基于BIM的框架結構參數化設計研究

陸海燕 鐘鐵夫 王秀文

(1.沈陽工業(yè)大學建筑與土木工程學院，沈陽 110870；2.遼寧正大工程造價事務所有限責任公司，沈陽 110002)

基于BIM的框架結構參數化設計研究

陸海燕1鐘鐵夫1王秀文2

(1.沈陽工業(yè)大學建筑與土木工程學院，沈陽 110870；2.遼寧正大工程造價事務所有限責任公司，沈陽 110002)

本文分析了建筑結構平法施工圖及BIM模型中結構構件的對象類型和描述方式，結合框架結構的設計特點，提出了一種基于BIM技術的框架結構參數化設計模型。通過對Autocad 及BIM軟件二次開發(fā)，并以Excel作為數據儲存及補充輸入工具，實現了二維圖形中Satwe計算結果及結構施工圖中結構構件信息的提取，完成了框架結構配筋的優(yōu)化設計及BIM三維自動建模與交互式設計，在 Catia上進行了程序實現，并將其應到實際工程中。

BIM；框架結構；參數化；二次開發(fā)；Catia

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2015.05.19

引言

目前框架結構設計中，普遍采用建筑結構施工圖平面整體設計方法(平法)表達，它將結構構件的配筋、定位和尺寸等直接表達在二維平面布置圖上，改變了傳統的將各個構件逐個繪制詳圖的繁瑣制圖方法，極大地提高了設計效率[1]，但平法施工圖采用以Autocad 為代表的二維圖形文件作為設計手段，其存在著信息表達不直觀、鋼筋定位信息不全、特別是節(jié)點部位鋼筋信息設計深度不夠等缺點。二維設計的實質是將復雜的三維結構分解成簡單的二維平面圖、立面圖和剖面圖形加以設計，然后通過人的思維建立起完整的模型，這種二維設計思想不僅制約了設計人員的創(chuàng)造力，而且也是造成設計不合理或者錯誤的根源[2]。因此，有必要進行更為精確的三維優(yōu)化設計。

BIM技術具有強大的三維設計功能，使得設計不但具有三維可視化和協同的特性，而且可做到設計信息自動存儲和提取。BIM模型中所有的結構件都是具有一定意義的三維實體，提供的信息量完整，且三維顯示直觀并可實時觀察，使結構設計者能夠準確地把握結構布置的合理性及結構細部構造特征，能很好地提高設計的深度和準確性。本文結合工程實踐、提出框架結構基于BIM的參數化設計模型，通過對Autocad和Catia 二次開發(fā)，在Catia上進行了程序實現，并將其應到實際工程中。

1 BIM與參數化設計

1.1 BIM

BIM模型是一種全新載有信息的圖形模型，其基本單位不再是簡單的、沒有明確含義的點、線、面和體，而是具有明確建筑意義的、數字化的實體對象。BIM采用對象模型來描述和表現現實世界中紛繁復雜的建筑構件，BIM模型除了幾何數據外，更有大量的工程信息數據，因此BIM模型中的三維模型與那些用于表現視覺效果的三維模型或Autocad二維設計模型，有著本質的區(qū)別，具體表現在可視化設計、各專業(yè)協同設計和建筑信息化方面。BIM技術的應用，可大幅度減少設計失誤，提高設計質量，可解有效的設計中的碰觸問題。更為重要的是BIM中的信息化，可以將建筑相關的專業(yè)有效的結合在一個平臺下，如建筑設計中立項審批、建筑設計、施工、監(jiān)理、造價和管理部門的竣工驗收等均可在BIM平臺下進行，這對于促進行業(yè)的規(guī)范發(fā)展、提高建筑業(yè)的信息化管理水平具有重要意義[3-4]。

1.2 參數化設計

參數化設計的歷史悠久，在機械制造、電子和航空工業(yè)等方面得到了廣泛應用，其核心思想是把設計對象模型化和數字化。就建筑設計而言，在參數化設計中，整體建筑是一個大的對象，它是由若干基本對象組成，如梁、板、門、窗等建筑元素均可作為基本對象。若把建筑抽象成一個類，則組成建筑物的基本對象也可以抽象為基類，這樣我們就可以用數字化的模型來描述特定建筑對象，形成一個數字化的建筑模型?？梢妳祷O計和BIM模型是統一的，可以用各種參數來對BIM模型進行約束，從而達到快速建立BIM模型，也可以通過參數進行優(yōu)化設計和模型中各種信息的提取等。

參數化設計包含參數化模型和對模型的操作兩層意思[5]，在參數化設計中，模型可視為類，而模型的實體可視為對象。在面向對象的程序設計思想中，對象的參數可分為屬性參數和行為參數，對象的行為參數是對對象實體自身和對象之間關聯的響應[6]，對象的屬性參數是對對象自身復雜的結構特性有效的描述，參數化設計可以實現類和對象之間的動態(tài)設計，即模型類參數的修改，會引起對應的實體對象做相應的聯動修改，極大地提高了工作效率。參數化設計作為一種面向對象的設計方法，建筑模型的數據不再是孤立的，更注重模型內部及模型之間的拓撲關系。通過這種拓撲關系，不同的對象得以組合得到建筑實體，從而為采用計算機程序對建筑形體和結構進行優(yōu)化設計提供了可能。

2 框架結構參數化建模

參數化建模的變量是參數而不是簡單的數值，參數可以是幾何數值和材料屬性等，通過改變模型中的參數而驅動模型的變化。Catia參數化建模的思想主要是先進行模型的設計，然后把限定構件模型屬性的坐標、尺寸、材料等信息定義成參數，通過給參數賦值驅動Catia內部對象完成模型的設計，賦值不同的參數，得到不同的參數化模型實例?？蚣芙Y構中梁柱設計主要是節(jié)點區(qū)域和非節(jié)點區(qū)域(梁柱自身)配筋的設計，由于規(guī)范構造要求繁多，除要滿足承載力要求所需要的鋼筋面積外，還有更為繁雜的工程中梁柱布置的多樣性，因此框架結構中梁柱的配筋是千變萬化的。通過對結構設計規(guī)范有關條文的深入理解，并充分考慮到結構設計和施工的可行性與方便，結合以往的工程設計經驗和參數化設計思想，我們對框架結構的設計提出將梁柱構件的建模分成為節(jié)點區(qū)域和非節(jié)點區(qū)域兩個階段分別建模的參數化設計模型。

(1)非節(jié)點區(qū)域的參數化設計模型

如圖1和圖2所示。在這一階段，梁柱按照自身受力需求進行鋼筋配筋設計，而不考慮節(jié)點部位的連接情況，即把梁柱看作是“光頭光腳”單個桿件進行設計。

圖1 梁非節(jié)點域參數化模型

圖2 柱非點節(jié)域參數化模型

(2)節(jié)點區(qū)域的參數化設計模型

在這一階段，主要解決梁柱端點處鋼筋分布及錨固情況，將節(jié)點設計成參數化模型，由節(jié)點的關聯函數將節(jié)點區(qū)域與非節(jié)點區(qū)域連接起來。對常用的梁柱節(jié)點連接情況，我們構造處如表1所示節(jié)點區(qū)域的參數化設計模型。

(3)參數化設計的兩階段實施策略

第一階段是不考慮節(jié)點的實際連接情況，完成梁柱非節(jié)點區(qū)域的設計。首先根據設計要求確定出梁柱截面尺寸參數[7]；再根據計算需求確定出配筋參數；最后根據梁柱端點坐標，在Catia中繪出實體模型，進而形成框架結構含有配筋的設計模型。

第二階段是節(jié)點設計。提取第一階段形成的框架模型的梁柱節(jié)點，以此進行遍歷，確定出每個節(jié)點的參數化設計模型，通過關聯函數完成節(jié)點的配筋優(yōu)化設計。

將上述兩個階段結合在一起，即可完成框架結構的整體設計。

3 Catia軟件二次開發(fā)

Catia是由法國達索公司(Dassault Systems)研究開發(fā)的基于BIM的三維結構設計軟件，由于其具有強大的曲面造型能力，廣泛應用于飛機，汽車，機械等領域。隨著國內對BIM研究和應用的深入，Catia也被廣泛的應用于建筑結構設計領域。二次開發(fā)是對軟件用戶化和專業(yè)化的有效方法，在提高軟件的應用效率和專業(yè)性方面有著非常重要的作用[8]。目前Catia開發(fā)主要有兩種方式，即進程內應用程序方式和進程外應用程序方式[9-10]。本文采用進程外應用程序方式對Catia二次開發(fā)，具體開發(fā)過程祥見流程圖4，代碼如下。

'提取EXCEL中信息

Set xlapp = CreateObject("Excel.Application")′Excel對象

Set xlbook = xlapp.Workbooks.Open("C:aaa.xlsx")′工作簿

Set xlsheet = xlbook.Worksheets(1)′工作表

xlapp.Visible = True ′設置EXCEL對象可見(或不可見)

xlapp.Quit

′創(chuàng)建梁柱實體

Set shapeFactory1 = oPart.ShapeFactory

Dim oRib() As Rib

ReDim Preserve oRib(ColNum)

Set oRib(i) = apeFactory1.AddNewRibFromRef()

oPart.Update

′創(chuàng)建選擇集

Dim Selection As Selection

Set Selection =oPartDoc.Seclection

′在當前選擇集中查找Rib

Dim FindObjectAsAnyObject

Set FindObject=Seclection.FindObject(”CATIARib”)

′獲取點坐標

Set TheSPAWorkbench

=CATIA.ActiveDocument.GetWorkbench("SPAWorkbench")

Set reference1 = oPart.FindObjectByName("p_2")

Set measureObj = TheSPAWorkbench.GetMeasurable(reference1)

measureObj.GetPoint Coordinates1

圖4 Catia二次發(fā)流程

圖5 實施方案流程圖

4 實施方案

為了實現梁柱參數化設計，采用面向對象的程序設計方法，分別對Autocad 及Catia進行二次開發(fā)，以Excel表格作為數據儲存及補充輸入工具，并結合參數化模型，在Satwe、Autocad、Excel和Catia多平臺軟件上完成梁柱設計。實施方案見流程圖5，具體步驟如下：

圖6 框架結構平面布置圖

(1)通過圖形識別方法對二維框架結構平面布置圖進行識別，得到框架信息，結合梁柱參數化模型

形成梁柱節(jié)點信息，結果存入到Excel中；

(2)將Satwe軟件的框架結構中梁柱計算結果轉成CAD文件，通過圖形識別得到梁柱計算的配筋需求，結果存入到Excel中；

(3)通過框架結構中梁柱參數化模型得到各梁柱的實際配筋方案，并將結果存入到Excel中。通過Catia二次開發(fā)，讀取Excel的梁柱信息，在Catia軟件上完成梁柱建模；

(4)采用人工交互式方式在Catia中對梁柱配筋進行調整和碰幢檢驗，；

(5)讀取Catia中梁柱信息，生成二維CAD 框架梁柱配筋平面圖，并提取梁柱工程量信息。

5 某框架結構梁柱設計

某12層辦公樓，框架結構，抗震等級為三級，設計中采用HRB400鋼筋，混凝的強度等級為C30，其結構平面布置圖如圖6所示。結構計算采用PKPM軟件，BIM采用Catia。采用本文提出的參數化設計方法進行設計，框架配筋結果見圖7，由于引入優(yōu)化選筋算法和BIM可視化設計，梁柱配筋量明顯較小，據業(yè)主方統計鋼筋損耗小于1.5%，而成本核算中的鋼筋損耗值為2%，可見采用本文提出的方法是可行的。

圖7 Catia框架配筋結果

6 結語

本文對Autocad及Catia進行二次開發(fā)，并結合參數化設計模型，在Satwe、Autocad、Excel和Catia多平臺件上完成了梁柱參數化設計。實踐工程應用表明，本文提出的梁柱參數化設計方法有廣泛的適應性，可大大提高設計質量，節(jié)省工程成本。通過本文的研究可得出如下結論：

(1)參數化設計是BIM模型實現的重要方法，通過參數建模方式既可以解決建筑結構設計中復雜力學要求和規(guī)范構造要求，也可以解決BIM建模效率低的問題。參數化模型可作為BIM解決工程中各種實體對象的一種手段。

(2)BIM技術不只是一個軟件的使用問題，而是一門技術。BIM具有多平臺的特性，僅僅依靠一兩個軟件來完成所有的設計還不現實。

(3)BIM采用參數化設計，結構設計由二維點、線、面的組合問題轉變三維實體組合問題，這樣可以減少設計的工作量、提高設計質量。

(4)利用Catia 提供的API函數對Catia 二次開發(fā)可以更好地完善和拓展Catia的功能， 以適應實際工程復雜多樣的特點。

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Research on Parametric Design of Frame Structure based on BIM Technology

Lu Haiyan1, Zhong Tiefu1, Wang Xiuwen2

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,China; 2.LiaoningZhengdaEngineeringFirmLimitedLiabilityCompany,Shenyang110002,China)

In this paper, the flat method construction drawing of building structure and the object type and description mode of the structural members in the BIM model are analyzed. Based on the design features of the frame structure, it proposes a parametric design model of frame structure based on BIM technology. with the secondary development of AutoCAD and BIM software and with Excel as the data storage and additional input tool, it achieves the information extraction of Satwe calculation results in the two-dimensional graphics and structural members in the structure construction drawing, accomplishes the optimization design of frame structure reinforcement and automatic three-dimensional BIM modeling and interactive design, carries out the program implementation on CATIA, and applies it to the practical engineering.

BIM; Frame Structure; Parameterization; Secondary Development Technology; Catia

陸海燕(1970-)，男，博士，講師，一級注冊結構工程師。主要研究方向：建筑結構優(yōu)化設計及BIM軟件的應用與開發(fā)研究。

TU17；TU375.4

A

1674-7461(2015)05-0107-06