基于ABD 的BIM物理模型與結構分析模型數據鏈接的案例分析

楊鵬飛 張洪偉 高興華

(1.北方工業(yè)大學，北京100044;2.中國建筑標準設計研究院，北京100048)

1 引言

BIM核心建模作為一種創(chuàng)新的工具生產方式，涵蓋了與項目相關的大量信息，服務于建筑項目的設計、建造安裝、運營等整個生命周期，結構有限元分析軟件主要用途為結構設計和施工圖，以下將詳細探討B(tài)IM核心建模軟件與結構有限元分析軟件的關系，以及用實例闡述怎樣實現(xiàn)二者的數據共享。

2 BIM技術在結構設計中的應用流程以及存在的問題

應用BIM技術實現(xiàn)結構設計，與傳統(tǒng)二維設計有著較大的出入。BIM設計由建筑師提供建筑信息模型，結構工程師根據建筑模型進行刪減、修改以及再布置，增添結構分析屬性，建立BIM結構模型。通過數據接口將所建模型導入到有限元分析軟件中，分析軟件通過計算、分析，將分析后的結果推送回BIM核心建模軟件，其詳細過程見圖1。

BIM建模有著“所見即所得”的強大優(yōu)勢，而這里的“得”是指幾何信息和非幾何信息，換句話說也就是結構專業(yè)中常提到的物理模型和分析模型。結構分析軟件是結構專業(yè)的專業(yè)軟件，所建模型是經過簡化后的分析模型。由于分析模型中包括了大量第三方分析程序所要求的各種信息，如:荷載、荷載組合、邊界條件，這就使得工具軟件中采用的參數更加繁多，軟件之間的無縫鏈接很難完成，物理模型與結構分析模型雙向鏈接的優(yōu)點不能真正得到發(fā)揮，而這又是結構工程師希望的功能。

圖1 BIM技術在結構設計中的應用流程

3 臺灣某GGH電廠工程數據共享案例

以下為臺灣某GGH電廠工程實例，通過該實例說明BIM核心建模軟件與結構分析軟件的數據共享問題，以及BIM結構工程師在創(chuàng)建模型時應注意的技術方法和存在的問題。

3.1 工程背景簡介

GGH，是煙氣脫硫系統(tǒng)中的主要裝置之一。它的作用是利用原煙氣將脫硫后的凈煙氣進行加熱，使排煙溫度達到露點之上，減輕對進煙道和煙囪的腐蝕，提高污染物的擴散度;同時降低進入吸收塔的煙氣溫度，降低塔內對防腐的工藝技術要求。

本工程為中國臺灣臺北縣林口電廠重建項目(3X800MW鍋爐單位)(鋼結構，高度9.9m)。由于該工程屬于電廠工程，貫通整個結構的電力設備及管線較多，并且錯綜復雜，因此采用BIM技術解決其間大量的碰撞問題。依照BIM項目設計工作流程，首先在BIM核心建模軟件ABD中進行建模，通過數據接口將BIM模型導入到STAAD.Pro中進行結構計算，將計算及優(yōu)化后的模型通過數據接口更新BIM模型。通過BIM核心建模軟件與結構分析軟件的數據共享，使模型統(tǒng)一化，并減少結構工程師的工作。

3.2 創(chuàng)建BIM結構模型的技術處理方法

創(chuàng)建BIM結構模型不是單純的建模，在創(chuàng)建模型時需考慮分析屬性，對于不同部位的構件要分開創(chuàng)建。本實例中涉及到柱、主梁、次梁、撐等多種構件，在創(chuàng)建模型時選擇正確的分類后，軟件會將構件的邊界條件自動釋放，例如選擇次梁，系統(tǒng)會自動將其兩端的約束釋放掉。對于大部分構件的邊界條件，軟件的處理均可滿足條件。但是對于特殊結構部位的桿件，在BIM模型中創(chuàng)建完成后是無法滿足結構要求的，這需要在導入結構計算軟件后進行人工的干預，對不能滿足要求的部位需要進行修改，從而滿足結構計算的要求。例如在本工程中，為了滿足需要，截面較大的鋼柱上要創(chuàng)建兩個截面較小的鋼柱，見圖2。導入STAAD.Pro中需要對分析模型進行修改，將兩截面較小的鋼柱與截面較大的鋼柱用假定的桿件進行連接。

圖2 ABD中所建特殊部位的結構模型

除此之外，在BIM核心建模軟件可以施加結構荷載和組合方式，但是對于地震荷載只能在結構分析軟件中添加。因此結構工程師可以選擇在BIM核心建模軟件中添加一部分荷載，也可以全部在結構分析軟件中進行統(tǒng)一添加。

3.3 BIM結構模型與分析模型的數據交換

在BIM核心建模軟件中創(chuàng)建滿足要求的結構模型后，通過數據接口將數據導入到結構分析軟件中。ABD提供了結構應用設計規(guī)范和相關設計參數的選擇，在輸出 STAAD.PRO之前，ABD依靠OpenSTAAD API來作為一種讀寫STAAD.PRO的方法。在導出分析程序的設計工具“設計選項”的設置中，將設計代碼數據映射成參數，可在任何時間修改單個構件或構件選擇集的這些參數，見圖3。

圖3 修改各參數對話框

本工程由多個鋼支架組成，且各部分間多數沒有相互作用。因此采用分別創(chuàng)建、分別導入的方法進行工作。由于BIM核心建模軟件對硬件要求較高，對于超大模型可采用“樓層疊加”方法分兩次轉換，并進行人工組合。圖4為該項目在ABD中所建的結構模型，圖5為通過數據共享導入STAAD.Pro中的分析模型。

圖4 ABD中所建的結構模型

圖5 導入STAAD.Pro中的分析模型

圖6為該工程中較為復雜的結構，對于復雜部位ABD中所見模型不能滿足結構要求的，需要在STAAD.Pro中進行修改。該圖為修改、計算后分析模型，圖7為導入ABD中的結構信息模型。

圖6 修改、計算后的STAAD.Pro分析模型

通過本工程實例，在ABD與STAAD.PRO的互導實踐中。我們不難發(fā)現(xiàn)，其互導內容包括:分析構件、荷載、荷載工況、荷載組合、構件約束、邊界條件，甚至像構件偏移這樣的物理屬性也應能夠被轉化。這意味著這兩者之間不僅能實現(xiàn)物理模型間的互導，同樣能實現(xiàn)分析模型的互導。并且對于常規(guī)模型基本能實現(xiàn)無縫連接，對于特殊結構需要人為的干預、修改，以滿足結構計算要求。

圖7 導入ABD中的結構信息模型

Bentley開發(fā)的另一種ISM數據格式，其支持第三方應用，且提供ISM平臺可供管理和修改模型。但是創(chuàng)建結構模型時，用于生成計算模型的梁柱等一定要附加分析特性，否則將不能被輸出為ISM模型對象。在STAAD.Pro模型中因設計需要修改模型時，如還需后續(xù)更新ISM模型，就只能修改桿件的截面尺寸;不能新建，移動和刪除模型，否則會造成ISM模型同步錯誤。新建、移動和刪除模型的工作可以回到Structure Modeler完成，然后更新ISM模型，再由STAAD同步更新計算模型。目前版本分析特性的意義只限于帶截面的幾何模型，即物理模型。不包含用于計算的桿件端部約束釋放和荷載，在ABD中建立這些屬性是徒勞的。因此本文沒有將這種數據格式作為重點探討。

4 BIM核心建模軟件與結構分析軟件鏈接的實現(xiàn)方式及技術需求

BIM核心建模軟件與結構分析軟件無縫鏈接的實現(xiàn)能解決結構工程師在BIM設計中重復建模問題，從而使整個結構設計模型統(tǒng)一，以便于修改和管理。

4.1 二者鏈接的實現(xiàn)方式

BIM核心建模軟件與結構分析軟件的鏈接的實現(xiàn)其實就是對二者信息的提取和過濾，從而實現(xiàn)二者的映射和聯(lián)動。BIM模型提供大量的信息，將其中的結構信息篩選出來較為困難。而分析模型導入BIM模型中相對簡單。例如:ABD與STAAD.Pro的鏈接主要通過截面映射、國家代碼分配、設計規(guī)范和設計參數等步驟完成。

4.2 技術需求分析

雖然上述工程案例基本實現(xiàn)了BIM模型與分析模型的轉化，但是結構設計中本土化較好的分析軟件與BIM核心建模軟件的鏈接多數只停留在物理模型的轉化階段，二者不能實現(xiàn)完全的無縫鏈接。不考慮設計階段我國特有的平法出圖問題，單從結構設計階段考慮，根據切身的BIM工程經驗和反饋，列出表1中的技術需求。

表1 鏈接需求功能統(tǒng)計

5 總結和建議

(1)BIM核心建模軟件與結構分析軟件主要通過多個文件映射實現(xiàn)數據共享。盡量加入少量的工作量實現(xiàn)簡單結構的互導。

(2)復雜結構單元的定義要制定標準，規(guī)范參變量的名稱和涵義，以便不同軟件之間進行數據交換和共享，實現(xiàn)BIM技術價值最大化。

(3)BIM核心建模軟件與國內主流結構有限元計算軟件連接問題，亟待解決。

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