基于ABD 的BIM物理模型与结构分析模型数据链接的案例分析

杨鹏飞 张洪伟 高兴华

(1.北方工业大学，北京100044;2.中国建筑标准设计研究院，北京100048)

1 引言

BIM核心建模作为一种创新的工具生产方式，涵盖了与项目相关的大量信息，服务于建筑项目的设计、建造安装、运营等整个生命周期，结构有限元分析软件主要用途为结构设计和施工图，以下将详细探讨BIM核心建模软件与结构有限元分析软件的关系，以及用实例阐述怎样实现二者的数据共享。

2 BIM技术在结构设计中的应用流程以及存在的问题

应用BIM技术实现结构设计，与传统二维设计有着较大的出入。BIM设计由建筑师提供建筑信息模型，结构工程师根据建筑模型进行删减、修改以及再布置，增添结构分析属性，建立BIM结构模型。通过数据接口将所建模型导入到有限元分析软件中，分析软件通过计算、分析，将分析后的结果推送回BIM核心建模软件，其详细过程见图1。

BIM建模有着“所见即所得”的强大优势，而这里的“得”是指几何信息和非几何信息，换句话说也就是结构专业中常提到的物理模型和分析模型。结构分析软件是结构专业的专业软件，所建模型是经过简化后的分析模型。由于分析模型中包括了大量第三方分析程序所要求的各种信息，如:荷载、荷载组合、边界条件，这就使得工具软件中采用的参数更加繁多，软件之间的无缝链接很难完成，物理模型与结构分析模型双向链接的优点不能真正得到发挥，而这又是结构工程师希望的功能。

图1 BIM技术在结构设计中的应用流程

3 台湾某GGH电厂工程数据共享案例

以下为台湾某GGH电厂工程实例，通过该实例说明BIM核心建模软件与结构分析软件的数据共享问题，以及BIM结构工程师在创建模型时应注意的技术方法和存在的问题。

3.1 工程背景简介

GGH，是烟气脱硫系统中的主要装置之一。它的作用是利用原烟气将脱硫后的净烟气进行加热，使排烟温度达到露点之上，减轻对进烟道和烟囱的腐蚀，提高污染物的扩散度;同时降低进入吸收塔的烟气温度，降低塔内对防腐的工艺技术要求。

本工程为中国台湾台北县林口电厂重建项目(3X800MW锅炉单位)(钢结构，高度9.9m)。由于该工程属于电厂工程，贯通整个结构的电力设备及管线较多，并且错综复杂，因此采用BIM技术解决其间大量的碰撞问题。依照BIM项目设计工作流程，首先在BIM核心建模软件ABD中进行建模，通过数据接口将BIM模型导入到STAAD.Pro中进行结构计算，将计算及优化后的模型通过数据接口更新BIM模型。通过BIM核心建模软件与结构分析软件的数据共享，使模型统一化，并减少结构工程师的工作。

3.2 创建BIM结构模型的技术处理方法

创建BIM结构模型不是单纯的建模，在创建模型时需考虑分析属性，对于不同部位的构件要分开创建。本实例中涉及到柱、主梁、次梁、撑等多种构件，在创建模型时选择正确的分类后，软件会将构件的边界条件自动释放，例如选择次梁，系统会自动将其两端的约束释放掉。对于大部分构件的边界条件，软件的处理均可满足条件。但是对于特殊结构部位的杆件，在BIM模型中创建完成后是无法满足结构要求的，这需要在导入结构计算软件后进行人工的干预，对不能满足要求的部位需要进行修改，从而满足结构计算的要求。例如在本工程中，为了满足需要，截面较大的钢柱上要创建两个截面较小的钢柱，见图2。导入STAAD.Pro中需要对分析模型进行修改，将两截面较小的钢柱与截面较大的钢柱用假定的杆件进行连接。

图2 ABD中所建特殊部位的结构模型

除此之外，在BIM核心建模软件可以施加结构荷载和组合方式，但是对于地震荷载只能在结构分析软件中添加。因此结构工程师可以选择在BIM核心建模软件中添加一部分荷载，也可以全部在结构分析软件中进行统一添加。

3.3 BIM结构模型与分析模型的数据交换

在BIM核心建模软件中创建满足要求的结构模型后，通过数据接口将数据导入到结构分析软件中。ABD提供了结构应用设计规范和相关设计参数的选择，在输出 STAAD.PRO之前，ABD依靠OpenSTAAD API来作为一种读写STAAD.PRO的方法。在导出分析程序的设计工具“设计选项”的设置中，将设计代码数据映射成参数，可在任何时间修改单个构件或构件选择集的这些参数，见图3。

图3 修改各参数对话框

本工程由多个钢支架组成，且各部分间多数没有相互作用。因此采用分别创建、分别导入的方法进行工作。由于BIM核心建模软件对硬件要求较高，对于超大模型可采用“楼层叠加”方法分两次转换，并进行人工组合。图4为该项目在ABD中所建的结构模型，图5为通过数据共享导入STAAD.Pro中的分析模型。

图4 ABD中所建的结构模型

图5 导入STAAD.Pro中的分析模型

图6为该工程中较为复杂的结构，对于复杂部位ABD中所见模型不能满足结构要求的，需要在STAAD.Pro中进行修改。该图为修改、计算后分析模型，图7为导入ABD中的结构信息模型。

图6 修改、计算后的STAAD.Pro分析模型

通过本工程实例，在ABD与STAAD.PRO的互导实践中。我们不难发现，其互导内容包括:分析构件、荷载、荷载工况、荷载组合、构件约束、边界条件，甚至像构件偏移这样的物理属性也应能够被转化。这意味着这两者之间不仅能实现物理模型间的互导，同样能实现分析模型的互导。并且对于常规模型基本能实现无缝连接，对于特殊结构需要人为的干预、修改，以满足结构计算要求。

图7 导入ABD中的结构信息模型

Bentley开发的另一种ISM数据格式，其支持第三方应用，且提供ISM平台可供管理和修改模型。但是创建结构模型时，用于生成计算模型的梁柱等一定要附加分析特性，否则将不能被输出为ISM模型对象。在STAAD.Pro模型中因设计需要修改模型时，如还需后续更新ISM模型，就只能修改杆件的截面尺寸;不能新建，移动和删除模型，否则会造成ISM模型同步错误。新建、移动和删除模型的工作可以回到Structure Modeler完成，然后更新ISM模型，再由STAAD同步更新计算模型。目前版本分析特性的意义只限于带截面的几何模型，即物理模型。不包含用于计算的杆件端部约束释放和荷载，在ABD中建立这些属性是徒劳的。因此本文没有将这种数据格式作为重点探讨。

4 BIM核心建模软件与结构分析软件链接的实现方式及技术需求

BIM核心建模软件与结构分析软件无缝链接的实现能解决结构工程师在BIM设计中重复建模问题，从而使整个结构设计模型统一，以便于修改和管理。

4.1 二者链接的实现方式

BIM核心建模软件与结构分析软件的链接的实现其实就是对二者信息的提取和过滤，从而实现二者的映射和联动。BIM模型提供大量的信息，将其中的结构信息筛选出来较为困难。而分析模型导入BIM模型中相对简单。例如:ABD与STAAD.Pro的链接主要通过截面映射、国家代码分配、设计规范和设计参数等步骤完成。

4.2 技术需求分析

虽然上述工程案例基本实现了BIM模型与分析模型的转化，但是结构设计中本土化较好的分析软件与BIM核心建模软件的链接多数只停留在物理模型的转化阶段，二者不能实现完全的无缝链接。不考虑设计阶段我国特有的平法出图问题，单从结构设计阶段考虑，根据切身的BIM工程经验和反馈，列出表1中的技术需求。

表1 链接需求功能统计

5 总结和建议

(1)BIM核心建模软件与结构分析软件主要通过多个文件映射实现数据共享。尽量加入少量的工作量实现简单结构的互导。

(2)复杂结构单元的定义要制定标准，规范参变量的名称和涵义，以便不同软件之间进行数据交换和共享，实现BIM技术价值最大化。

(3)BIM核心建模软件与国内主流结构有限元计算软件连接问题，亟待解决。

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[2]北京盈建科软件有限责任公司，YJK结构设计软件帮助文档.

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