基于建筑信息模型的建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計*

王勇 張建平

(清華大學(xué)土木工程系，北京100084)

目前，我國的建筑工程設(shè)計主要還是基于二維CAD技術(shù)，各專業(yè)設(shè)計之間信息以二維圖檔為媒介進行交流、設(shè)計成果以施工圖紙的形式交付．盡管隨著工程CAD技術(shù)的發(fā)展，建筑工程設(shè)計的效率和質(zhì)量有了大幅的提高，但是建筑工程設(shè)計業(yè)仍面臨發(fā)展瓶頸:設(shè)計過程中信息共享性差，工程模型的建立和工程圖紙的繪制、修改等工作耗費設(shè)計人員大量時間．BIM(建筑信息模型)技術(shù)的出現(xiàn)為上述問題的解決提供了有效途徑［1-2］．然而，由于缺少統(tǒng)一的BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計方法、BIM相關(guān)軟件不配套，造成BIM在建筑設(shè)計中的應(yīng)用受到很大的制約，相關(guān)應(yīng)用軟件之間的信息交換的瓶頸問題仍然存在［3-4］．尤其在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，目前缺少成熟的BIM設(shè)計軟件，結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計主要還是基于二維CAD技術(shù)，建筑結(jié)構(gòu)與其他專業(yè)的協(xié)同設(shè)計、與施工階段的信息共享仍然無法實現(xiàn)．因此，研究基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計方法、流程和技術(shù)，開發(fā)基于BIM的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計系統(tǒng)是我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中亟待解決的問題．

文中通過分析面向結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計的BIM模型設(shè)計需求，研究基于IFC(Industry Foundation Classes)架構(gòu)的BIM模型的描述方法;建立基于IFC結(jié)構(gòu)的面向結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計的BIM模型，并開發(fā)相應(yīng)的施工圖設(shè)計系統(tǒng);最后，通過應(yīng)用實例對文中提出的基于BIM的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計方法的可行性進行了驗證．

1 基于BIM的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計需求

1．1 設(shè)計流程

基于BIM的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計在設(shè)計流程上不同于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)施工設(shè)計．傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計采用基于二維圖檔的工作模式，見圖1(a)．首先，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員參照建筑設(shè)計圖紙建立結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計模型，在結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析、構(gòu)件設(shè)計;然后，將結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果反饋給建筑設(shè)計人員，調(diào)整建筑設(shè)計模型，直到滿足設(shè)計要求;最后，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果繪制結(jié)構(gòu)施工圖．雖然隨著CAD技術(shù)應(yīng)用的深入，在結(jié)構(gòu)分析模型的建立過程中已經(jīng)可以利用圖層識別技術(shù)自動導(dǎo)入軸網(wǎng)、構(gòu)件定位等少量信息，但大量模型信息需要手工重建;在結(jié)構(gòu)施工圖繪制過程中，某些CAD系統(tǒng)具備了部分二維圖檔的自動生成功能，但是這些圖檔不具備信息的完整性、關(guān)聯(lián)性，難以保證信息的一致性．

基于BIM模型的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計模式相比，最大的優(yōu)勢在于:工程設(shè)計過程中存在完整的信息模型，支持模型與圖檔的關(guān)聯(lián)修改與自動更新，基于開放的BIM標(biāo)準(zhǔn)可以實現(xiàn)相關(guān)軟件之間模型信息的自動轉(zhuǎn)換，設(shè)計流程詳見圖1(b)．首先，通過建筑BIM設(shè)計軟件(Revit Architecture、ArchiCAD等)建立建筑設(shè)計BIM模型;然后，將建筑設(shè)計BIM模型導(dǎo)出為IFC文件，利用清華大學(xué)開發(fā)的BIM模型提取與集成平臺［5］，提取建筑設(shè)計模型中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息，建立面向施工圖設(shè)計的BIM模型;此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計模型中的幾何模型可以通過建筑BIM模型的提取實現(xiàn)，通過補充定義約束、荷載等信息，進行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果可以反饋給建筑設(shè)計模型，進行模型調(diào)整)，將設(shè)計結(jié)果與建筑模型提取形成的施工圖設(shè)計BIM模型集成在一起，形成完整的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計BIM模型;最后，基于該BIM模型進行結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計與協(xié)同管理．實現(xiàn)該設(shè)計流程的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計BIM模型的構(gòu)建．

圖1 結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計流程對比Fig．1 Comparison of structural workingdrawing design flow

1．2 模型描述需求

建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計信息模型以結(jié)構(gòu)物理模型為核心，除包括結(jié)構(gòu)物理模型外，還包括模型屬性信息、關(guān)聯(lián)信息、管理信息等．其中，結(jié)構(gòu)物理模型信息包括構(gòu)件信息、節(jié)點信息、截面信息、軸網(wǎng)信息、約束信息等;屬性信息包括荷載信息、材料信息、內(nèi)力信息、設(shè)計結(jié)果信息等;關(guān)聯(lián)信息包括構(gòu)件之間關(guān)聯(lián)關(guān)系、模型與屬性關(guān)聯(lián)關(guān)系、模型與視圖關(guān)聯(lián)關(guān)系等;管理信息包括模型所有者信息、模型版本信息、用戶權(quán)限信息等．

2 基于IFC架構(gòu)的BIM模型定義

IFC標(biāo)準(zhǔn)是由國際協(xié)同工作聯(lián)盟(IAI)專為建筑行業(yè)制訂的建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)［6-7］．目前，該標(biāo)準(zhǔn)已成為國際上公認的實現(xiàn)BIM模型的數(shù)據(jù)描述與交換標(biāo)準(zhǔn)［8-12］．IFC標(biāo)準(zhǔn)面向?qū)ο蟮哪Ｐ图軜?gòu)設(shè)計保證了BIM模型的數(shù)據(jù)完整性、信息關(guān)聯(lián)性、數(shù)據(jù)一致性的實現(xiàn)．下面就模型構(gòu)件的定義、關(guān)聯(lián)關(guān)系的實現(xiàn)、IFC數(shù)據(jù)的自定義擴展3個方面介紹施工圖設(shè)計BIM模型的構(gòu)建方法．

2．1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的定義

在現(xiàn)行IFC標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)建立了完整的建筑結(jié)構(gòu)模型描述體系．可以描述柱、梁、板、墻、基礎(chǔ)、樓梯等結(jié)構(gòu)構(gòu)件．這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件均派生自建筑構(gòu)件(IfcBuildingElement)實體，構(gòu)件的派生關(guān)系如圖2所示．

圖2 IFC2x3中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間結(jié)構(gòu)Fig．2 Spatial structure of structural elements in IFC2x3

下面以墻體構(gòu)件為例(見圖3)，介紹在IFC模型中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的定義．在IFC模型中，首先定義建筑實體(IfcBuilding);然后，通過集合關(guān)聯(lián)實體(IfcRel-Aggregates)建立建筑實體與樓層實體(IfcBuilding-Story)的關(guān)聯(lián);最后，定義墻體實體(IfcWall)，通過空間結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)實體(IfcRelContainedInSpatialStructure)建立墻體實體與樓層實體的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)墻體模型的定義．

圖3 IFC標(biāo)準(zhǔn)中墻體的定義Fig．3 Definition of wall element in IFCs

2．2 構(gòu)件屬性的定義

BIM模型中構(gòu)件具有眾多的屬性(幾何、材料、成本、力學(xué)性能、建造信息等)．現(xiàn)有的IFC模型支持模型構(gòu)件的絕大多數(shù)屬性．下面以墻體的材料屬性定義為例，介紹IFC模型中材料屬性的定義與關(guān)聯(lián)關(guān)系的實現(xiàn)．在IFC模型中，支持對構(gòu)件進行多層材料定義，圖4中墻體由外墻面磚、隔熱層、結(jié)構(gòu)層、內(nèi)墻面磚4層材料構(gòu)成．首先，通過材料實體(IfcMaterial)定義材料屬性;然后，通過材料分層實體(IfcMaterialLayer)、材料層集合實體(IfcMaterial-LayerSet)和材料層集合使用實體(IfcMaterialLayer-SetUsage)定義層材料模型;最后，通過材料關(guān)聯(lián)實體(IfcAssosiatesMaterial)建立墻體與墻體材料的關(guān)聯(lián)．

2．3 關(guān)聯(lián)關(guān)系的定義

關(guān)聯(lián)性是BIM模型的重要特性，該特性保證了BIM模型修改信息一致性和模型信息的完整性．IFC模型面向?qū)ο蟮倪壿嫿Y(jié)構(gòu)保證了BIM模型體系的關(guān)聯(lián)性．在IFC模型中，構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可以分成非對稱性關(guān)聯(lián)、對稱性關(guān)聯(lián)兩類．

圖4 IFC標(biāo)準(zhǔn)中墻體的材料定義Fig．4 Material definition of wall element in IFCs

2．3．1 非對稱性關(guān)聯(lián)

非對稱性關(guān)聯(lián)是指相關(guān)聯(lián)的兩實體存在主從關(guān)系，主實體的修改會帶來從實體的相應(yīng)改變，而從實體的改變不會造成主實體的本質(zhì)改變．例如以墻體和洞口為例，洞口實體(IfcOpeningElement)依存于墻體實體(IfcWall)．對墻體進行刪除操作，會造成洞口隨之刪除;而對洞口進行刪除操作，墻體不會進行刪除，而僅僅斷開墻體與該洞口的關(guān)聯(lián)關(guān)系．圖5給出了墻體與洞口的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過洞口關(guān)聯(lián)實體(IfcRelVoidsElement)建立墻體實體與洞口實體的關(guān)聯(lián)．同一段墻體可以與多個洞口建立關(guān)聯(lián)，但是每一個洞口只能關(guān)聯(lián)一段墻體．

圖5 墻體實體與洞口實體的關(guān)聯(lián)Fig．5 Relationship between IfcWall and IfcOpeningElement

2．3．2 對稱性關(guān)聯(lián)

對稱性關(guān)聯(lián)是指相關(guān)聯(lián)的兩實體處于對等關(guān)系，所關(guān)聯(lián)的實體中任意一個實體的改變都會造成關(guān)聯(lián)關(guān)系另一端對應(yīng)實體的改變．例如以梁、柱構(gòu)件的關(guān)聯(lián)為例，在IFC模型中，梁實體(IfcBeam)與柱實體(IfcColumn)通過構(gòu)件節(jié)點關(guān)聯(lián)實體(IfcRel-ConnectsElements)建立關(guān)聯(lián)(見圖6)．當(dāng)梁實體進行調(diào)整時(如改變梁端的位置)，通過構(gòu)件節(jié)點關(guān)聯(lián)實體，與梁實體關(guān)聯(lián)的柱實體會隨之進行相應(yīng)的實體更新，從而實現(xiàn)柱的關(guān)聯(lián)修改．反之，柱的修改亦會引起關(guān)聯(lián)梁的修改．

圖6 梁實體與柱實體的關(guān)聯(lián)Fig．6 Relationship between IfcBeam and IfcColumn

2．4 自定義IFC數(shù)據(jù)的實現(xiàn)

由于建筑業(yè)中工程對象的多樣性、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的分散性、工程信息的復(fù)雜性等特征，造成了利用現(xiàn)有的IFC模型架構(gòu)無法實現(xiàn)對BIM數(shù)據(jù)模型全部信息的描述．作為開放的標(biāo)準(zhǔn)體系，IFC標(biāo)準(zhǔn)主要支持以下3種模型擴展方式:實體擴展、屬性集擴展、基于Ifc-Proxy實體擴展［13-16］．其中，實體擴展已經(jīng)超出了原有IFC模型的架構(gòu)，該方式具有運行效率高但新擴展模型軟件識別困難的特點，一般IFC標(biāo)準(zhǔn)的版本升級更多地采用這種方式;基于IfcProxy實體的擴展，可以滿足用戶對少量模型信息進行擴展的需求，具有高度靈活性，但運行效率較低;屬性集擴展結(jié)合上述兩者的優(yōu)點，靈活性好、支持大量模型信息的擴展．

本研究采用屬性集擴展的方式，對IFC模型中未實現(xiàn)定義的BIM模型數(shù)據(jù)進行描述．下面以墻體的屬性集為例(見圖7)，介紹在IFC模型中如何進行屬性集擴展．首先，定義墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計的屬性集(Pset_WallDesign)，該屬性集包括墻體的混凝土標(biāo)號、鋼筋等級、墻體體積、縱筋信息、箍筋信息等;然后，利用類型關(guān)聯(lián)實體(IfcRelDefinesByType)建立墻體實體(IfcWall)與墻體類型實體(IfcWallType)的關(guān)聯(lián);最后，通過墻體類型實體的HasPropertySets屬性建立墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計屬性集與墻體的關(guān)聯(lián)．

圖7 IFC標(biāo)準(zhǔn)中的墻體屬性集定義Fig．7 Property set definition of wall element in IFCs

3 BIM模型的設(shè)計與系統(tǒng)實現(xiàn)

3．1 BIM模型的設(shè)計

參照IFC標(biāo)準(zhǔn)模型的邏輯結(jié)構(gòu)，兼顧模型的運行效率和方便性，采用簡化的IFC模型作為文中BIM模型的組織結(jié)構(gòu)．這樣既保證了模型的高效性，又便于模型導(dǎo)出為IFC模型文件．圖8所示為結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計BIM模型的主要邏輯結(jié)構(gòu)，主要包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型、計算結(jié)果模型、材料信息模型、屬性定義模型4部分．其中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型采用面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)，所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件類(梁、柱、板、墻等)均派生于建筑構(gòu)件類(BuildingElement)，通過構(gòu)件關(guān)聯(lián)類(RelConnectsElements)可以建立結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系;計算結(jié)果模型主要包括結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果兩部分信息，通過建筑構(gòu)件類與計算結(jié)果類(CalculationResult)的耦合關(guān)系，建立計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的關(guān)聯(lián);材料信息模型主要包括混凝土材料和鋼筋材料兩部分信息，通過材料關(guān)聯(lián)類(RelAssociatesMaterial)建立材料屬性與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的關(guān)聯(lián);屬性定義模型為BIM模型的動態(tài)擴展提供了接口，通過屬性定義關(guān)聯(lián)類(RelDefinesByProperties)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件動態(tài)屬性的定義．

3．2 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)前文設(shè)計的BIM模型，在Visual Studio．Net平臺下利用AutoCAD二次開發(fā)實現(xiàn)了基于BIM的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計原型系統(tǒng)(簡稱BIMSD)．圖9所示為該系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖，包括數(shù)據(jù)層、接口層、模型層和應(yīng)用層．

圖8 BIM模型的邏輯結(jié)構(gòu)Fig．8 Logical structure of BIM model

圖9 BIMSD系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)Fig．9 Logical structure of BIMSD platform

數(shù)據(jù)層是本系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的來源，包括系統(tǒng)信息、BIM模型信息、設(shè)計規(guī)則信息、圖檔管理信息、IFC文件信息;接口層是實現(xiàn)物理存儲數(shù)據(jù)到BIM模型的接口，其中IFC訪問接口可以實現(xiàn)建筑BIM模型的提取，BIM模型訪問接口可以實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)庫到內(nèi)存BIM模型的映射;模型層是系統(tǒng)的核心，通過對BIM模型信息的定義可以滿足結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計的各項應(yīng)用需求;應(yīng)用層包括BIM模型的各項應(yīng)用．除結(jié)構(gòu)施工圖的設(shè)計外，還能實現(xiàn)三維模型檢查、設(shè)計結(jié)果的規(guī)范校驗、算量統(tǒng)計、模型與圖檔的設(shè)計管理等功能．

4 應(yīng)用驗證

以一個3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，對BIM模型和系統(tǒng)進行測試驗證，應(yīng)用流程詳見圖10．首先，在Revit Architecture 2009中建立建筑BIM模型;然后利用CSI公司的CSIxRevit插件，在Etabs軟件中導(dǎo)入Revit模型生成Etabs分析模型，補充荷載信息、約束條件，進行內(nèi)力分析和配筋設(shè)計(①);將Revit模型導(dǎo)出為IFC模型文件，利用BIMSD的IFC文件解析接口提取IFC文件中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型(②)，形成BIMSD構(gòu)件信息模型;將Etabs軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果導(dǎo)出為Access數(shù)據(jù)文件，利用BIMSD的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入接口讀取結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果、材料信息、配筋結(jié)果(③)，并與構(gòu)件信息模型關(guān)聯(lián)，形成完整的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計BIM模型;最后，基于BIMSD模型可以進行三維模型檢查(④)、基于“平面整體表示法”的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(⑤)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土及鋼筋的算量統(tǒng)計(⑥)等工程應(yīng)用．

圖10 BIMSD的應(yīng)用實例Fig．10 A test project of BIMSD platform

5 結(jié)論與展望

文中對基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計方法、流程和模型描述方法進行了研究．在此基礎(chǔ)上建立了面向建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計的BIM設(shè)計模型，開發(fā)了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計系統(tǒng)，并進行了應(yīng)用驗證．主要結(jié)論如下:

(1)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計流程和方法已不能滿足日益復(fù)雜的工程設(shè)計需求，基于BIM的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計可以在設(shè)計質(zhì)量、效率上突破原有設(shè)計瓶頸．

(2)基于IFC架構(gòu)的BIM模型可滿足結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計中的BIM數(shù)據(jù)描述需求，但在模型邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計中需對IFC模型的派生關(guān)系做適量簡化以提高模型運算效率．

(3)基于BIM的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計需要與國內(nèi)相關(guān)設(shè)計規(guī)范、制圖規(guī)則相結(jié)合，文中僅實現(xiàn)了混凝土框架結(jié)構(gòu)的梁、柱、板、基礎(chǔ)的平法施工圖設(shè)計．對于更多結(jié)構(gòu)體系及復(fù)雜構(gòu)件的設(shè)計尚需進行進一步的研究．

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