基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題研究

蔣慧 李希勝

摘 要：為促進(jìn)BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，本文基于BIM技術(shù)、協(xié)同設(shè)計(jì)原理與LOD理論，采用系統(tǒng)分析方法建立基于BIM-Revit的建筑結(jié)構(gòu)施工圖協(xié)同設(shè)計(jì)流程，分析協(xié)同設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)傳遞存在的問題，借助Revit二次開發(fā)平臺和Export/Import Excel插件解決BIM模型轉(zhuǎn)換過程中信息提取與轉(zhuǎn)換的問題，并提出建立符合結(jié)構(gòu)施工圖出圖標(biāo)準(zhǔn)以及BIM交付標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)族庫的建議，以實(shí)現(xiàn)在Revit中出具結(jié)構(gòu)平法施工圖。研究成果有助于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息的有效傳遞及應(yīng)用，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：BIM-Revit;建筑結(jié)構(gòu);協(xié)同設(shè)計(jì);關(guān)鍵問題

中圖分類號：TU0201.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：1006-8023（2018）06-0102-07

Key Problems Research on Building Structure Collaborative

Design Based on BIM

JIANG Hui， LI Xisheng*

（College of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）

Abstract： In order to promote the application of BIM technology in the collaborative design of building structure， based on BIM， collaborative design principle and LOD theory， the system analysis method is used to establish a collaborative design process of building structure construction drawing based on BIM-Review， and analyze the problems of structure information data transmission in collaborative design process. Using Revit secondary development platform and Export/Import Excel plug-in to solve the problem of information extraction and transformation in BIM model transformation process. It is proposed to establish a structural standard design family and library that conforms to the structural construction drawing standard and the BIM standard， in order to realize the structural leveling drawing in Revit. The research results are helpful to the effective transmission and application of structural design information， and to improve the quality and efficiency of structural design.

Keywords：? BIM-Revit; building structure; collaborative design; key problems;

0 引言

BIM（Building Information Modeling）以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑全生命周期的工程數(shù)據(jù)信息，已經(jīng)被建筑界視為節(jié)約成本、縮短工期的有力工具[1]。目前，建筑設(shè)計(jì)正處在從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)到BIM協(xié)同設(shè)計(jì)的過渡階段，亟需解決的主要問題集中在協(xié)同設(shè)計(jì)流程、信息數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)以及結(jié)構(gòu)施工圖出圖3個方面。盡管一些設(shè)計(jì)單位已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)成果從二維圖紙到三維模型的轉(zhuǎn)換，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)分析和施工圖設(shè)計(jì)仍然是兩個相互獨(dú)立的環(huán)節(jié)[2]。不少學(xué)者應(yīng)用RevitAPI二次開發(fā)平臺對模型信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，研究了Revit軟件和MIDAS、ETABS、ANSYS等常用的結(jié)構(gòu)分析軟件之間的交互操作，但仍存在信息丟失、遺漏等問題[3-7]。另外，Revit自帶的族無法滿足模型設(shè)計(jì)深度要求，出具的施工圖也不完全符合我國的出圖標(biāo)準(zhǔn)[8-10]。本文基于協(xié)同設(shè)計(jì)和LOD理論，以Revit為建模工具，建立了基于BIM協(xié)同設(shè)計(jì)流程，研究了建筑模型與結(jié)構(gòu)分析軟件的協(xié)同數(shù)據(jù)處理以及相關(guān)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)族創(chuàng)建問題，有助于解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的“信息孤島”問題，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

1 BIM協(xié)同設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式對比

1.1 BIM協(xié)同設(shè)計(jì)概念

協(xié)同設(shè)計(jì)即是通過建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，集成建筑、結(jié)構(gòu)和MEP等不同專業(yè)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息，在同一個BIM平臺下，各專業(yè)的設(shè)計(jì)信息通過鏈接協(xié)同方式被其它專業(yè)人員查看調(diào)用，相同專業(yè)間通過工作集協(xié)同方式同步更新設(shè)計(jì)模型，以便及時(shí)進(jìn)行高效準(zhǔn)確的信息流轉(zhuǎn)和共享[11]。協(xié)同設(shè)計(jì)首先應(yīng)該明確各專業(yè)模型設(shè)計(jì)深度和要求，確保設(shè)計(jì)信息數(shù)據(jù)高效傳遞和處理。

1.2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與BIM協(xié)同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對比

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用“線性”模式，從建筑設(shè)計(jì)開始，結(jié)構(gòu)和MEP等專業(yè)圍繞二維建筑圖紙展開，不同專業(yè)之間信息交換只能通過定期或者節(jié)點(diǎn)式的提供資料來實(shí)現(xiàn)。并且，結(jié)構(gòu)分析和施工圖設(shè)計(jì)是兩個互相獨(dú)立的環(huán)節(jié)，利用結(jié)構(gòu)分析計(jì)算得到的結(jié)果對施工圖設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，最終確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和配筋情況。這種設(shè)計(jì)模式缺乏有效的協(xié)作交流，建筑師傳遞給結(jié)構(gòu)工程師的指令以及結(jié)構(gòu)工程師反饋的設(shè)計(jì)信息容易發(fā)生混亂、遲滯，影響工作效率。

BIM協(xié)同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于同一個三維參數(shù)化模型的閉合“環(huán)形”，各專業(yè)可以通過中心服務(wù)器實(shí)現(xiàn)同步設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)計(jì)信息可以在上下游專業(yè)之間無縫傳遞和共享，且結(jié)構(gòu)分析和施工圖設(shè)計(jì)是一個整體，二者通過BIM模型實(shí)現(xiàn)信息共享和聯(lián)動變更，大大縮短了各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)時(shí)間，可以更高效、高質(zhì)量的完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

兩種設(shè)計(jì)模式流程分別如圖1和圖2所示，具體差異見表1。經(jīng)比較，BIM協(xié)同設(shè)計(jì)為各專業(yè)建立了良好的協(xié)作機(jī)制，摒棄了傳統(tǒng)、封閉的交流模式，能有效提高設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量。表1總結(jié)了兩種設(shè)計(jì)模式在信息載體、信息傳遞、交付內(nèi)容等方面的主要區(qū)別。

2 基于LOD的建筑結(jié)構(gòu)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)流程

2.1 組織及實(shí)施

（1）人員組織。一個完整的BIM協(xié)同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)主要由BIM項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、BIM專業(yè)負(fù)責(zé)人以及BIM 設(shè)計(jì)師組成，他們在項(xiàng)目進(jìn)行過程中協(xié)同配合，各司其職，以BIM項(xiàng)目負(fù)責(zé)人為核心形成直線式組織結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

協(xié)同小組人員根據(jù)《建筑工程設(shè)計(jì)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》明確各個階段的設(shè)計(jì)深度和具體職責(zé)。BIM項(xiàng)目負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)制定BIM相關(guān)工作計(jì)劃以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并統(tǒng)籌管理整個工作流程;專業(yè)負(fù)責(zé)人基于BIM協(xié)同平臺執(zhí)行項(xiàng)目計(jì)劃并監(jiān)管整個計(jì)劃實(shí)施過程;設(shè)計(jì)師則依靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及BIM軟件操作技術(shù)為項(xiàng)目提供技術(shù)支撐。具體的工作職責(zé)見表2。

（2）協(xié)同方法

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)同分為結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)部協(xié)同，以及與結(jié)構(gòu)與其他專業(yè)之間的協(xié)同。目前，Revit提供了兩種協(xié)同方式：基于工作集的協(xié)同及基于鏈接模型的協(xié)同。前者是在數(shù)據(jù)層面上的協(xié)同工作方式，即多個設(shè)計(jì)人員對同一個三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個設(shè)計(jì)人員獨(dú)立編輯自己所屬的工作集，建模過程中及時(shí)與中心文件同步，以完成專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)?？赏ㄟ^開啟和關(guān)閉工作集對其他成員的工作集進(jìn)行查看和隱藏，還可以通過相互借用其他人的工作集進(jìn)行交叉設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對成員間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享[12];后者是每個專業(yè)都有各自專業(yè)信息模型，通過外部鏈接的方式可以在自己的模型中瀏覽其他專業(yè)模型內(nèi)容，但無法對他人的文件進(jìn)行編輯。兩種模式區(qū)別見表3。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目特征、設(shè)計(jì)要求以及硬件平臺實(shí)際情況，合理選擇協(xié)同方式。

2.2 基于LOD300的協(xié)同設(shè)計(jì)內(nèi)容

LOD代表的含義是level of detail，即精細(xì)度等級。根據(jù)《建筑工程設(shè)計(jì)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：“建筑工程信息模型精細(xì)度應(yīng)由信息粒度和建模精度組成”，并提出了建筑信息模型工程設(shè)計(jì)的5個等級模型，分別為LOD100-LOD500 [14]。

（1）LOD300內(nèi)容

施工圖設(shè)計(jì)階段對應(yīng)的模型精細(xì)度等級為LOD300，對該等級建模所需要具備的結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息及相應(yīng)的信息深度要求進(jìn)行提取，整理見表4。

（2）按工作進(jìn)度劃分BIM協(xié)同設(shè)計(jì)內(nèi)容

開展基于LOD300的BIM協(xié)同設(shè)計(jì)工作，首先需要按照設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)度劃分工作節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)工作節(jié)點(diǎn)以及具體設(shè)計(jì)內(nèi)容確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)深度及設(shè)計(jì)成果，并根據(jù)各個節(jié)點(diǎn)的任務(wù)需求及設(shè)計(jì)深度明確各專業(yè)相關(guān)負(fù)責(zé)人及職責(zé)。表5按照項(xiàng)目進(jìn)度列出了施工圖設(shè)計(jì)階段協(xié)同設(shè)計(jì)的主要工作。

3 協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理

3.1 物理模型轉(zhuǎn)分析模型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵工作之一是將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析模型，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。轉(zhuǎn)換方式有兩種：僅交換分析模型和直接交換物理模型[15]。前者按結(jié)構(gòu)力學(xué)分析要求對模型簡化，忽略了偏心彎矩等問題;第二種交換模式更有助于保證結(jié)構(gòu)計(jì)算精度。

以PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件為例，經(jīng)實(shí)測，利用TSRevitFor 2016插件將Revit建立的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入PKPM進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，其結(jié)果與PKPM直接建模，并計(jì)算分析結(jié)果對比，結(jié)果基本準(zhǔn)確，但是在信息提取和傳遞過程中存在邊界條件及荷載丟失、荷載作用位置發(fā)生變化、復(fù)雜構(gòu)件和異形構(gòu)件無法導(dǎo)入等情況。

3.2 數(shù)據(jù)的深度挖掘

針對Revit和PKPM在結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型交換過程中出現(xiàn)的部分信息丟失問題，可用創(chuàng)建外部命令（IExternal Command）的方式開發(fā)基于Revit的API[16-17]。由于PKPM軟件平臺接口的封閉性，獨(dú)立開發(fā)PKPM的接口文件較為困難，可借助Export/Import Excel插件以第三方共享的形式將易丟失結(jié)構(gòu)信息導(dǎo)出為.xls格式文件，供用戶瀏覽、查詢以及編輯，及時(shí)對導(dǎo)入PKPM中的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行補(bǔ)充和修正。如使用Revit的Export/Import Excel插件導(dǎo)出邊界條件以及結(jié)構(gòu)荷載等相關(guān)數(shù)據(jù)，以完善轉(zhuǎn)換模型的數(shù)據(jù)信息。

（1）邊界條件

由于Revit和PKPM之間的交換插件不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致在Revit中創(chuàng)建的邊界條件無法隨結(jié)構(gòu)模型同時(shí)導(dǎo)入PKPM中，為此編寫代碼對邊界條件進(jìn)行提取，并重載創(chuàng)建以解決交換障礙。借助Export/Import Excel插件導(dǎo)出邊界條件的提取結(jié)果如圖4所示。缺失的邊界條件信息可以在Excel中被瀏覽及查詢，為后續(xù)模型導(dǎo)入PKPM提供參照。

（2）結(jié)構(gòu)荷載

在Revit中建立的結(jié)構(gòu)荷載無法在模型轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行轉(zhuǎn)換設(shè)置，必須在PKPM中通過人工再次創(chuàng)建相應(yīng)荷載，這無疑增加了重復(fù)工作，而且與BIM一模多用的理念相悖。通過編程提取結(jié)構(gòu)荷載信息，再運(yùn)用Export/Import Excel插件導(dǎo)出提取結(jié)果，如圖5所示，這為PKPM模型重新創(chuàng)建荷載提供參考依據(jù)。

4 相關(guān)結(jié)構(gòu)族的建立與完善

目前，基于Revit建模軟件的族和出圖標(biāo)準(zhǔn)與我國的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不一致，要實(shí)現(xiàn)基于Revit的施工圖設(shè)計(jì)出圖，還需要對構(gòu)件族、注釋族加以完善[18]。建立一套符合我國出圖標(biāo)準(zhǔn)的智能化符號和注釋，既有助于提高出圖效率也方便專業(yè)內(nèi)的協(xié)同設(shè)計(jì)。

（1）各類標(biāo)頭及常規(guī)注釋。Revit中提供的注釋符號僅供輔助表達(dá)結(jié)構(gòu)施工圖，在實(shí)際應(yīng)用過程中有些特殊符號缺失，部分注釋符號不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因此需要根據(jù)我國制圖標(biāo)準(zhǔn)對缺失的符號進(jìn)行補(bǔ)充完善。在注釋符號規(guī)范化的同時(shí)，注釋符號信息與模型圖紙之間已經(jīng)建立了內(nèi)在聯(lián)系。例如，通過建立“斷面剖切線標(biāo)頭-圖紙編號”族，視圖名稱以及圖紙編號都與相關(guān)視圖和圖紙信息互相關(guān)聯(lián)，在對其中一方進(jìn)行修改的同時(shí)另一方便會實(shí)現(xiàn)自動更新。

（2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件注釋標(biāo)記族。Revit中的注釋標(biāo)記是以共享參數(shù)形式對構(gòu)件信息提取并標(biāo)記，這些參數(shù)在項(xiàng)目構(gòu)件之間、構(gòu)件與標(biāo)注之間、標(biāo)注與明細(xì)表之間可共享傳遞，從而實(shí)現(xiàn)讀取構(gòu)件信息自動化注釋、明細(xì)表統(tǒng)計(jì)等操作。基于已創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件族，可參考16G101-1平法規(guī)范對結(jié)構(gòu)構(gòu)件族賦予平法注釋標(biāo)記。

5 應(yīng)用案例

某藥物研究公司辦公樓，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積約4 000 m2。設(shè)計(jì)使用年限50 a?；炷翗?gòu)件強(qiáng)度等級為C30。層高3.9 m，基本風(fēng)壓值0.4 kN/m2，基本雪壓值0.35 kN/m2，抗震烈度7°，使用年限50 a，設(shè)計(jì)地震分組1，基本地震加速度0.10 g，場地土類別Ⅱ類。

5.1 人員組織及協(xié)同設(shè)計(jì)工作流程

按2.1節(jié)組成BIM協(xié)同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。由7人組組成，1名BIM負(fù)責(zé)人，3名BIM設(shè)計(jì)師，3名BIM專業(yè)負(fù)責(zé)人，按表2中內(nèi)容完成相應(yīng)工作，負(fù)責(zé)人承擔(dān)相應(yīng)校驗(yàn)工作。專業(yè)間協(xié)同通過鏈接方式進(jìn)行，專業(yè)內(nèi)通過工作集方式進(jìn)行。各專業(yè)設(shè)計(jì)人員可將設(shè)計(jì)成果更新至中心模型，并實(shí)時(shí)檢查設(shè)計(jì)沖突。圖6為整個項(xiàng)目協(xié)同設(shè)計(jì)流程，圖7為結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)部的協(xié)同設(shè)計(jì)流程。

5.2 建模及結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)2.2節(jié)LOD300規(guī)定的模型精度和細(xì)度，考慮荷載取值范圍，估算柱、梁和板等構(gòu)件截面尺寸，在Revit建筑模型基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。Revit提供的荷載為點(diǎn)荷載、線荷載和面荷載3類，分為恒荷載（DL）、活荷載（LL）、風(fēng)荷載（WIND）、雪荷載（SNOW）、屋頂活荷載（LR）、偶然荷載（ACC）、溫度荷載（TEMP）和地震荷載（SEIS）8種。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012》，為設(shè)計(jì)元素定義荷載類型并配置相應(yīng)的參數(shù)。荷載添加可以在三維實(shí)體模型視圖和二維分析視圖同時(shí)配合進(jìn)行。

將建好的結(jié)構(gòu)模型用TSRevit For 2016導(dǎo)入PKPM進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。導(dǎo)入過程中利用3.2節(jié)所述方法，對部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充完善，并按直接導(dǎo)入、修正導(dǎo)入和直接在PKPM建模3種方式對整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量、質(zhì)心、剛心、周期比、位移和層間位移角、剛度比、結(jié)構(gòu)整體抗傾覆等力學(xué)性能對比分析。以結(jié)構(gòu)整體抗傾覆為例，分析結(jié)果見表6，由表6可知修正導(dǎo)入的方法更接近標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，其他5項(xiàng)分析結(jié)果類似。

5.3 平法出圖

本如第4節(jié)所述，在Revit平臺創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)專業(yè)項(xiàng)目樣板，補(bǔ)充結(jié)構(gòu)構(gòu)件族庫以及注釋標(biāo)記族的基礎(chǔ)上，出具符合規(guī)范的施工圖。

6 結(jié)論

隨著BIM技術(shù)的深入推廣，基于BIM的協(xié)同設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢，能有效提高建筑設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。要實(shí)現(xiàn)基于BIM的施工圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要轉(zhuǎn)變思路，建立規(guī)范科學(xué)的設(shè)計(jì)流程，并以信息傳遞、信息應(yīng)用為核心，在現(xiàn)有的軟件平臺上作深入的對比分析及研究，通過二次開發(fā)，建立、完善自定義標(biāo)識族和構(gòu)件族，推動基于BIM的協(xié)同設(shè)計(jì)。

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