基于BIM 的結構自動導載系統(tǒng)研發(fā)和協(xié)同方法改進

任 彧 戴一鳴

(福建省建筑設計研究院，福州 350001)

引言

BIM 在建筑設計領域的應用已獲得了廣泛的認同，BIM 軟件可以實現(xiàn)三維可視化，可以實現(xiàn)平、立、剖面的聯(lián)動修改，大大提升了建筑設計的工作效率和設計質(zhì)量，減少了錯漏碰缺。基于BIM 應用軟件被業(yè)界公認是下一代最佳的設計信息平臺。但是，同樣的技術在結構設計領域并沒有獲得結構工程師的熱烈反響。這就使得我們要反思:BIM 在結構專業(yè)領域的應用價值究竟在哪里?

1 結構專業(yè)BIM 應用研究的現(xiàn)狀

近年來有關BIM 技術的論文大量出現(xiàn)，但絕大部分都還僅僅只是針對某個工程的介紹性文章或介紹行業(yè)動態(tài)的文章。對基于BIM 的設計應用系統(tǒng)性總結或?qū)嶋H的高水平應用還相對缺乏?；谥袊W(wǎng)的文獻檢索，在3 663 篇關于BIM 的論文中，與結構設計相關的論文僅有104 篇，占BIM 論文總數(shù)的2.8%?？梢夿IM 技術在結構設計領域的研究尚未引起足夠的重視。

BIM 在結構設計中的應用主要涉及三方面:結構專業(yè)與其他專業(yè)的協(xié)同設計;BIM 建模軟件與結構計算軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;基于結構BIM 模型形成本土化施工圖的問題。文獻［1］指出，BIM 物理模型與結構分析模型的鏈接障礙是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的難點之一，要實現(xiàn)"無縫"數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，需要有成熟的轉(zhuǎn)換標準或數(shù)據(jù)接口。文獻［2～4］對IFC 標準在結構設計領域的開發(fā)工作及相關評估進行了分析，認為在理論上，IFC 標準可滿足結構設計的數(shù)據(jù)需求。文獻［5～10］指出在工程應用中，由于不同軟件的核心數(shù)據(jù)架構并不完全對等，使得在不同的軟件在進行IFC 文件交換時，不可避免的出現(xiàn)信息缺失與錯誤等結果;基于IFC 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在真正運用于工程實踐之前，尚需要進一步的發(fā)展。文獻［11～14］探討了中國工程界廣泛應用的平面表示法在BIM軟件平臺的實現(xiàn)問題，指出可以在BIM 應用軟件中實現(xiàn)平面表示法表達，但是尚未解決自動化或半自動化形成平面表示法施工圖的問題。文獻［15～18］指出了BIM 可視化技術在大型復雜結構中的成功運用，就協(xié)同設計、管線碰撞檢查、深化設計等問題進行了分析，指出了BIM 可視化技術在結構設計中的應用前景。

現(xiàn)有文獻對“結構專業(yè)與其他專業(yè)的協(xié)同設計問題”基本沒有涉及。

2 BIM 簡介

為便于討論的展開，下面對BIM 的相關理論問題進行簡單回顧。

BuildingSmart 是BIM 國際標準的主要制訂者。他們提出:BIM 技術的3 大支柱是IFC 標準、IDM 方法和IFD 標準。其中IFC 標準是面向?qū)ο蟮摹⒐_的、中性的數(shù)據(jù)格式，用于定義建設項目全生命周期所有階段的信息，目標是實現(xiàn)不同軟件之間進行無損的信息交換。IDM 方法是面向?qū)I(yè)領域的應用，定義了專業(yè)間信息交換的內(nèi)容。如果將IFC 比喻為一個藥鋪，那么IDM 就相當于某位醫(yī)生開出的藥方。IDM 的技術架構同時涉及BIM 用戶和軟件供應商。同一事物在自然語言中有多樣化的表述，比如“天花”又叫“吊頂”，再加上國際化背景下各國語言的差異，使得信息交換的準確性存在困難。IFD 標準正是解決標準化信息交換的理解問題，采用了概念和名稱或描述分離的策略。

圖1 IFC 與IDM 關系圖

由以上介紹可知，IFC 和IFD 是面向軟件開發(fā)商的，專業(yè)領域用戶無需關心技術細節(jié)。提高專業(yè)領域應用效率的主要理論研究方向應該是IDM領域。

3 結構設計領域BIM 化改造存在的問題

首先，讓我們回顧一下在前BIM 時代是如何進行結構設計的。圖3 給出了某個大跨度空間鋼結構的設計流程圖:1)結構設計人員通過二維圖紙獲取建筑專業(yè)提供的設計條件，在AutoCAD 平臺下進行3 維單線模型的建模;2)然后將有關幾何拓撲信息傳遞到SAP2000 結構分析軟件中，在補充了構件規(guī)格的定義，并分析證實符合規(guī)范的相關規(guī)定后，可以通過AutoCAD 數(shù)據(jù)插件將SAP2000 模型數(shù)據(jù)讀回CAD 中，并基于模型形成施工圖;3)同時SAP2000 的模型數(shù)據(jù)可以直接傳遞給Xsteel 軟件進行深化設計，Xsteel 軟件可以實現(xiàn)基于三維模型的自動化生成加工圖。

通過以上分析，我們可以看到結構專業(yè)內(nèi)的工作是圍繞著結構信息數(shù)據(jù)庫進行的。我們也看到了信息在多個軟件間的自動共享和流動。由此我們可以得出結論:傳統(tǒng)的結構設計事實上已經(jīng)在專業(yè)內(nèi)部實現(xiàn)了準BIM。信息的損失主要發(fā)生在專業(yè)間信息交換的界面上。因此，對結構設計領域進行BIM 化改造的重點顯然應該針對信息損失界面。

圖2 前BIM 時代的結構設計流程

當前結構設計軟件開發(fā)商(如探索者、盈建科公司等)將主要研發(fā)精力集中在兩個領域:BIM 核心建模平臺和結構分析軟件的數(shù)據(jù)交換以及BIM平臺上的施工圖自動生成。

這些研發(fā)工作面臨著不小的困難:1)國產(chǎn)結構分析軟件是按照“標準層+樓層組裝”的2.5D 模式進行數(shù)據(jù)管理的，與真三維的BIM 建模方式存在信息交換不對等的問題;2)國產(chǎn)結構分析軟件是按照有限元剖分的要求進行桿件劃分，而在BIM 建模中通常是按照工程邏輯進行桿件劃分的，也存在信息交換不對等的問題;3)由于結構分析的專業(yè)性，使得結構計算數(shù)據(jù)庫尚無法整合進BIM 中心數(shù)據(jù)庫。這就使得平行數(shù)據(jù)的一致性維護會經(jīng)常發(fā)生，降低了結構設計人員的工作效率。上述問題在當前還沒有得到完整地解決。

更重要的是，這些研發(fā)只不過是將傳統(tǒng)設計流程復制到BIM 核心建模平臺上。在當前的BIM 環(huán)境下，結構設計人員的工作效率沒有得到提高，還要面對陌生的操作環(huán)境，付出額外的學習成本;同時由于軟件功能的限制，平行的多套數(shù)據(jù)頻繁更新，影響了操作體驗。

這就是當前結構設計領域BIM 應用熱度不高的主要原因。

4 自動導載系統(tǒng)的研發(fā)

結構設計的一般流程如下:1)首先需要在空間約束條件下進行結構體系的布置;2)根據(jù)使用功能條件，進行恒荷載和活荷載的導算;3)根據(jù)建筑物所處的場地條件，確定抗震、抗風設計條件，然后進行結構分析計算;4)進行結構分析。如果滿足規(guī)范要求，則轉(zhuǎn)入細部設計生成施工圖;如不滿足則回到第1 步進行調(diào)整。上述四個步驟中，第1、2 步的外部信息可以從BIM 模型中充分獲取，第3 步所需的外部信息應根據(jù)設計規(guī)范確定，與BIM 模型無關。由上述分析可知，荷載導算工作是結構設計的重要環(huán)節(jié)，而且可以在BIM 模型中獲取完整的信息。

圖4 自動導載系統(tǒng)框架圖

當前導載工作主要依靠手工進行，人工導載的質(zhì)量與結構工程師的經(jīng)驗密切相關;缺乏經(jīng)驗的工程師往往會出現(xiàn)荷載遺漏、荷載取值不當以及其他的人為錯誤;同時由于各種原因，建筑設計條件頻繁修改，采用人工導載的辦法往往會造成建筑條件的修改不能同步反映在結構電算模型中，使得結構設計存在安全隱患。

針對上述問題，我們研發(fā)了基于BIM 的結構自動導載系統(tǒng)(以下稱ALCS 系統(tǒng))。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于:1)自動生成的載荷數(shù)據(jù)直接來源于BIM 數(shù)據(jù)庫，避免了由于人為疏忽造成荷載漏算的可能，提高了結構設計的安全性;2)通過荷載同步更新的算法，可以實現(xiàn)荷載數(shù)據(jù)與建筑BIM 模型、結構電算模型的同步更新，可以大大提高結構設計的工作效率。

ALCS 系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)層、處理層和輸出層。重點解決了以下問題:

(1)基于BIM 的荷載信息存儲技術

定制專門的荷載族，使得該族具備存儲和顯示荷載信息的功能;同時該族的實例將記錄自身在邏輯上從屬的結構構件實例的標識，以及作為數(shù)據(jù)來源的建筑或設備對象實例的標識。通過基于BIM的荷載信息存儲技術，實現(xiàn)建筑BIM 模型全專業(yè)數(shù)據(jù)在結構計算模型層次上的統(tǒng)一。

(2)結構BIM 對象

由于結構專業(yè)對于幾何數(shù)據(jù)的處理邏輯與建筑專業(yè)存在較大的不同。例如:建筑BIM 模型中的樓板在板面標高、板厚度一致的條件下，允許樓板對象實例跨房間設置(甚至全層一個對象);但是結構BIM 模型則需要根據(jù)梁格分別布置板對象。因此，需要在BIM 模型中設置僅結構專業(yè)內(nèi)部可見的專用對象，這些專用對象仍需保持與其它專業(yè)對象的相關關系。

(3)基于BIM 的荷載獲取算法

在點狀分布、線分布以及面分布的建筑或設備對象實例上增加重量或密度屬性，利用幾何屬性與物理屬性獲得建筑或設備對象實例的力學屬性，再根據(jù)對象實例的空間屬性確定從屬的樓層號，然后根據(jù)樓層的拓撲信息確定荷載信息的從屬的結構對象，并建立關聯(lián)。

(4)基于BIM 技術和專家知識庫的荷載管理技術

由于實際工程幾何相關關系的復雜性，結構計算需在一定簡化條件下進行。將荷載屬性與結構對象進行關聯(lián)時，不能僅按照數(shù)學意義上的相關關系進行處理，而是要按照工程設計的技術習慣進行預處理后，再將各類荷載與結構對象進行關聯(lián)。換而言之，需要將初始的點、線、面荷載形態(tài)根據(jù)結構電算模型的架構進行當量變換。從結構計算的技術原理來說，荷載對象應只從屬于唯一的結構構件對象。

(5)基于BIM 的荷載輸出技術

目前結構專業(yè)計算軟件尚不能與BIM 平臺軟件實現(xiàn)完全嵌入，因此需要解決BIM 數(shù)據(jù)庫到專業(yè)計算軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞?？紤]到荷載數(shù)據(jù)與建筑條件的關聯(lián)性、完備性，只允許從BIM平臺驅(qū)動結構專業(yè)計算軟件，而不允許反向的數(shù)據(jù)流。

圖5 自動導載系統(tǒng)的流程圖

由于建筑BIM 對象和結構BIM 對象間存在復雜的對應關系，舉例來說:一段建筑隔墻可能跨越多跨結構梁;一跨結構梁上可能承受多個建筑構件。將導載過程拆分為面向建筑對象的一次導載和面向結構對象的二次導載，并保存必要的中間結果，可以較好地解決復雜對應問題。

圖6 自動導載系統(tǒng)演示

在上述算法的基礎上，福建省建筑設計研究院和探索者軟件公司協(xié)作開發(fā)了相應的軟件產(chǎn)品。該產(chǎn)品可以實現(xiàn)全專業(yè)BIM 模型的一鍵式導載，大大提升了導載計算的工作效率和正確性。該產(chǎn)品在研發(fā)中還充分考慮了工程實踐經(jīng)驗，可以按照工程師指定的導算原則，自動進行荷載偏心處理、板上局部荷載導算、梁上非均布荷載的等效均勻化處理等工作。ALCS 系統(tǒng)還可以實現(xiàn)導載計算過程的回溯，可以自動顯示某項荷載對應的非結構構件，大大方便了校審人員的工作。

圖7 導載回溯功能演示

5 結構協(xié)同設計方法的改進

目前國內(nèi)工程設計環(huán)境現(xiàn)狀，施工圖設計階段往往需要進行多達十幾輪的修改，而且相當數(shù)量的修改是發(fā)生在設計接近完成時。在這種高完成度條件下上游數(shù)據(jù)的差異識別是我們急需解決的問題。在前BIM 時代，設計人員面對的僅是10MB 級別的DWG 文檔，可以通過圖元識別的方法自動進行(例如ViewCompare 軟件)。但是在BIM 時代，設計人員面對的是100MB 甚至是GB 級別的BIM 模型數(shù)據(jù)，而且BIM 模型是基于參數(shù)化方法組裝而成，尚沒有自動差異識別方法。在某種程度上，BIM時代豐富的信息反而帶來協(xié)同工作的困難。傳統(tǒng)的“識別靠瞅”的協(xié)同，不能適應BIM 時代的海量數(shù)據(jù)。

總之，基于BIM 全專業(yè)數(shù)據(jù)庫不會自動形成高效的專業(yè)間協(xié)同。自動高效獲取專業(yè)以外數(shù)據(jù)是BIM 時代專業(yè)間協(xié)同的主要價值所在。

BIM 模型中非結構構件包含了大量的信息，例如:顏色、材質(zhì)、外觀尺寸等等。通過我們研發(fā)的荷載自動導算系統(tǒng)，可以將BIM 核心建模軟件中難以直接量化的多維度非結構信息轉(zhuǎn)換為荷載信息，實現(xiàn)了非結構構件數(shù)據(jù)維度的降低。從這個意義上說，荷載信息集合就是所有非結構構件的“影子模型”。數(shù)值化的“影子模型”不但可以減少數(shù)據(jù)存儲量，而且不需要復雜的邏輯算法就可以實現(xiàn)計算機自動的精確差異識別。如果比對不同時點保存的荷載“影子模型”，就可以自動識別不同時點模型之間的差異。因此，利用我們研發(fā)的ALCS 系統(tǒng)可以提升BIM 環(huán)境下的專業(yè)間協(xié)同的效率。

圖8 改進后的基于BIM 的結構設計流程

此外，結構設計中需要解決建筑全生命周期中的荷載不確定性問題。同時，由于結構設計在安全冗余度方面的要求，使得在進行結構導載計算的時候并不追求絕對的精確。導載計算時應該按照工程原則確定導載的精度。換而言之，結構導載計算存在著對其他專業(yè)修改的敏感閾值。利用自動導載系統(tǒng)的精度設定，可以將其他專業(yè)不影響結構設計的微小改動自動過濾，可以避免不必要的人工干預。

6 總結

基于BIM 的結構自動導載系統(tǒng)的研發(fā)不但實現(xiàn)了結構專業(yè)設計過程的自動化，而且是對IDM 方法的發(fā)展。如果將IFC 比喻為一個藥鋪，那么經(jīng)我們改進的IDM 方法就使得藥方中不再只包括草藥，還可以是藥丸、藥膏。通過在專業(yè)間信息交換界面上設置數(shù)據(jù)預處理模塊，使得專業(yè)間信息交換的數(shù)據(jù)量顯著較少，顯著改善了專業(yè)間協(xié)同工作效率。

通過本文的研究，我們提出了在專業(yè)協(xié)同中交換數(shù)據(jù)自動降維的處理方法和基于“影子模型”快照的差異識別方法，使得BIM 數(shù)據(jù)應用方法得到了發(fā)展。同時，上述BIM 應用方法不但可以在結構設計領域創(chuàng)造價值，也可以應用于其他專業(yè)領域。

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