù)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件STCAD的IFC標(biāo)準(zhǔn)模型

為了提高復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，設(shè)計(jì)人員要重視對(duì)STCAD軟件的應(yīng)用，通過利用該軟件，完成對(duì)連廊模型的設(shè)計(jì)，從而突出IFC標(biāo)準(zhǔn)在軟件中的應(yīng)用特征。STCAD模型如圖1所示。從圖中可以看出，該模型屬于單線模型，通過采用施加荷載的方式，精確計(jì)算出模型相關(guān)參數(shù)。同時(shí)，還要利用IFC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行精細(xì)化描述，并編寫出相應(yīng)的STCAD模型和相關(guān)應(yīng)用程序，為后期更好地設(shè)計(jì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)提供重要的依據(jù)和參考[3]。

圖1 STCAD建立的空間結(jié)構(gòu)模型

2.2 基于BIM的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動(dòng)劃分

在BIM技術(shù)的應(yīng)用背景下，現(xiàn)提出一種自頂向下的設(shè)計(jì)模式，以完成對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的自動(dòng)化劃分，以達(dá)到提高復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的[4]。這種設(shè)計(jì)模式主要是在建筑方案指定的曲面上延伸而來的，通過利用IFC文件，對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行導(dǎo)入處理，以起到劃分網(wǎng)格的作用。

2.2.1 自頂向下的設(shè)計(jì)模式與BIM技術(shù)的運(yùn)用

（1）自頂向下的設(shè)計(jì)模式

在自頂向下的設(shè)計(jì)模式下，設(shè)計(jì)人員不需要利用點(diǎn)和線這些基本設(shè)計(jì)元素，而是借助面這一設(shè)計(jì)元素，完成對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)建筑方案相關(guān)信息數(shù)據(jù)，獲取曲面信息，然后利用網(wǎng)格剖分模式，完成對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，利用相關(guān)程序，在結(jié)合網(wǎng)格剖分算法的基礎(chǔ)上，在曲面上對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)剖分，從而形成腹桿。總之，通過應(yīng)用該設(shè)計(jì)模式有效地突破了傳統(tǒng)建模方式的局限性。另外，為了進(jìn)一步提高復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率和效果，設(shè)計(jì)人員還要不斷修改、優(yōu)化和完善復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)體系，不要將大量的時(shí)間和精力花費(fèi)在點(diǎn)線建模上，為進(jìn)一步提高復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，設(shè)計(jì)人員還要借助程序，自動(dòng)生成桿件幾何信息數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)模型生成規(guī)則，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模的目的。

（2）建筑與結(jié)構(gòu)的模型交換

曲面主要由以下兩種類型組成，分別是小面片表達(dá)和NURBS曲面，IFC標(biāo)準(zhǔn)在具體的運(yùn)用中，主要采用一種新型、先進(jìn)的表達(dá)方式，為目前比較主流的建模軟件提供IFC標(biāo)準(zhǔn)支持。然后，在BIM技術(shù)的應(yīng)用背景下，利用IFC文件格式，完成建筑與結(jié)構(gòu)模型的交換。建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)軟件之間通過IFC文件進(jìn)行信息交換如圖2所示。通常情況下，建筑方案在具體的運(yùn)用中，僅僅提供空間結(jié)構(gòu)曲面相關(guān)信息，因此利用建筑軟件，導(dǎo)出相應(yīng)的曲面后，需要嚴(yán)格按照多邊形面片描述相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，形象、直觀地描述曲面信息，同時(shí)還要采用IFC文件導(dǎo)入的方式，利用空間結(jié)構(gòu)軟件，完成對(duì)曲線信息的精確化、高效化讀取，在此基礎(chǔ)上，利用曲面網(wǎng)格劃分算法，采用曲面轉(zhuǎn)化的方式，將所有曲面轉(zhuǎn)化為各種空間結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，從而完成對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。此外，還要利用有限元模型、結(jié)構(gòu)軟件，對(duì)該模型相關(guān)信息進(jìn)行直接計(jì)算，極大地簡(jiǎn)化了計(jì)算流程，為進(jìn)一步提高復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率和效果創(chuàng)造良好的條件[5]。通過利用空間結(jié)構(gòu)軟件，從桿件大小、桿件型號(hào)等信息入手，對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行構(gòu)建和設(shè)計(jì)，并生成相應(yīng)的成果文件，為后期更好地優(yōu)化復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程提供重要的依據(jù)和參考。

圖2 建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)軟件之間通過IFC文件進(jìn)行信息交換

2.2.2 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)

復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)在具體的設(shè)計(jì)中，主要是借助建筑方案進(jìn)行的，為了進(jìn)一步提高復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合建筑方案相關(guān)內(nèi)容，不斷突破建設(shè)結(jié)構(gòu)在造型上的局限性，同時(shí)還要根據(jù)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)特征，采用自由曲面表達(dá)方式，利用建筑方案，在優(yōu)化和完善空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分方法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率和效果的目的。為此設(shè)計(jì)人員要采用控制參數(shù)變化的方式，完成對(duì)模型幾何信息的及時(shí)更新。現(xiàn)以四角錐網(wǎng)格為研究對(duì)象，從以下幾個(gè)方面入手，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。根據(jù)建筑方案，對(duì)指定曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將劃分后的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為上弦節(jié)點(diǎn)。將小網(wǎng)格綁定在四邊形網(wǎng)格上，并科學(xué)控制網(wǎng)格平面與下弦節(jié)點(diǎn)之間的距離。采用參數(shù)化更新的方式對(duì)生成的四角錐網(wǎng)格進(jìn)行及時(shí)更新和處理。

2.2.3 自由曲面的網(wǎng)格劃分

（1）基于小面片曲面模型的劃分方法

在進(jìn)行復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員要利用小面片曲面模型的劃分方法，根據(jù)短程線的特點(diǎn)，完成對(duì)三角形面片模型的構(gòu)建和設(shè)計(jì)，然后利用短程線算法，對(duì)三角形面片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到如圖3所示的短程線劃分網(wǎng)格。通過利用小面片曲面模型的劃分方法，不僅發(fā)揮了短程線算法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，還極大地提高了復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，為縮小復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)偏移量提供有力的保障。由此可見，小面片曲面模型的劃分方法在自由曲面開發(fā)和應(yīng)用方面具有重要意義。

圖3 短程線劃分網(wǎng)格

（2）基于NURBS曲面模型的劃分方法

NURBS曲面作為一種常用的曲面表達(dá)方式，具有高參數(shù)化程度、強(qiáng)靈活性等特征，通過利用方式，可以高效地完成對(duì)曲面坐標(biāo)點(diǎn)的求解，由此可見，在NURBS曲面的應(yīng)用背景下，很容易開發(fā)并生成一種新的網(wǎng)格劃分方法，該劃分方法在具體的運(yùn)用中，需要借助正方形網(wǎng)格曲面，將平面各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效的聯(lián)系，然后采用平移自由度的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)平面各個(gè)節(jié)點(diǎn)的科學(xué)控制和調(diào)整，以保證網(wǎng)格邊長(zhǎng)的固定性。此外，還要將所有的網(wǎng)格曲面鋪設(shè)到自由曲面上，并將曲面網(wǎng)格多余的部分進(jìn)行裁剪，從而完成對(duì)平面網(wǎng)格模型的構(gòu)建和設(shè)計(jì)，為后期更好地開展復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3 基于BIM的空間結(jié)構(gòu)架構(gòu)設(shè)計(jì)

建模是復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心，最近幾年，空間結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目逐漸向復(fù)雜化、多樣化方向不斷發(fā)展，因此，空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件必須要具備強(qiáng)大的建模功能，只有這樣才能確保復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作準(zhǔn)確無誤地開展。在整個(gè)建筑工程中，復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重中之重，因此，設(shè)計(jì)人員要重視對(duì)設(shè)計(jì)成果的交流，確保空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件與其他設(shè)計(jì)軟件能夠有效地結(jié)合，為提高復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率和效果發(fā)揮重要作用。此外，設(shè)計(jì)人員要在BIM技術(shù)的應(yīng)用背景下，針對(duì)建模的需求，不斷修改、優(yōu)化和完善建模方案，已完成對(duì)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。另外，為了充分發(fā)揮和利用BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格按照如圖4所示的結(jié)構(gòu)分析軟件的總體流程，完成對(duì)空間結(jié)構(gòu)架構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。在這個(gè)過程中，首先設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格按照IFC標(biāo)準(zhǔn)，在BIM技術(shù)的應(yīng)用背景下，借助面向?qū)ο笳Z言，不斷優(yōu)化復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序，同時(shí)利用實(shí)體之間的層次關(guān)系，精確地表達(dá)模型信息，提高模型文件的可讀性，以促進(jìn)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向自動(dòng)化、智能化和信息化方向不斷發(fā)展。其次，設(shè)計(jì)人員要借助STCAD文件格式，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化、集中化存儲(chǔ)，為進(jìn)一步提高復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率和效果創(chuàng)造良好的條件。

圖4 結(jié)構(gòu)分析軟件的總體流程

3 結(jié)束語

綜上所述，BIM技術(shù)作為一種重要的建筑信息模型，在保證復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和高效性方面具有重要作用，同時(shí)，也給相關(guān)企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，在進(jìn)行復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員要重視對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用，不斷優(yōu)化復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，為提高復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率和效果打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，設(shè)計(jì)人員要與時(shí)俱進(jìn)，學(xué)習(xí)和掌握BIM技術(shù)，提高BIM技術(shù)應(yīng)用能力，只有這樣才能確保復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作能夠正常、穩(wěn)定、有序地開展。