BIM 在鋼結構詳圖設計軟件開發(fā)中的實踐

張曉龍 夏緒勇 馬恩成

(建研科技股份有限公司，北京 100013)

1 引言

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，BIM以先進的理念和對整個建筑行業(yè)生產(chǎn)效率的極大提升受到廣泛關注[1-3]。與傳統(tǒng)的2D模型設計相比，其最大的STXT，是國內(nèi)自主版權的專業(yè)鋼結構施工詳圖設計軟件，其功能設計框圖如圖1所示，是以三維模型數(shù)據(jù)為核心，包括主要構件(梁、柱、支撐等)和細部連接零件(螺栓、焊縫、連接板、加勁肋等)，所有構件和連接零件采用了和真實結構相同的實體模型來優(yōu)勢是建立了真實的三維信息模型，直接通過三維模型提取需要的各項信息，同時便于檢查、交互修改，能自動實現(xiàn)模型對象關聯(lián)管理，模型數(shù)據(jù)能最大程度的共享。

目前國內(nèi)深化設計基本都是停留在二維繪制狀態(tài)，手工繪制強度非常大，而且由于鋼結構形式多樣，截面種類多，節(jié)點連接復雜，準確性也難以保證。如果能夠借鑒BIM的理念，開發(fā)出優(yōu)秀的詳圖設計軟件，協(xié)助詳圖設計人員完成鋼結構后期的加工、制作詳圖設計，不但能提升效率，還可以減少詳圖設計中的各類問題。

中國建筑科學研究院PKPM CAD設計軟件事業(yè)部開發(fā)完成了鋼結構詳圖設計軟件STXT，下面將圍繞著軟件的相關功能特點進行介紹。

2 STXT軟件設計思想

圖1 鋼結構詳圖設計軟件框圖

PKPM鋼結構施工詳圖CAD/CAM軟件表示，要繪制的施工圖(構件施工詳圖、零件下料圖、安裝節(jié)點圖、平面布置圖、立面布置圖、零件清單等)都可以由三維模型自動生成;可以產(chǎn)生用于數(shù)控機床加工的零件數(shù)據(jù)文件;可以導出詳細的工程量統(tǒng)計表[4]。

STXT軟件中，建立了內(nèi)部連接類型庫(目前已經(jīng)達到381種):針對性強，涵蓋了國內(nèi)鋼結構框架結構、鋼結構工業(yè)廠房結構的常用節(jié)點形式;緊扣國內(nèi)規(guī)范要求;參數(shù)設置簡單明了，且根據(jù)選擇的連接部位與截面給出了合理的初始參數(shù)，對可能出現(xiàn)矛盾的參數(shù)之間進行合理性關聯(lián)。對于不能自動建立節(jié)點類型，軟件提供了自定義創(chuàng)建的方式，適合于目前連接庫中沒有的各種復雜節(jié)點形式。用戶可以交互的添加連接板、螺栓、焊縫，對構件、零件進行切割等操作，交互的創(chuàng)建各種連接形式。

鋼結構詳圖設計軟件STXT可以單獨使用，也可以和PKPM結構設計軟件配合使用，詳圖設計軟件可以直接讀取PMCAD或STS建立的三維技術模型;也可以讀取SATWE、TAT、PMSAP三維分析軟件的設計內(nèi)力，自動完成全樓節(jié)點設計。

3 解決的核心技術

3.1 參數(shù)化建模

BIM技術的核心就是三維信息模型的建立，它是圖形顯示、交互以及后期施工圖、工程量統(tǒng)計的基礎，建立一個完整、精細的三維模型至關重要。

STXT軟件在三維模型的輸入方面分為三個層次:

(1)結構建模

提供了多種快速建模方式，能快速完成主結構建模，同時還提供專業(yè)的圍護結構建模模塊，圖2為一個框架模型圖。參數(shù)化的構件及截面描述，方便交互編輯，既能完成主結構模型，同時也能補充完成次要結構的輸入，如樓梯、圍欄、吊車梁等，如圖3。同時還提供導入DXF網(wǎng)格數(shù)據(jù)、用戶插件等多種輔助的建摸途徑，能完成各類結構的模型建立;

(2)節(jié)點連接的創(chuàng)建

在節(jié)點連接的精細模型處理上，軟件提供了豐富的內(nèi)部節(jié)點庫(目前已達381種)，通過交互選擇關聯(lián)構件及連接的類型，采用對話框參數(shù)化錄入的方式直接建立，節(jié)點庫涵蓋了國內(nèi)鋼結構框架結構、鋼結構工業(yè)廠房結構的常用節(jié)點形式;

(3)自定義方式創(chuàng)建

軟件總結了各種連接組成對象的類型，除了各類型鋼、常見零件板、螺栓、焊縫、彎折圓管等實體對象進行了參數(shù)化描述外，還包括了切割面、切割零件、各類標注、剖面等信息的詳細描述及記錄，方便對模型進行交互修改，對建立一個真實、完整、準確和精細的模型提供了保證。交互建立的模型對象可以定制為組件、連接，可以重復使用，還可以導入、導出在不同的工程中重復使用，提高效率。

圖2 鋼框架三維模型moxingmoxing模型

圖3 樓梯等次結構

圖4 模型管理圖

3.2 以三維信息模型為核心的基本功能

(1)模型顯示

在模型顯示上分為模型空間、圖紙空間兩種模式。模型空間顯示真實的三維幾何模型，提供了多種顯示方式，通過對象分類顯示控制、ID區(qū)間過濾及選擇集等方式來控制顯示規(guī)模。圖紙空間提供在建模過程中及時查看各類節(jié)點、構件、零件圖紙，便于查看建模中的問題。

(2)碰撞檢查

在鋼結構詳圖設計軟件中，構件及零件加工詳圖都是由三維模型直接產(chǎn)生，直接用于指導加工生產(chǎn)。建立的模型及連接節(jié)點是否合理，零件之間是否相互碰撞或螺栓安裝是否留有足夠的空間，都需要在節(jié)點連接創(chuàng)建時綜合考慮，避免在安裝加工時安裝難度大或不合理碰撞情況。鋼結構詳圖設計軟件STXT中提供了模型碰撞檢測及螺栓安裝空間合理檢驗?？梢栽谌S模型中非常直觀的進行模型檢查，避免建模和節(jié)點中存在的不合理問題[5]。

(3)生成圖紙

STXT軟件中圖紙均為真實的三維模型直接變換消隱得到，和模型完全一致，建模時只要保證三維模型準確即可。建模完成后，STXT軟件根據(jù)真實的三維模型進行全樓構件、零件的歸并與編號，自動生成全套詳圖圖紙，包括布置圖、構件圖、節(jié)點圖、零件下料圖，還提供了1∶1放樣的DXF零件數(shù)據(jù)文件輸出，可以應用于數(shù)控機床。

(4)工程量統(tǒng)計

軟件可以根據(jù)三維信息模型及計算統(tǒng)計規(guī)則進行工程量統(tǒng)計，對全樓的構件中的用鋼進行了詳細的統(tǒng)計，輸出內(nèi)容包括零件截面尺寸、零件長度、鋼號以及數(shù)量等信息。同時還給出全樓零、構件、螺栓、用鋼量統(tǒng)計表、分類構件零件明細統(tǒng)計表等，統(tǒng)計的報表數(shù)據(jù)可以導入Excel表格方便用戶進行后續(xù)的工程造價工作。

3.3 圖紙管理

詳圖設計往往工期緊張、周期長，一個比較大的工程，高層的部分還處于設計，底層的已經(jīng)開始加工、安裝和施工了，在施工過程中，模型發(fā)生變更的事情時常發(fā)生，但是一部分圖紙已經(jīng)調(diào)圖結束進入加工階段，如何在后期變更模型時，盡可能的標識圖紙的改動量，同時還保證準確性，是詳圖設計中一個核心問題。

STXT程序能自動對全樓構件、零件進行歸并編號，可以修改構件編號前綴或起始編號，如圖5所示。當模型或連接發(fā)生變化時，可以只對變化部分進行編號，未變化部分，編號可以保持不變。自動管理全樓構件、零件圖。當連接變更、模型變更時，對于已出圖紙，未變化部分可以選擇保留，只更新變化部分圖紙和增加新的圖紙，如圖6所示。

圖5 編號設置

圖6 圖紙管理

3.4 協(xié)同作業(yè)

BIM不僅僅是在某個設計階段的應用，而是貫穿整個生命周期內(nèi)的各個階段，實現(xiàn)高度數(shù)據(jù)共享。目前國內(nèi)一些比較大鋼構公司往往擁有結構設計與詳圖設計兩個部門，同時一些設計公司也開始把業(yè)務擴展到詳圖設計領域。如果能夠在詳圖設計階段直接采用結構設計模型，既可以節(jié)省重復建模的工作，也可以避免二次建模有可能帶來的錯誤，同時還能更好的就建模及細部處理中存在的各類問題與設計方進行交流[6]。

圖7 讀取PKPM結構模型及分析內(nèi)力

目前國內(nèi)設計主要還是采用PKPM的設計軟件來進行輔助設計，鋼結構詳圖設計軟件STXT提供與PKPM設計軟件的無縫接口，能載入PKPM結構模型與設計內(nèi)力。設計建模采用PMCAD或者STS，設計采用三維分析軟件SATWE、TAT或者PMSAP完成時，詳圖設計軟件可以直接讀取其三維模型，并且可以讀取三維分析軟件的設計內(nèi)力，自動完成全樓節(jié)點設計，并提供詳細的計算書。

4 結論

綜上所述，可以得出以下結論:

(1)鋼結構詳圖設計軟件STXT，以三維模型數(shù)據(jù)為核心，能完成模型搭建、節(jié)點錄入、加工詳圖生成、工程量統(tǒng)計等基本功能;

(2)提供了模型碰撞檢測及螺栓安裝空間合理檢驗?？梢栽谌S模型中非常直觀的進行模型檢查，避免建模和節(jié)點中存在的不合理問題;

(3)詳圖設計由于工期緊張、周期長，往往存在設計后期模型變更的可能，軟件提供的編號及圖紙管理，能自動對變化模型單獨編號，標示變化的圖紙，解決了詳圖設計中的一個核心問題;

(4)軟件能無縫銜接PKPM設計模型、分析模型以及STS的節(jié)點設計結果模型，使結構設計與詳圖設計能協(xié)同作業(yè)，避免了二次建?？赡艿腻e誤，提高了效率，縮短了工程周期，節(jié)約了成本，為設計方和施工方的合作提供了一種新的可能。

[1]雷麗英，焦安亮，黃延錚等.構件建筑行業(yè)數(shù)據(jù)元 實現(xiàn)企業(yè)基礎信息共享[J].土木建筑工程信息技術，2009，1(2):102-105.

[2]蘇駿，葉紅華.基于BIM的設計可視化技術在世博會德國館中的應用[J].土木建筑工程信息技術，2009，1(1):87-91.

[3]龍輝元.BIM技術應用于結構設計的探討與案例[J].土木建筑工程信息技術，2010，2(4):89-93.

[4]夏緒勇，馬恩成，陳玉林.鋼結構詳圖設計的開發(fā)和功能介紹[J].第十四屆全國工程設計計算機應用學術會議論文集，2008:464-469.

[5]張曉龍，馬恩成，夏緒勇等.鋼結構三維模型碰撞檢測技術研究及應用[J].土木建筑工程信息技術，2009，1(2):51-54.

[6]張曉龍，馬恩成，夏緒勇等.鋼結構深化設計與STXT軟件應用[J].全國鋼結構設計與施工技術學術交流會論文集，2011，8:172-176.