建筑工程结构设计BIM数据交换SIM标准

方长建,赖逸峰,康永君,赵一静

(中国建筑西南设计研究院有限公司,四川 成都 610042)

近年来,BIM(Building Information Modeling)技术被广泛应用于建筑工程设计,其具备的可视化、协调性、模拟性优势,较之于传统设计方式更符合当前建筑工程设计需求。为规范BIM数据存储和管理,bSI(building SMART International)研究并发布IFC(Industry Foundation Classes)标准,以定义和囊括建筑工程全生命周期中所有数据,并通过中间格式文件.ifc进行数据交换。针对结构设计,IFC包含了结构构件信息和结构分析模型信息,在理论上具备结构设计数据完整性[1]。然而,该标准在主流BIM软件之间进行数据交换时存在信息传递不一致的现象[2],在实际应用中也存在数据丢失、数据失真等问题,无法满足设计需求[3]。此外,IFC文件一方面缺乏构件节点、结构偏压、结构计算指标等信息,难以支撑结构施工图设计,另一方面又包含大量场地、环境、设备等结构设计以外的冗余数据,导致储存文件过于庞大,严重影响数据交换的效率。

同时,现行国产结构计算软件输出格式庞杂,无法通过IFC与BIM设计软件进行有效的交互,迫使结构设计人员并行维护两套模型,结构计算软件与BIM设计软件间的数据壁垒阻碍了BIM技术在结构设计中的深度应用[4]。为解决以上问题,不同学者采用建立映射的方式实现软件间结构数据的交互：陈家烨通过二次开发实现Revit软件与其团队研发的结构分析程序之间信息交互[5]；韩文洋运用Sqlite和Visual C++实现偏心数据从通用结构分析模型SGF到IFC结构模型的转换[6]；孟晓晔通过建立基于模型视图定义(MVD)的三级模式,实现PKPM-BIM平台底层数据与IFC实体的映射[7]。然而,BIM结构设计往往采用多款结构计算软件和设计软件,以上针对特定两款软件实现数据交互的方法在面对多款软件时,将带来几何倍数增长的开发量,并不适合建筑设计企业采用。

目前,BIM类国家标准已基本建立完成。国家“十五”科技攻关项目《建筑业信息化关键技术研究与示范》系统研究了IFC标准,并按照我国规范表达要求进行本土化,形成了我国第一本BIM标准《工业基础类平台规范》[8]。随后,住建部参考IFC标准符合国内建筑行业需求的《建筑工程信息模型存储标准》,规定了模型信息的组织与存储格式[9]。同时,参照IFC标准体系,进一步制定本土化的IDM，MVD标准《建筑工程设计信息模型交付标准》,以规定在建筑工程规划、设计过程中,BIM各阶段数据的建立、传递和读取[10]。不难看出,基于中间格式文件的数据交换方式得到了政策的推广支持。由此,赵华英等人以BIM结构设计企业级标准为切入点,建立了BIM结构设计企业级标准的研究框架[11]。然而,现有研究仍缺乏BIM结构设计所需数据类型和实体的具体定义,BIM结构设计企业级标准无法真正落地应用。因此,从设计需求出发建立适用的企业级结构设计BIM数据交换标准,是顺应我国BIM发展趋势,解决BIM结构设计数据交换问题的最佳方式。

因此,为解决结构设计数据交互问题、避免结构设计人员在实际工程中同时维护多个模型,本研究首先从结构初步设计和施工图设计的数据交换需求出发,梳理结构设计信息,搭建精简的数据架构。随后,通过数据类型定义和数据实体定义共同描述结构设计信息,建立《CSWADI结构设计数字化交换标准SIM》。最后,基于SIM标准研发PKPM，YJK等软件数据接口,实现结构计算软件间及结构计算软件与BIM设计软件的数据交换,以验证本研究成果。

1 结构设计数据交换需求

1.1 初步设计数据交换需求

BIM技术的出现使建筑工程设计从二维走向三维,各专业逐步采用BIM技术进行协同设计,以满足日趋繁复的建筑工程需求。然而,BIM设计软件缺乏对复杂结构的分析能力,结构设计仍需采用专业的计算软件,致使结构设计师需在修改结构计算模型的同时,同步维护BIM设计模型,双模一致性难以保证。此外,复杂结构往往采用多个结构计算软件进行复核计算,设计人员多次建模造成资源极大浪费。因此,本研究针对初步设计,分析结构计算软件间及结构计算软件与BIM设计软件的数据交换需求,并探究具备数据完整性的信息交换与共享方式(如图1所示)。

图1 结构设计数据交换需求

1.1.1 结构计算软件间数据交换需求

通过结构计算软件间数据交换,将一次建模所得的成果传递到多个计算软件中,以避免重复建模。因此,该类数据交换需包含的软件环境信息、构件几何信息、材料信息和计算参数信息等一致。

1.1.2 结构计算软件与BIM设计软件数据交换需求

结构计算软件与BIM设计软件进行数据交互,形成兼具计算与设计信息的综合模型。因此,该类数据交换需包含软件环境信息、构件几何信息、材料信息,形成完整的综合模型,为下阶段进行施工图设计奠定数据基础。

1.2 施工图设计数据交换需求

结构施工图是结构设计的主要成果。传统施工图设计时,需在结构计算软件中进行建模分析,并将计算结果导入CAD软件中进行施工图绘制,图模分离的模式导致计算模型修改后需重新绘制施工图。基于BIM的结构设计方式实现图模联动,计算模型修改后的信息可直接在施工图上呈现。因此,本研究针对施工图设计,从结构计算结果信息完整性角度出发,探究基于BIM的结构施工图设计信息交换与共享方式。

通过数据交换,计算结果准确传递至BIM设计软件,以进行施工图设计。因此,该类数据交换主要为计算结果信息,其中既应包含钢筋代号、钢筋直径、钢筋级别等描述性数据信息,也应包含梁组数据、梁段数据、吊筋等非描述性数据信息。

2 SIM标准

2.1 SIM标准体系

为解决IFC标准信息传递不一致，缺乏结构设计必要信息，包含大量冗余数据的问题,本研究从设计需求出发,建立企业级标准《CSWADI结构设计数字化交换标准SIM》(以下简称SIM标准)。SIM标准是一种开放的数据模型标准,采用基于对象的描述方式表达复杂的建筑信息,是BIM结构设计中信息交换和共享的基础。在BIM标准体系中,SIM标准与IFC标准的作用和功能类似,即为实际项目信息交付IDM提供完整的数据定义基础和来源。但较IFC庞大的数据架构而言,SIM标准在数据关系描述上更为简洁。IFC标准数据架构由4个层级组成,每个层级的对象概念按照类型、实体、函数、规则、属性集和量集六大类展开,搭建IFC数据模型；而SIM标准精简地采用类型、实体建立数据架构,并结合函数共同描述结构设计信息,搭建SIM数据模型。此外,IFC以全生命周期、全专业数据交换为目标,难以快速应用落地,而SIM作为设计需求导向型标准已在BIM结构设计中实现良好应用。

SIM使用形式化的数据规范语言EXPRESS来描述建筑产品数据,能够满足BIM结构设计应用需求。EXPRESS语言提供了一种中性机制,可以与各种编程环境(如C,C#和FORTRAN等)衔接,不同编程环境中的数据可以通过EXPRESS语言数据文件进行交互。此外,EXPRESS语言在能够被计算机编译的同时,具备可读性,利于作为SIM标准的编译语言。同时,SIM标准引用或参考了以下标准：

(1)GB/T 16656.11—2010/ISO 10303—11:2004 工业自动化系统与集成产品数据表达与交换第11部分：描述方法：EXPRESS语言参考手册；

(2)GB/T 16656.21—2008 工业自动化系统与集成产品数据表达与交换第21部分：实现方法交换文件结构的纯正文编码；

(3)GB/T 25507—2010/ISO/PAS 16739:2005 工业基础类平台规范。

2.2 SIM标准数据架构

SIM标准的数据架构分为两大部分：“数据类型定义”和“数据实体定义”。本标准首先通过“数据类型定义”统一属性的数据类型,进而通过“数据实体定义”规定数据实体的属性集合,最终多个数据实体共同描述结构设计项目所需的信息。其中,“数据类型定义”对数据实体中无法通过单一数据类型描述的属性进行名称和取值范围的统一；“数据实体定义”对属性集合的映射及储存方式进行统一。“数据类型定义”和“数据实体定义”相辅相成,共同实现结构计算软件间及结构计算软件与BIM设计软件的数据交换。

SIM标准具体定义内容：

(1)“数据类型定义”包括“钢筋类型定义”和“计算参数数据类型定义”：

1)“钢筋类型定义”规定钢筋属性的数据类型。其中,采用String类型描述钢筋代号、钢筋直径、纵向钢筋、分布钢筋、箍筋5个属性；采用Logical类型建立纵向钢筋、分布钢筋和箍筋的函数定义,并采用Function函数判断该类钢筋表示方式的正确性,如判断该钢筋是否满足箍筋的数据类型要求。

2)“计算参数数据类型定义”规定数据实体中非常规属性的取值范围。具体采用Enumeration类型映射设计信息、配筋信息、总信息、调整信息、活荷载信息、风荷载信息、基本信息、地震信息8种数据实体中非常规属性的取值范围,如设计信息中所含的柱配筋计算原则和柱剪跨比计算原则。

(2)“数据实体定义”规定数据实体的属性集合,属性按类型分为显式属性和导出属性。其中,显式属性直接获得,导出属性需采用一定映射规则处理显式属性后获得。上述定义包括“计算参数数据实体定义”和“几何数据实体定义”：

1)“计算参数数据实体定义”规定结构计算的预设参数和相应计算结果构成的数据实体,包括总信息、风荷载信息、地震信息、活荷载信息、调整信息、配筋信息、设计信息、荷载组合信息和地下室信息9种数据实体。以设计信息为例，计算参数数据实体定义如表1所示。

表1 设计信息数据类型定义

2)“几何数据实体定义”规定结构设计几何信息的数据实体,包括节点、标准截面、墙截面、标高、内力、梁、墙梁、梁段和梁组9种。

为实现高效的结构设计数据交换，SIM标准通过数据类型和数据实体搭建数据架构(图2)，辅以函数共同描述并存储结构设计信息，以精炼简洁的方式完整描述项目结构设计阶段数据，与IFC标准描述项目全生命周期、全专业的数据有显著区别。

图2 SIM标准结构设计信息模型数据架构

2.3 SIM标准体系

SIM标准根据设计需求精简数据架构,按照使用功能,可将数据分为类型、函数、实体。类型和函数构成“数据类型定义”,描述数据实体中非常规属性的名称和取值范围,使数据类型得到统一；实体用于“数据实体定义”,通过属性集合描述并存储结构设计信息。下文以“配筋信息”为例,详细描述SIM标准定义方法：

“配筋信息”：在结构计算结果中,配筋信息包括钢筋级别、钢筋数量、钢筋强度、钢筋间距等属性。其中钢筋级别(如“HRB335”)无法通过单一数据类型表达,因此在转换为中间格式文件.sim时,需通过“数据类型定义”扩展其在本标准中专用的数据类型：

(1)“数据类型定义——钢筋级别”：

1)命名方式：本标准以帕斯卡(Pascal)命名法为依据,对数据类型和数据实体命名(如图3，4所示),以满足计算机可读性,即当命名由两个或两个以上单词组成,每个单词首字母大写。如图3，4所示,数据类型命名由标准前缀Sim、数据类型名称和数据格式后缀组成；数据实体命名由标准前缀Sim、数据实体名称组成,符合中文使用习惯。

图3 SIM标准数据类型命名方式

图4 SIM标准数据实体命名方式

2)枚举项定义：描述常用的7种钢筋级别及对应的强度,以作为钢筋强度数据实体属性映射的依据：

HPB235：HPB235普通钢筋,抗拉强度设计值fy=210 N/mm2；

HPB300：HPB300普通钢筋,抗拉强度设计值fy=270 N/mm2；

HRB335：HRB335普通钢筋,抗拉强度设计值fy=300 N/mm2；

HRB400：HRB400普通钢筋,抗拉强度设计值fy=360 N/mm2；

HRB500：HRB500普通钢筋,抗拉强度设计值fy=435 N/mm2；

CRRS550：CRRS550冷轧带肋钢筋,抗拉强度设计值fy=400 N/mm2；

CRRS600：CRRS600冷轧带肋钢筋,抗拉强度设计值fy=415 N/mm2。

3)EXPRESS描述：

*)

TYPE SimRebarGradeEnum=ENUMERATION OF

(HPB235,

HPB300,

HRB335,

HRB400,

HRB500,

CRRS550,

CRRS600);

END_TYPE;

(*

(2)“数据实体定义——配筋信息”：本标准中配筋信息共包含24个属性,按数据来源可分为16个显式属性和8个导出属性,分别见表2，3。配筋信息的属性由对应的数据类型储存,包括本标准中专用的数据类型 (如钢筋级别) 和通用数据类型(如实数)。本文以SC，Fyb，RsyB和SWH四个属性分别代表显式属性、导出属性、专用数据类型和通用数据类型进行案例描述。

表2 “数据实体定义——配筋信息”显式属性

表3 “数据实体定义——配筋信息”导出属性

1)属性定义：描述数据实体属性集合中属性的名称和取值范围。下文以SC，Fyb，RsyB和SWH为例：

SC：柱箍筋间距(mm)：100;

Fyb：梁主筋强度(N/mm2)：360.0;

RsyB：梁主筋级别：可取1～7;

SWH：墙水平分布筋间距(mm)：200；

2)EXPRESS描述：对“数据实体定义——配筋信息”包含的属性及其对应的储存数据类型进行描述,其中DERIVE声明后为导出属性。下文示例中,首先定义Fyb数据类型为实数,随后通过CASE函数建立钢筋级别与钢筋强度映射关系以获得Fyb取值：

*)

ENTIY SimSteelInformation;

SC:REAL;

RsyB:SimRebarGradeEnum;

SWH:REAL;

WHERE

DERIVE

Fyb：REAL；

CASERsyB OF

HPB235:Fyb := 210;

HPB300:Fyb := 270;

HRB335:Fyb := 300;

HRB400:Fyb := 360;

HRB500:Fyb := 435;

CRRS550:Fyb := 400;

CRRS600:Fyb := 415;

OTHERWISE:Fyb := -1.0；

END_CASE;

END_ENTITY;

(*

3)中间格式文件.sim示例：“**”——注释数据实体名称；“#1”——数据实体编号；“()”——实体中各属性的实际值：

**SimSteelInformation——配筋信息

#1=SimSteelInformation(3,3,3,3,3,3,3,3,100.0,100.0,200.0,0.3,0.25,3,0.4,1.0,360.0,360.0,360.0,360.0,360.0,360.0,360.0,360.0);

3 SIM标准验证

本研究根据SIM标准开发PKPM，YJK的数据接口,通过中间格式文件.sim实现结构计算软件到BIM设计软件的数据交换。以四川省成都市某住宅项目为例进行实例验证,该项目为框架结构,地上2层,主体结构采用PKPM系列SATWE软件进行结构分析,计算完成后,通过数据接口将PKPM计算结果转换为中间格式文件.sim,导入YJK进行复核计算,最终完成初步设计。随后,通过自研插件将中间格式文件.sim导入Revit中,自研插件自动提取中间格式文件.sim中的几何和非几何数据,在Revit中自动建立BIM设计综合模型,以进行施工图设计,具体数据交换过程如图5所示。

图5 基于SIM标准的几何数据转换

以梁配筋信息数据交换为例,在PKPM中完成初步设计后,导出包含结构计算结果的.OUT格式文件,并通过数据接口将.OUT文件转换为中间格式文件.sim。该项目的中间格式文件.sim中与梁相关的数据实体共259个,包含项目总信息(#1)、节点信息(#2—#139)、梁标准截面信息(#140—#149)、层信息 ( #150—#152 )、梁信息(#153—#259)。最后,通过自研的Revit插件将.sim文件导入Revit软件中自动生成BIM设计模型(如图6所示),并通过插件功能自动完成平法施工图设计(如图7所示)。以上过程中,基于.sim中间格式文件实现PKPM to.sim，.sim to YJK，.sim to Revit共3次数据交换,各次交换数据准确一致(如图8所示),并通过自动生成BIM模型及梁平法施工图两项对交换后数据的应用,展示本文成果在实际工程中的实用价值。

图6 基于SIM标准的非几何数据转换

图7 基于SIM标准的Revit施工图设计

图8 跨软件数据一致性验证

4 结 论

本文从设计需求出发,建立企业级结构设计BIM数据交换标准《CSWADI结构设计数字化交换标准SIM》,并基于该标准研发PKPM，YJK等软件的数据接口,通过中间格式文件.sim实现数据交换,有效提高设计效率。同时,本标准在BIM结构设计中的成功应用也为多专业BIM设计数据交换和信息集成奠定了基础。

目前,本标准仅覆盖结构设计所需数据,实现结构计算软件间及结构计算软件与BIM设计软件数据交换。然而,相较于IFC标准,SIM标准去繁就简,仅包含结构设计的必备数据,全面性有所不足,跨专业应用有所局限。因此,下一步将基于本标准架构进行结构专业内和多专业扩充,扩大标准覆盖面,提高标准综合性。未来,涉及建筑工程设计多专业的SIM标准,可规范基于BIM的多专业设计信息和实现结构化存储,并通过自研SIM标准数据接口实现专业间数据交换和信息集成,为围绕SIM标准打造建筑工程BIM数据应用生态奠定基础,从而进一步推动BIM技术在建筑工程设计中的广泛应用和全面发展。