建筑物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型的數(shù)據(jù)映射研究

秦 領(lǐng) 劉西拉

(上海交通大學(xué)土木工程系,上海 200030)

1 引言

建筑與結(jié)構(gòu)是建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段最重要的兩個(gè)上游專(zhuān)業(yè)。它們的設(shè)計(jì)內(nèi)容與變更方案是建筑物全生命周期中其他各個(gè)專(zhuān)業(yè)和階段的基礎(chǔ)和前提。例如機(jī)電專(zhuān)業(yè)的管線(xiàn)綜合,除了專(zhuān)業(yè)內(nèi)的碰撞檢查,隨著建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變更,常常需要與建筑構(gòu)件與結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行碰撞檢查。而作為建筑物的真實(shí)物理模型,尤其是在工程設(shè)計(jì)的前期,建筑模型與結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)交換就更加頻繁。在結(jié)構(gòu)模型中,所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何信息,如墻、柱、梁、板的幾何定位必須以建筑模型為依據(jù),大多數(shù)情況下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸應(yīng)滿(mǎn)足建筑設(shè)計(jì)的功能要求,盡可能與建筑設(shè)計(jì)保持一致。另一方面,在大型復(fù)雜工程項(xiàng)目中,結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜程度使得結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)在前期方案設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)階段變得更加重要。因此,若能在建筑模型與結(jié)構(gòu)模型的交互環(huán)節(jié)中節(jié)省時(shí)間和成本,提高精度和質(zhì)量,對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)效率的提升將具有較大的推動(dòng)。

建筑師的建筑物理模型與結(jié)構(gòu)工程師的結(jié)構(gòu)分析模型,在很多情況下仍然缺乏高效的數(shù)據(jù)集成方案。目前的普遍情況是,建筑師完成三維的建筑模型/效果圖或者二維的建筑圖紙,結(jié)構(gòu)工程師基于各種表達(dá)的建筑方案,在結(jié)構(gòu)分析軟件中從零開(kāi)始建模,去除建筑的元素,保留結(jié)構(gòu)的元素,以結(jié)構(gòu)分析結(jié)果指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及二維結(jié)構(gòu)施工圖的繪制,甚至反饋至建筑師以改進(jìn)建筑方案。這樣的過(guò)程勞動(dòng)重復(fù)、耗費(fèi)時(shí)力,且模型缺乏高效的反饋、監(jiān)視與聯(lián)動(dòng)。

在三維建筑建模/結(jié)構(gòu)分析軟件逐漸流行、各類(lèi)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)接口蓬勃發(fā)展的今天,BIM(Building Information Modeling)[1]技術(shù)在前期概念設(shè)計(jì)/初步設(shè)計(jì)階段[2]以及后期施工階段[3-4]取得了一些應(yīng)用和進(jìn)步,但在中期最基本、最迫切的建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的數(shù)據(jù)集成方案仍然缺乏。國(guó)際協(xié)作聯(lián)盟(IAI)提出的行業(yè)基準(zhǔn)分類(lèi)(Industry Foundation Classes,IFC)[5]為多領(lǐng)域應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)互用提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ),被認(rèn)為是迄今為止最全面和最具潛力的 BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上有學(xué)者[6-8]針對(duì)設(shè)計(jì)階段建筑師與結(jié)構(gòu)工程師的協(xié)同設(shè)計(jì)目標(biāo),進(jìn)行了一些基于 IFC的應(yīng)用研究,但在建筑物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型的數(shù)據(jù)映射以及多種結(jié)構(gòu)分析模型與 IFC建筑模型的數(shù)據(jù)集成方面,仍然缺乏有效的解決方案。

本文將研究建筑物理模型與結(jié)構(gòu)物理模型之間、結(jié)構(gòu)物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型之間的異同與映射關(guān)系。在這些映射關(guān)系下,實(shí)現(xiàn)基于IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的 BIM平臺(tái)與本文提出的基于 XML的通用結(jié)構(gòu)分析模型(SGF)平臺(tái)的通信和互用。同時(shí),建立 SGF與多種商用結(jié)構(gòu)分析模型的數(shù)據(jù)映射框架,最終實(shí)現(xiàn)多種建筑物理模型與多種結(jié)構(gòu)分析模型的數(shù)據(jù)集成。

圖2 IFC建筑模型與結(jié)構(gòu)分析模型的雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

2 一般建筑模型與一般結(jié)構(gòu)模型的信息對(duì)比

在設(shè)計(jì)過(guò)程中,建筑師與結(jié)構(gòu)工程師的工作相對(duì)獨(dú)立,設(shè)計(jì)目標(biāo)也不同。建筑師專(zhuān)注于建筑物的宏觀體量以及各類(lèi)建筑元素在空間上的布置以追求更優(yōu)秀的建筑物理性能;結(jié)構(gòu)工程師專(zhuān)注于結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析并將分析結(jié)果應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)甚至反饋至建筑設(shè)計(jì)。雖然建筑設(shè)計(jì)是上游,結(jié)構(gòu)分析/設(shè)計(jì)是下游,但它們是設(shè)計(jì)階段中聯(lián)系最密切和最具決策意義的專(zhuān)業(yè),無(wú)論怎樣變更,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都必須滿(mǎn)足最終建筑設(shè)計(jì)的空間幾何方案,建筑設(shè)計(jì)也不能偏離最終結(jié)構(gòu)分析/設(shè)計(jì)/優(yōu)化的結(jié)果。

圖1顯示了同一辦公樓在建筑模型與結(jié)構(gòu)模型中的不同表達(dá)。很顯然,建筑模型與結(jié)構(gòu)模型包含了可以共享的結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息,還包含了各自所特有的信息。建筑師在建筑模型中包含了結(jié)構(gòu)構(gòu)件與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何、截面、材料等信息;結(jié)構(gòu)工程師在結(jié)構(gòu)模型中除了包含為保證結(jié)構(gòu)安全、傳遞各種荷載的結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件之外,還需包含在建筑物使用生命周期中可能承受的各種荷載工況及其組合信息、假定的幾何邊界條件信息以及待修改的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何、截面、材料等信息。

建筑模型中共享的結(jié)構(gòu)信息是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何、截面和材料信息;而荷載信息,如靜荷載、活荷載、地震荷載、風(fēng)荷載等則是建筑模型中所沒(méi)有的,需要結(jié)構(gòu)工程師依據(jù)相應(yīng)的荷載設(shè)計(jì)規(guī)范,通過(guò)所應(yīng)用的結(jié)構(gòu)分析/設(shè)計(jì)軟件添加;結(jié)構(gòu)有限元模型中的幾何邊界條件也是建筑模型中所沒(méi)有的,結(jié)構(gòu)工程師需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求在結(jié)構(gòu)模型中添加;在結(jié)構(gòu)分析/設(shè)計(jì)實(shí)踐中,結(jié)構(gòu)工程師有時(shí)需要修改原建筑模型中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置、增加或刪除部分受力構(gòu)件、修改已有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸。

圖1 某辦公樓的建筑模型與結(jié)構(gòu)模型表達(dá)

3 結(jié)構(gòu)分析模型信息的獲取

在基于 IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建筑信息模型中,建筑師和結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)共享 IFC標(biāo)準(zhǔn)互用層中共享建筑構(gòu)件模塊(IfcSharedBui-ldingElements)中的信息,進(jìn)而為其他下游專(zhuān)業(yè)的信息模型提供支持。圖2所示為 IFC建筑物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型雙向的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程。其中從 IFC建筑物理模型到結(jié)構(gòu)分析模型的正向轉(zhuǎn)換至少包含了兩個(gè)主要步驟:

(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的提取和結(jié)構(gòu)物理模型的建立。從 IFC建筑物理模型的共享建筑構(gòu)件中提取結(jié)構(gòu)構(gòu)件,組合成整體的結(jié)構(gòu)物理模型;

(2)結(jié)構(gòu)分析模型的建立。對(duì)結(jié)構(gòu)物理模型做合理的調(diào)整、簡(jiǎn)化、離散,添加荷載與幾何約束條件,組合成可供常用結(jié)構(gòu)分析軟件使用的結(jié)構(gòu)分析模型。

3.1 從 IFC建筑模型數(shù)據(jù)文件中提取結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息

結(jié)構(gòu)構(gòu)件在基于建筑物理模型表達(dá)和基于結(jié)構(gòu)分析模型表達(dá)的 IFC模型文件中的描述是不一樣的。雖然一些支持 IFC標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)分析軟件可以直接輸出結(jié)構(gòu)分析模型類(lèi)型的 IFC模型文件,但是絕大多數(shù)的建筑軟件卻做不到,它們僅僅能夠輸出建筑物理模型類(lèi)型的 IFC模型文件。因此,從 IFC建筑模型數(shù)據(jù)文件中提取結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息并建立結(jié)構(gòu)物理模型的基本框架是必要的。

圖3 IFC標(biāo)準(zhǔn)中定義的主要建筑構(gòu)件

圖3所示為 IFC標(biāo)準(zhǔn)定義的主要建筑構(gòu)件。黃色部分所示的 IfcBeam、IfcColumn、IfcWall和 IfcS-lab,它們是建立結(jié)構(gòu)物理模型的基本依據(jù)。而其他的建筑構(gòu)件如 IfcRoof、IfcWindow等被直接過(guò)濾(包括 IFC2x2中開(kāi)始定義的 IfcPlate,它一般指附屬的非結(jié)構(gòu)板,例如金屬/玻璃嵌板)。另外,有一種特殊的構(gòu)件 IfcOpeningElement在 IFC模型中被定義為任何實(shí)體對(duì)象中的開(kāi)洞、凹?jí)K或鏤空。在結(jié)構(gòu)物理模型中,IfcOpeningElement通常代表剪力墻上的門(mén)/窗洞,也必須從 IFC模型文件中提取。在提取結(jié)構(gòu)構(gòu)件的過(guò)程中,需遍歷 IFC模型文件中的各類(lèi)構(gòu)件實(shí)例(通過(guò)實(shí)例號(hào)#xxx),提取它們的局部坐標(biāo)系定位(通過(guò)多個(gè) IfcLo-calPlacement對(duì)象的嵌套引用和坐標(biāo)變換)、形狀表達(dá)(通過(guò)具體的 IfcShapeRepresenta-tion對(duì)象指派)以及相關(guān)的材料屬性。

3.2 結(jié)構(gòu)物理模型到結(jié)構(gòu)拓?fù)淠Ｐ偷膸缀瓮蒲?/h3>

由于結(jié)構(gòu)分析模型是基于三維線(xiàn)框的拓?fù)淠Ｐ?構(gòu)件之間若有分離,便無(wú)法組成以供有限元分析的整體模型。因此在結(jié)構(gòu)分析模型中,只有連接關(guān)系是被接受的。在建筑建模采取相交隔斷的情況下,理想的 IFC模型文件中的構(gòu)件對(duì)象通常只有連接關(guān)系。然而,構(gòu)件的建模有時(shí)并沒(méi)有采取精確捕捉,而且從建筑物理類(lèi)型 IFC模型文件中提取的結(jié)構(gòu)物理模型大都是三維實(shí)體模型,這比從結(jié)構(gòu)分析類(lèi)型 IFC模型文件中直接提取構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的情況復(fù)雜。因此,在這種情況下,獲取結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)至少需要包含以下過(guò)程:

(1)通過(guò)多個(gè) IfcLocalPlacement對(duì)象的嵌套引用,獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)象所在的局部坐標(biāo)系在絕對(duì)坐標(biāo)系中的幾何定位(局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)、z軸以及 xz平面在絕對(duì)坐標(biāo)系中的定位)。

(2)獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)象所有的形狀表達(dá)(例如常用的 Curve2D、GeometricCur-veSet、BoundingBox、SweptSolid、Mapped-Representation等),并獲得組成每個(gè)形狀表達(dá)的所有角點(diǎn)/端點(diǎn)(Curve2D情況為端點(diǎn))在絕對(duì)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。此步驟需要:1)將形狀表達(dá)各個(gè)角點(diǎn)/端點(diǎn)的局部相對(duì)坐標(biāo) IfcCartesian-Point(也是 IFC模型文件中的最末端點(diǎn))、形狀表達(dá)包含的局部坐標(biāo)變換以及形狀表達(dá)的幾何推算規(guī)則(例如拉伸實(shí)體的拉伸方向及拉伸長(zhǎng)度)綜合起來(lái),推算到各個(gè)角點(diǎn)/端點(diǎn)在構(gòu)件局部坐標(biāo)系中的“絕對(duì)”坐標(biāo);2)根據(jù)構(gòu)件的局部坐標(biāo)系與絕對(duì)坐標(biāo)系的映射關(guān)系,推算到組成形狀表達(dá)的各個(gè)角點(diǎn)/端點(diǎn)在絕對(duì)坐標(biāo)系中的絕對(duì)坐標(biāo)。

圖4說(shuō)明了(1)、(2)過(guò)程提取 IFC模型文件中某 IfcBeam對(duì)象的角點(diǎn)/端點(diǎn)坐標(biāo)需嵌套引用其他IFC對(duì)象數(shù)據(jù)的流程。一方面,需要通過(guò)多個(gè) IfcLocalPlacement對(duì)象的嵌套引用,得到此 IfcBeam對(duì)象的局部坐標(biāo)系在絕對(duì)坐標(biāo)系中的幾何定位。另一方面,需要查詢(xún)此 IfcBeam對(duì)象的產(chǎn)品形狀定義(IfcProductDefinitionShape)以獲得關(guān)于它的形狀表達(dá)(IfcShapeRepresentation),再通過(guò)各種形狀表達(dá)獲取此 IfcBeam各個(gè)角點(diǎn)/端點(diǎn)的局部相對(duì)坐標(biāo)。圖中列出了三種常用的形狀表達(dá),分別是 SweptSolid、Curve2D和 BoundingBox。SweptSolid對(duì)象通常引用一個(gè) IfcExtrudedAreaSolid對(duì)象。IfcExtrudedAreaSolid對(duì)象引用一個(gè) IfcAxis-2Placement3D對(duì)象和一個(gè) Ifc-Direction對(duì)象作為幾何描述,以及一個(gè)剖面定義對(duì)象如任意閉合剖面(IfcArbitrary Closed ProfileDef)或矩形剖面(IfcRectangle ProfileDef)作為剖面形狀,再通過(guò)自身的拉伸長(zhǎng)度參數(shù),最終得到一個(gè)沿剖面拉伸的實(shí)體形狀。其中,任意閉合剖面對(duì)象需要引用一個(gè)復(fù)合線(xiàn)(Ifc CompositeCurve)對(duì)象,復(fù)合線(xiàn)對(duì)象需要引用多個(gè)復(fù)合線(xiàn)段(IfcComposite Curve S-egment)對(duì)象,復(fù)合線(xiàn)段對(duì)象需要引用一個(gè)多義線(xiàn)(IfcPolyLine)對(duì)象,而多義線(xiàn)對(duì)象需要引用多個(gè)笛卡爾點(diǎn)(IfcCartesianPoint)對(duì)象(當(dāng)然,任意閉合剖面也可能直接引用多義線(xiàn)對(duì)象來(lái)組建)。矩形剖面對(duì)象則利用自定義的長(zhǎng)、寬參數(shù)以及引用一個(gè) IfcAxis2Placement3D對(duì)象得到一個(gè)矩形剖面。Curve2D形狀較為簡(jiǎn)單,直接引用一個(gè) IfcPoly-Line對(duì)象,IfcPolyLine對(duì)象再通過(guò)引用多個(gè)笛卡爾點(diǎn)對(duì)象得到。BoundingBox形狀需要引用一個(gè)邊界盒對(duì)象 IfcBoundingB-ox,邊界盒對(duì)象再通過(guò)一個(gè)笛卡爾點(diǎn)對(duì)象作為基點(diǎn)以及 x、y、z方向上的長(zhǎng)度參數(shù)獲得完整的形狀定義。

圖4 提取IFC模型文件中某IfcBeam對(duì)象角點(diǎn)/端點(diǎn)坐標(biāo)的流程

圖5 矩型混凝土柱、H型鋼梁以及形混凝土墻的拓?fù)浔磉_(dá)

(3)獲取結(jié)構(gòu)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。這里又分兩種情況:

a)若 IFC模型文件中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件僅僅包含SweptSolid、BoundingBox、MappedRe-presentation等三維實(shí)體形狀表達(dá),則需要根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀表達(dá)和局部坐標(biāo)系定位推算出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫畔?。例如圖5中的矩型截面混凝土柱、H型截面鋼梁和矩形混凝土墻,需轉(zhuǎn)換為圖中粗線(xiàn)所示的拓?fù)浔磉_(dá)。

對(duì)于梁和柱等框架構(gòu)件,其拓?fù)浔磉_(dá)的兩個(gè)端點(diǎn)即為分析模型中梁和柱的兩個(gè)端節(jié)點(diǎn),對(duì)于墻板構(gòu)件,拓?fù)涿娴?n個(gè)角點(diǎn)即為分析模型中墻和樓板的 n個(gè)角節(jié)點(diǎn)。與此同時(shí),梁、柱、墻的剖面定義信息如 Ifc RectangleProfileDef、IfcIShapeProfileDef等均需轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面屬性。

假定構(gòu)件材料為各向同性,理想的節(jié)點(diǎn)位于構(gòu)件剖面的幾何中心或中心剖面的角點(diǎn)上(面構(gòu)件),因此需要從矩型柱的 8個(gè)角點(diǎn)、H型梁的 24個(gè)角點(diǎn)、或者矩形墻的 8個(gè)角點(diǎn)推演得到。由于這些實(shí)矩體構(gòu)件在原模型文件中大都是基于剖面拉伸或者邊界盒描述。因此對(duì)基于 IfcExtruded AreaSolid形狀表達(dá)的梁柱構(gòu)件,可利用原始剖面的形心作為端節(jié)點(diǎn) I;并通過(guò)拉伸長(zhǎng)度映射到另一個(gè)剖面形心,作為端節(jié)點(diǎn) J。對(duì)基于 IfcBoundingBox形狀表達(dá)的梁柱構(gòu)件,可利用邊界盒的基準(zhǔn)角點(diǎn)坐標(biāo)和長(zhǎng)寬高參數(shù)值推算此構(gòu)件的多個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo),再根據(jù)這些角點(diǎn)坐標(biāo)推算構(gòu)件的端節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。如圖6所示,推算得到此矩形截面框架構(gòu)件的 8個(gè)角點(diǎn)分別為“1”-“8”,則此構(gòu)件端節(jié)點(diǎn) I和 J的絕對(duì)坐標(biāo)可由公式 3-1簡(jiǎn)單獲得:

圖6 從基于邊界盒表達(dá)的矩形截面框架構(gòu)件的 8個(gè)角點(diǎn)提取端節(jié)點(diǎn) I、J

對(duì)基于 IfcExtrudedAreaSolid形狀表達(dá)的墻板構(gòu)件,原始剖面和其拓?fù)浔磉_(dá)一致,只需將整個(gè)剖面沿原拉伸方向和按原拉伸長(zhǎng)度的一半拉伸移動(dòng),得到的空間定位和幾何形狀則是墻板構(gòu)件的拓?fù)涿?對(duì)基于IfcBoundingBox形狀表達(dá)的墻板構(gòu)件,可利用邊界盒的基準(zhǔn)角點(diǎn)坐標(biāo)和長(zhǎng)寬高參數(shù)值得到此構(gòu)件的多個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo),再根據(jù)這些角點(diǎn)坐標(biāo)求得其拓?fù)涿娴慕枪?jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

b)若 IFC模型文件中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)象包含Curve2D、GeometricCurveSet等線(xiàn)框類(lèi)型的形狀表達(dá),則可將 Curve2D、Geome-tricCurveSet等形狀對(duì)象的端點(diǎn)坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)換為拓?fù)淠Ｐ椭薪Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。這種情況,構(gòu)件對(duì)象一般也同時(shí)含有SweptSoli-d、 BoundingBox、 MappedRepresentation等三維實(shí)體形狀表達(dá),需將這些形狀表達(dá)對(duì)象的剖面參數(shù)直接轉(zhuǎn)化為構(gòu)件的截面屬性,作為拓?fù)淠Ｐ偷男畔⒀a(bǔ)充。

(4)獲取結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)。在提取完梁柱構(gòu)件的端節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和墻板構(gòu)件的角節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)之后,將 IFC模型文件中具有連接關(guān)系構(gòu)件對(duì)象的相關(guān)節(jié)點(diǎn)(如 A和 B)檢出,驗(yàn)算它們的相對(duì)距離。若 A、B節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)分別為 x1、y1、z1和 x2、y2、z2,則它們的相對(duì)距離 DAB為:

設(shè)容差為 Tol,則當(dāng) DAB≤ Tol時(shí),將連接 A、B節(jié)點(diǎn)線(xiàn)段的中點(diǎn)定義為結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn);當(dāng) DAB＞Tol時(shí),將 A、B節(jié)點(diǎn)定義為相互分離的節(jié)點(diǎn),待后續(xù)人工調(diào)整。

4 IFC建筑物理模型與 SGF結(jié)構(gòu)分析模型的數(shù)據(jù)映射實(shí)現(xiàn)

4.1 通用結(jié)構(gòu)分析模型(SGF)

各種結(jié)構(gòu)分析軟件都有各自特有的數(shù)據(jù)模型,這些數(shù)據(jù)模型通常是異構(gòu)的,但所有結(jié)構(gòu)分析軟件都基于有限元分析原理,所以它們的數(shù)據(jù)模型又不同程度的存在相似性。在遵循 ISO 10303-104/107模型基本語(yǔ)義規(guī)則的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)多種代表性商用結(jié)構(gòu)分析軟件數(shù)據(jù)模型的提煉和補(bǔ)充,自主建立面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的數(shù)據(jù)交換核心——通用結(jié)構(gòu)分析模型的一般表達(dá)(SGF)是必要的。一方面可以實(shí)現(xiàn)從建筑模型中輸出的 IFC模型與 SGF模型進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交換,另一方面又可以實(shí)現(xiàn)SGF模型與多種結(jié)構(gòu)分析模型的雙向數(shù)據(jù)接口,從而為符合 IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑模型與多種結(jié)構(gòu)分析軟件可接受的結(jié)構(gòu)模型間的雙向數(shù)據(jù)交換提供了可能。圖7顯示了本文提出的 SGF數(shù)據(jù)模型的基本框架,由結(jié)構(gòu)總體信息(General)、節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息(Joint)、線(xiàn)單元相關(guān)信息(Frame)、面單元相關(guān)信息(Area)和荷載信息(Load)五大部分組成。

圖7 SGF數(shù)據(jù)模型基本框架

圖8 從IFC模型文件提取結(jié)構(gòu)模型信息并轉(zhuǎn)換為SGF數(shù)據(jù)

圖9 將SGF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IFC數(shù)據(jù)并組建IFC模型文件

4.2 IFC建筑物理模型與 SGF結(jié)構(gòu)分析模型雙向數(shù)據(jù)接口的 C++實(shí)現(xiàn)

IFC建筑物理模型與 SGF結(jié)構(gòu)分析模型的數(shù)據(jù)映射算法確立后,需進(jìn)行相關(guān)的程序?qū)崿F(xiàn)。此實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為順逆兩個(gè)方向:

(1)從 IFC模型轉(zhuǎn)換到 SGF模型。

此順向接口封裝在 CIfc2SGF類(lèi)中,提供了 Do-Transfer、 AddObject、 AddSpatialS-tructure、 AddFrameElement、 AddAreaElem-ent、 AddOpenings等方法。其轉(zhuǎn)換流程如圖8所示,首先利用 CIfcMachine中的方法讀入并解析 IFC模型文件,將 IFC數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存,再調(diào)用 DoTransfer方法,將 IFC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 SGF數(shù)據(jù)。

(2)從 SGF模型轉(zhuǎn)換到 IFC模型。

此逆向接口封裝在 CSGF2Ifc類(lèi)中,仍將 Do-Transfer方法作為此轉(zhuǎn)換類(lèi)的主要接口,并定義一些子方法如 AddCommonParts、Add Building、Add Storey、AddBeam等。圖9說(shuō)明了利用逆向的 DoTransfer方法將 SGF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 IFC數(shù)據(jù)并組建 IFC模型文件的流程。首先調(diào)用 Ifc.Discard方法清空所有數(shù)據(jù),調(diào)用 Add CommonParts方法轉(zhuǎn)換 SGF對(duì)象到 IFC對(duì)象,再利用 IfcMachine的 SetParts方法將 IFC對(duì)象添加到 IFC模型,最后調(diào)用 IfcMachine的 SetHeader方法設(shè)置 IFC模型文件頭,完成 IFC模型文件的組裝。

圖10 數(shù)據(jù)集成總體框架的數(shù)據(jù)流模型

5 以 SGF為中心的建筑結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)集成框架

圖10所示為建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域與結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域內(nèi)各種 CAD/CAE模型數(shù)據(jù)集成總體框架的數(shù)據(jù)流模型。SGF數(shù)據(jù)模型作為數(shù)據(jù)集成框架的核心平臺(tái),一方面可與基于 IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的 BIM平臺(tái)進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)建筑模型與結(jié)構(gòu)模型的互通;另一方面可與結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域 SAP2000、ETABS、PKPM、STAAD等 CAE軟件建立起雙向的數(shù)據(jù)接口,實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)分析模型的數(shù)據(jù)共享與互用。

6 結(jié)論

本文圍繞 IFC建筑物理模型與 SGF結(jié)構(gòu)分析模型間的數(shù)據(jù)映射。分析了一般建筑模型與一般結(jié)構(gòu)模型的信息差異。研究了從 IFC建筑模型數(shù)據(jù)文件中提取結(jié)構(gòu)分析模型信息的方法。比較了結(jié)構(gòu)物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型的差異,提出了獲取結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間連接節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫畔⒌耐蒲莘椒ú⒁?C++類(lèi)實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上,提出了以 SGF為中心的建筑結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)集成框架。需要說(shuō)明的是,從 SGF模型轉(zhuǎn)換到 IFC模型的過(guò)程只能將 SGF模型的結(jié)構(gòu)信息返回至 IFC建筑模型,并不能自動(dòng)生成建筑專(zhuān)業(yè)的建筑元素。另外,本文是針對(duì)建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域應(yīng)用軟件的信息集成,并非單獨(dú)針對(duì)結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域,因此本文所針對(duì)的 IFC模型文件為建筑物理模型類(lèi)型,并非結(jié)構(gòu)分析模型類(lèi)型。

[1]Wikipedia.Building Information Modeling,URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Building_Information_Modeling

[2]Schlueter A.,Thesseling F.Building inf-ormation model based energy/exergy performan-ce assessment in early design stages,Automa-tion in Construction,2009,18(2):153-163

[3]Bunde J.,Echternach N.,Grabow K.,Haugen A.,Urban H.,Wiesen J.,The Implementation of Building Information Modeling in Architectu-ral Practice,editorial review version of NCARB Grant BIM project report,2008

[4]Gao Z.L.,Mahalingam G.,Nguyen T.H.Applications of Building Information Modeling(BIM)in the Design and Construction Process.Proceedings of 12th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering,Beijing,China,2008

[5]Model Support Group(MSG)of buildingSMART,IFC2x Edition 4 beta 3version,URL:http://www.iai-tech.org/groups/msg-members/news/ifc2x4-beta3-available

[6]Chen P H,Cui L,Wan C,Yang Q,Ting SK,Tiong R L K.Implementation of IFC-based web server for collaborative building design between architects and structural engineers[J].Automation in Construction,2005,14(1):115-128

[7]Cui L,Yang Q Z,Chen P H,Ting SK,Tiong L K.Development of an IFC-based information server for collaborative building design[C].Proceeding of The Ninth East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction(EASEC-9),Bali,Indonesia,2003:CEM 188-194

[8]Wan C,Chen P H,Tiong R L K,Ting S K,Yang Q.A Framework for the Integration of Architectural Design and Structural Design[C].Proceedingof the Ninth East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction(EASEC-9),Bali,Indonesia,2003:CEM 1-6