BIM 在钢结构详图设计软件开发中的实践

张晓龙 夏绪勇 马恩成

(建研科技股份有限公司，北京 100013)

1 引言

随着计算机技术的不断发展，BIM以先进的理念和对整个建筑行业生产效率的极大提升受到广泛关注[1-3]。与传统的2D模型设计相比，其最大的STXT，是国内自主版权的专业钢结构施工详图设计软件，其功能设计框图如图1所示，是以三维模型数据为核心，包括主要构件(梁、柱、支撑等)和细部连接零件(螺栓、焊缝、连接板、加劲肋等)，所有构件和连接零件采用了和真实结构相同的实体模型来优势是建立了真实的三维信息模型，直接通过三维模型提取需要的各项信息，同时便于检查、交互修改，能自动实现模型对象关联管理，模型数据能最大程度的共享。

目前国内深化设计基本都是停留在二维绘制状态，手工绘制强度非常大，而且由于钢结构形式多样，截面种类多，节点连接复杂，准确性也难以保证。如果能够借鉴BIM的理念，开发出优秀的详图设计软件，协助详图设计人员完成钢结构后期的加工、制作详图设计，不但能提升效率，还可以减少详图设计中的各类问题。

中国建筑科学研究院PKPM CAD设计软件事业部开发完成了钢结构详图设计软件STXT，下面将围绕着软件的相关功能特点进行介绍。

2 STXT软件设计思想

图1 钢结构详图设计软件框图

PKPM钢结构施工详图CAD/CAM软件表示，要绘制的施工图(构件施工详图、零件下料图、安装节点图、平面布置图、立面布置图、零件清单等)都可以由三维模型自动生成;可以产生用于数控机床加工的零件数据文件;可以导出详细的工程量统计表[4]。

STXT软件中，建立了内部连接类型库(目前已经达到381种):针对性强，涵盖了国内钢结构框架结构、钢结构工业厂房结构的常用节点形式;紧扣国内规范要求;参数设置简单明了，且根据选择的连接部位与截面给出了合理的初始参数，对可能出现矛盾的参数之间进行合理性关联。对于不能自动建立节点类型，软件提供了自定义创建的方式，适合于目前连接库中没有的各种复杂节点形式。用户可以交互的添加连接板、螺栓、焊缝，对构件、零件进行切割等操作，交互的创建各种连接形式。

钢结构详图设计软件STXT可以单独使用，也可以和PKPM结构设计软件配合使用，详图设计软件可以直接读取PMCAD或STS建立的三维技术模型;也可以读取SATWE、TAT、PMSAP三维分析软件的设计内力，自动完成全楼节点设计。

3 解决的核心技术

3.1 参数化建模

BIM技术的核心就是三维信息模型的建立，它是图形显示、交互以及后期施工图、工程量统计的基础，建立一个完整、精细的三维模型至关重要。

STXT软件在三维模型的输入方面分为三个层次:

(1)结构建模

提供了多种快速建模方式，能快速完成主结构建模，同时还提供专业的围护结构建模模块，图2为一个框架模型图。参数化的构件及截面描述，方便交互编辑，既能完成主结构模型，同时也能补充完成次要结构的输入，如楼梯、围栏、吊车梁等，如图3。同时还提供导入DXF网格数据、用户插件等多种辅助的建摸途径，能完成各类结构的模型建立;

(2)节点连接的创建

在节点连接的精细模型处理上，软件提供了丰富的内部节点库(目前已达381种)，通过交互选择关联构件及连接的类型，采用对话框参数化录入的方式直接建立，节点库涵盖了国内钢结构框架结构、钢结构工业厂房结构的常用节点形式;

(3)自定义方式创建

软件总结了各种连接组成对象的类型，除了各类型钢、常见零件板、螺栓、焊缝、弯折圆管等实体对象进行了参数化描述外，还包括了切割面、切割零件、各类标注、剖面等信息的详细描述及记录，方便对模型进行交互修改，对建立一个真实、完整、准确和精细的模型提供了保证。交互建立的模型对象可以定制为组件、连接，可以重复使用，还可以导入、导出在不同的工程中重复使用，提高效率。

图2 钢框架三维模型moxingmoxing模型

图3 楼梯等次结构

图4 模型管理图

3.2 以三维信息模型为核心的基本功能

(1)模型显示

在模型显示上分为模型空间、图纸空间两种模式。模型空间显示真实的三维几何模型，提供了多种显示方式，通过对象分类显示控制、ID区间过滤及选择集等方式来控制显示规模。图纸空间提供在建模过程中及时查看各类节点、构件、零件图纸，便于查看建模中的问题。

(2)碰撞检查

在钢结构详图设计软件中，构件及零件加工详图都是由三维模型直接产生，直接用于指导加工生产。建立的模型及连接节点是否合理，零件之间是否相互碰撞或螺栓安装是否留有足够的空间，都需要在节点连接创建时综合考虑，避免在安装加工时安装难度大或不合理碰撞情况。钢结构详图设计软件STXT中提供了模型碰撞检测及螺栓安装空间合理检验。可以在三维模型中非常直观的进行模型检查，避免建模和节点中存在的不合理问题[5]。

(3)生成图纸

STXT软件中图纸均为真实的三维模型直接变换消隐得到，和模型完全一致，建模时只要保证三维模型准确即可。建模完成后，STXT软件根据真实的三维模型进行全楼构件、零件的归并与编号，自动生成全套详图图纸，包括布置图、构件图、节点图、零件下料图，还提供了1∶1放样的DXF零件数据文件输出，可以应用于数控机床。

(4)工程量统计

软件可以根据三维信息模型及计算统计规则进行工程量统计，对全楼的构件中的用钢进行了详细的统计，输出内容包括零件截面尺寸、零件长度、钢号以及数量等信息。同时还给出全楼零、构件、螺栓、用钢量统计表、分类构件零件明细统计表等，统计的报表数据可以导入Excel表格方便用户进行后续的工程造价工作。

3.3 图纸管理

详图设计往往工期紧张、周期长，一个比较大的工程，高层的部分还处于设计，底层的已经开始加工、安装和施工了，在施工过程中，模型发生变更的事情时常发生，但是一部分图纸已经调图结束进入加工阶段，如何在后期变更模型时，尽可能的标识图纸的改动量，同时还保证准确性，是详图设计中一个核心问题。

STXT程序能自动对全楼构件、零件进行归并编号，可以修改构件编号前缀或起始编号，如图5所示。当模型或连接发生变化时，可以只对变化部分进行编号，未变化部分，编号可以保持不变。自动管理全楼构件、零件图。当连接变更、模型变更时，对于已出图纸，未变化部分可以选择保留，只更新变化部分图纸和增加新的图纸，如图6所示。

图5 编号设置

图6 图纸管理

3.4 协同作业

BIM不仅仅是在某个设计阶段的应用，而是贯穿整个生命周期内的各个阶段，实现高度数据共享。目前国内一些比较大钢构公司往往拥有结构设计与详图设计两个部门，同时一些设计公司也开始把业务扩展到详图设计领域。如果能够在详图设计阶段直接采用结构设计模型，既可以节省重复建模的工作，也可以避免二次建模有可能带来的错误，同时还能更好的就建模及细部处理中存在的各类问题与设计方进行交流[6]。

图7 读取PKPM结构模型及分析内力

目前国内设计主要还是采用PKPM的设计软件来进行辅助设计，钢结构详图设计软件STXT提供与PKPM设计软件的无缝接口，能载入PKPM结构模型与设计内力。设计建模采用PMCAD或者STS，设计采用三维分析软件SATWE、TAT或者PMSAP完成时，详图设计软件可以直接读取其三维模型，并且可以读取三维分析软件的设计内力，自动完成全楼节点设计，并提供详细的计算书。

4 结论

综上所述，可以得出以下结论:

(1)钢结构详图设计软件STXT，以三维模型数据为核心，能完成模型搭建、节点录入、加工详图生成、工程量统计等基本功能;

(2)提供了模型碰撞检测及螺栓安装空间合理检验。可以在三维模型中非常直观的进行模型检查，避免建模和节点中存在的不合理问题;

(3)详图设计由于工期紧张、周期长，往往存在设计后期模型变更的可能，软件提供的编号及图纸管理，能自动对变化模型单独编号，标示变化的图纸，解决了详图设计中的一个核心问题;

(4)软件能无缝衔接PKPM设计模型、分析模型以及STS的节点设计结果模型，使结构设计与详图设计能协同作业，避免了二次建模可能的错误，提高了效率，缩短了工程周期，节约了成本，为设计方和施工方的合作提供了一种新的可能。

[1]雷丽英，焦安亮，黄延铮等.构件建筑行业数据元 实现企业基础信息共享[J].土木建筑工程信息技术，2009，1(2):102-105.

[2]苏骏，叶红华.基于BIM的设计可视化技术在世博会德国馆中的应用[J].土木建筑工程信息技术，2009，1(1):87-91.

[3]龙辉元.BIM技术应用于结构设计的探讨与案例[J].土木建筑工程信息技术，2010，2(4):89-93.

[4]夏绪勇，马恩成，陈玉林.钢结构详图设计的开发和功能介绍[J].第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集，2008:464-469.

[5]张晓龙，马恩成，夏绪勇等.钢结构三维模型碰撞检测技术研究及应用[J].土木建筑工程信息技术，2009，1(2):51-54.

[6]张晓龙，马恩成，夏绪勇等.钢结构深化设计与STXT软件应用[J].全国钢结构设计与施工技术学术交流会论文集，2011，8:172-176.