基于BIM建筑结构设计模型集成框架应用开发

刘照球,李云贵,吕西林,张汉义

(1.同济大学土木工程学院,上海 200092;2.中国建筑科学研究院,北京 100013)

建筑信息模型BIM(building information modeling)技术是对建筑物理和功能特征的数字式表达,从建筑物诞生开始,为建筑物整个生命周期提供可信赖的信息共享知识资源[1].BIM的理念是建立涵盖工程全生命周期的信息库,实现各个阶段、不同专业之间的信息集成和共享[2].但由于涉及领域面广,信息建模和模型维护时间跨度长,导致信息数据多而杂,且不同阶段不同专业对于数据信息的需求也不同,现有的技术很难实现整体建模的一步到位.因此,分阶段建立基于BIM的信息子模型较为合理,也有助于解决信息集成过程中的关键技术[3].

随着工程信息交换标准IFC(industry foundation classes)和BIM技术在土木工程领域应用的推广和普及,有关工程生命周期设计信息集成技术的研究已经越来越多[4].比如,支持协同工作的计算机集成建造CIC系统[5],用于提高建筑业信息交流的分布式虚拟空间DIVERCIT Y项目[6],基于Web的IFC项目数据共享环境WISPER[7]系统,基于IFC标准的集成设计信息管理DIMS体系[8],共享计算机辅助结构设计模型SCASD框架[9]等.由于建筑和结构两个设计阶段是工程整个设计过程的中心,如何实现建筑和结构专业信息的有效集成,已经成为工程设计模型集成框架开发的核心问题.国内这方面的研究比较少,上海交通大学邓雪原等曾提出一种从IFC建筑模型自动提取信息生成 ETABS和SAR2000结构模型的基本框架[10],清华大学张建平、胡振中等提出一种将建筑设计、结构设计以及施工管理统一的基于4D的施工安全信息模型,可以用于施工期间建筑结构安全分析研究[11-12].笔者构建的基于BIM的建筑结构设计模型集成框架是在国内应用广泛的PKPM系列软件平台下,通过建筑模型信息与结构模型信息的转换,首先实现建筑和结构设计信息的集成和共享.其中,转换的建筑模型是基于 IFC格式,结构模型是基于 PKPM中的PMCAD格式.

1 BIM信息集成过程和特征

BIM的信息集成的最终要求是涵盖建筑全生命周期所有数据信息.但数据信息的积累是和工程项目建设的不同过程紧密相连的,从工程勘察设计开始到产品运营管理,直至建筑报废,是一个漫长的过程.每个过程都会产生相应的数据信息,随着过程的推进,数据信息也在不断积累,保持螺旋式上升,最终形成全信息模型,如图1所示[13].

图1 BIM信息集成过程Fig.1 Information integrated process of BIM

为了形象地说明BIM信息集成的特征,用图2对传统的工程生产过程和集成生产过程进行比较[14].图2a为传统的工程生产过程,各个阶段和参与专业的工作并不是并行的,最先参与的是开发商和政府审查部门,咨询、规划以及设计紧接其后,工程承包公司则在工程的施工方案确定以后方才参与.这种过程的特点是各阶段比较分散,过程断层明显.后续阶段的被动参与不仅不利于对工程早期设计阶段的理解和管理,也不利于解决后续施工过程中的问题,且问题解决越晚,造成的附加成本越高.

图2b为基于BIM的工程集成生产过程.集成生产可以使各专业工种更早地参与工程的设计活动,进行较早的并行工作.比如,在方案评定阶段,规划设计公司、工程承包公司等后续专业工作过程的前移,有利于协调各方的矛盾在早期阶段解决,对于工程项目的平滑设计和建造,减少非必要的资金浪费,具有极重要的意义.由于各参与专业之间不存在明显的过程断层,信息的交流也较传统技术更流畅.

图2 传统、集成生产过程对比Fig.2 A comparison between traditional construction process and the integrated construction process

2 建筑结构模型的复杂性

2.1 基本对象表达的区别

由于专业不同,建筑模型和结构模型对同一建筑对象的信息表达侧重点也有区别.建筑模型着重于表达建筑产品的各个基本对象(墙、柱、梁、板等)的空间拓扑关系、空间分配关系、外观真实表现等;结构模型侧重于从力学角度对建筑产品和建筑对象以及各对象之间的连接关系进行分析和计算,以便确定基本对象以及整个建筑的承载能力.

图3 基本对象信息的不同表达Fig.3 Different representation of design components

图3为开有门和窗的一段墙体,对于建筑模型来说,需要表达的信息有：①门或窗的宽度、高度、类型等信息;②墙的类型、宽度、高度、长度、面积、开洞的数量、洞口面积等.对于结构模型来说,需要表达的信息有墙截面的高度和宽度、墙材料类型、受力钢筋和分布钢筋的数量,墙梁布置方式、施工方法等.从这个实例可见,由于专业不同,所关注的信息也不同[8].

还如,对于建筑对象之间节点信息的表达,比如图4的梁柱节点和梁板节点,在建筑模型中,梁和柱、板和梁是分开表达的不同对象,只是组合在一起而已,组合的方法等信息不重要;而在结构模型中,梁柱节点、梁板节点被视为共同承受不同方向荷载的协同工作区,从而是一个整体单元[13,15].

尽管建筑模型和结构模型之间在信息表达上存在一定的差异,但结构模型的形成却是建立在建筑模型基础之上、从建筑模型演化而来的计算模型.通过集成建筑模型中的结构信息,使得结构设计师可以随时访问这些数据,从而形成结构分析模型.

图4 节点信息的不同表达Fig.4 Different representation of nodes information

2.2 模型数据构建的反复

图5表示各个设计阶段的数据信息的传输和流动[16].建筑模型居于顶端的支配地位,由其产生的数据信息分别被结构设计、节能设计、水暖电等其他设计所继承和提取;然后,节能设计、水暖电等其它设计阶段又继承和提取结构模型产生的数据信息,对建筑进行二次建模设计.整个建筑工程的设计过程就是这样反反复复,直至达到设计要求.

图5 模型数据传输的反复Fig.5 Repeated transmission of data model

3 建筑结构信息模型ASIM集成框架

3.1 ASIM上层模型流程设计

图6对建筑结构信息模型ASIM(architectural and structural information model)上层模型(建筑和结构)建模流程进行了设计.通过基于DXF的建筑设计软件(比如AutoCAD),或基于BIM 的建筑设计软件(比如 Auto-desk的 Revit,Bentley的Archirecture,Graphisoft的ArchiCAD等),对建筑产品进行设计,并基于IFC标准数据模型格式表达建筑对象,不仅包含基本的绘图信息,还应包含建筑对象的材料、造价等方面的信息,形成完整的建筑产品数据模型.

图6 建筑和结构建模流程Fig.6 Flow of architectural and structural modeling

应用开发接口(模型信息转换平台)为模型转换的中间环节,通过程序语言(C++或FORTRAN)解析IFC标准的EXPRESS语言表达类,提取建筑基本对象(构件)信息以及对象之间拓扑关系信息,在PKPM图形显示平台CFG上显示提取的建筑对象,并形成结构模型;根据相关的结构设计软件(比如AutoCAD或PMCAD)对提取的模型进行修改和荷载布置,并使用相关的结构分析软件(SATWE,ABAQUS,SAP2000,ETABS等)在遵循结构规范的基础上对结构模型进行分析、计算等设计工作;后续的模型数据库用于存储、更新和管理建筑结构设计阶段的数据信息,并为下游的工作提取和利用.建筑产品模型和结构分析模型之间的联系通道是双向的,表明其间的工作是反复的和不断更新的.

3.2 ASIM集成框架

结合上述建筑结构建模流程特点,对建筑结构信息模型ASIM集成框架体系进行构建,如图7所示.纵向代表不同的设计阶段,横向代表不同的体系.设计阶段主要分为建筑阶段、结构阶段、节能阶段以及其他设计阶段;体系主要有应用体系、模型体系、转换体系、数据库体系等四个层次,其中,应用体系为设计者使用相关软件的操作层,建筑设计阶段所形成的建筑模型和数据库为体系的顶端资源,通过转换平台提取的建筑基本对象数据是其他工作阶段的信息模型基础.图中的箭头示意整个体系运转的过程,各体系随着工作阶段的发展,信息不断积累,且相互继承,最终形成BIM设计阶段子信息模型.

图7 ASIM集成框架体系Fig.7 Integrated framework system of ASIM

ASIM是主要面向建筑设计和结构设计过程的BIM信息子模型,除了继承一般BIM信息模型的特点,诸如建筑对象的参数化表达、建筑对象之间的关联性、信息转换的一致性等,还具有阶段性、可扩展性、兼容性三个特征.阶段性是指目前的功能仅可以实现建筑和结构设计阶段的信息集成,未来的扩展将包含节能、设备等其他设计阶段;可扩展性指通过模型信息转换平台提取形成PMCAD格式结构模型,并形成底层建筑基本数据信息,其他下游设计专业在PKPM平台下可以提取所需信息,形成各自专业的数据模型(图7箭头方向),不再重复开发或构建与IFC格式建筑模型连接的单独通道,并通过信息的不断积累,整个ASIM框架可以扩展为覆盖范围更广、涉及阶段更长的基于BIM技术的信息子模型;兼容性是指ASIM的建立可以在建筑生命周期多个阶段被应用和扩展,比如,其建立的建筑基本对象(构件)数据信息不仅包含对象的几何信息,也包含对象之间的空间几何拓扑关系、造价和材料信息等,可以为建筑节能设计、施工管理、运营维护各阶段提取和应用.也就是说,基于ASIM框架的各阶段子模型可以兼容并用.

4 ASIM信息转换平台

4.1 转换平台开发流程

在ASIM集成框架体系中,模型信息转换平台对于整个体系的顺利运转起着重要的作用.模型信息转换平台(或称为数据信息应用开发接口)通过对建筑模型的底层建筑基本对象(梁、柱、板、墙、洞等)及其关系属性信息的提取和映射,为其他过程模型的发展构建了底层数据信息.因此,开发一个高效的信息转换平台或软件接口,对于ASIM各过程顺利的运转起着决定性的作用.

图8为模型信息转换平台的开发流程.转换平台的开发思路是在Visual C++环境下,创建与IFC标准最新版本EXPRESS实体类相一致的包含结构荷载描述的100多个C++类,并为每一个类编写Add()函数、转换功能函数、Construct()函数等;在Visual Fortran环境下,编写main()主函数,实现转换平台主程序的执行功能[17].Add()函数作用是将IFC文件中的实例读入到内存,并将IFC文件数据流中的字符解析为类所能理解的临时参数.Construct()函数则是按照临时参数的索引,提取内存中与对象相对应的地址,并分别赋予属性值.

4.2 模型信息转换实例

当前的模型信息转换平台是结合国内结构分析软件PKPM系列的PMCAD结构建模软件开发的,初步目标是实现IFC标准建筑模型与PMCAD结构模型的信息转换.具体来说,可以实现两方面信息的转换：一是读入IFC数据信息,形成PMCAD结构分析模型;二是读出PMCAD的数据信息,形成IFC格式的工程文件.由于IFC数据模型描述的复杂性,其中第一方面信息的转换为平台开发的重点,主要分为四个过程：①识别并读取IFC格式文件中梁、柱、斜杆、板、墙等基本对象信息以及墙上门、窗等洞口的几何信息、三维空间位置坐标信息、材料信息等;②判断梁、柱、斜杆、板、墙以及墙上的门窗等洞口楼层所属关系的信息;③分析并判断梁、柱、斜杆、板、墙以及墙上的门窗等洞口的连接关系;④对象之间的相交分析和节点归并简化处理.

图9为由IFC标准官方网站提供的IFC Engine Viewer软件打开的IFC格式的一栋小型结构建筑模型[18],图10为由笔者开发的模型信息转换平台所提取的这栋小型建筑的结构信息模型.当前的转换平台可以顺利提取规则建筑的梁、柱、板、墙、斜撑、洞口等基本对象(构件)的几何信息、材料信息、截面信息、对象之间关系属性信息,为结构设计阶段提供基本的数据信息,未涉及荷载、不规则构件等信息的转换.

图9 IFC格式建筑模型Fig.9 IFC-format architectural model

图10 提取的结构模型Fig.10 An extracted structural model

5 结语

通过分析建筑信息模型BIM技术的信息集成过程和特征,构建了一种面向工程设计阶段的建筑结构信息模型ASIM体系.分别对ASIM体系的运转流程和上层模型(建筑和结构)建模流程进行设计,通过开发的基于ASIM模型信息转换平台,转换建筑结构设计模型,验证了该体系的适用性,可以为基于BIM的协同设计和集成建筑工程软件的开发提供技术支持.

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