基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)支梁鋼筋模型參數(shù)化自動(dòng)生成

陳紅倫，徐嘉懿，王春江，鄧雪原

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基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)支梁鋼筋模型參數(shù)化自動(dòng)生成

陳紅倫，徐嘉懿，王春江，鄧雪原

(上海交通大學(xué)土木工程系，上海 200240)

基于BIM技術(shù)的鋼筋模型可以用于工程量直接計(jì)算、指導(dǎo)施工、碰撞檢查和鋼筋自動(dòng)加工等。雖然部分軟件如Revit和Tekla可以輸出鋼筋工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)模型，但是需要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的配筋結(jié)果重新建模，且核心算法沒(méi)有公開，國(guó)內(nèi)后續(xù)理論研究和軟件開發(fā)均無(wú)法參考；另外，現(xiàn)階段研究主要集中于通過(guò)二次開發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)不同軟件之間的鋼筋信息共享，該方法不具有通用性。本文對(duì)鋼筋模型幾何信息在IFC標(biāo)準(zhǔn)中表達(dá)方式進(jìn)行解析，并研究利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)自動(dòng)生成基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋模型，重點(diǎn)進(jìn)行幾何信息的生成算法研究。最后通過(guò)程序生成帶有縱筋和箍筋的簡(jiǎn)支梁IFC模型，驗(yàn)證了算法的可行性。

建筑信息模型；IFC標(biāo)準(zhǔn)；鋼筋模型；幾何信息；參數(shù)化生成

平法施工圖是國(guó)內(nèi)目前建筑行業(yè)普遍采用的結(jié)構(gòu)信息表達(dá)方法。其存在3方面不足：①無(wú)法3D可視，對(duì)于復(fù)雜工程表達(dá)能力有限，易引起歧義；②修改難以聯(lián)動(dòng)導(dǎo)致更新圖紙工作量大；③無(wú)法進(jìn)行工程量直接計(jì)算且不能直接指導(dǎo)施工[1]。

將建筑信息模型(building information model，BIM)技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的鋼筋信息表達(dá)，鋼筋建筑信息模型是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了鋼筋各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，可以為建筑生命周期內(nèi)各參與方提供協(xié)調(diào)一致、準(zhǔn)確可靠和集成的鋼筋信息[2]，有效地解決目前使用平法施工圖表示鋼筋信息的不足。

BIM技術(shù)在表達(dá)鋼筋信息方面主要具有以下應(yīng)用價(jià)值[1]：將鋼筋模型與工程算量軟件對(duì)接，無(wú)需重復(fù)建模，可直接進(jìn)行鋼筋工程量計(jì)算，極大提升鋼筋算量的效率；設(shè)計(jì)結(jié)果為直觀可視的三維立體模型，鋼筋尺寸及定位準(zhǔn)確，可以直接指導(dǎo)施工，方便各參與方進(jìn)行更有效地溝通；鋼筋模型可以與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)接，使鋼筋模型和結(jié)構(gòu)計(jì)算模型之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)計(jì)算模型發(fā)生變更，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)軟件內(nèi)計(jì)算模型和設(shè)計(jì)成果的同步更新；使用BIM技術(shù)進(jìn)行鋼筋三維建模，有利于真正實(shí)現(xiàn)基于BIM設(shè)計(jì)成果的無(wú)紙化交付，鋼筋信息如下料長(zhǎng)度等信息完備，可以使交付成果標(biāo)準(zhǔn)化，減少人為可操作性，提高工程質(zhì)量；可以將鋼筋模型與鋼筋加工廠的設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)鋼筋與預(yù)制構(gòu)件的自動(dòng)加工。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著BIM技術(shù)的推廣以及工程中對(duì)于鋼筋信息表達(dá)方式改革的需求，在北美、歐洲、亞洲等眾多國(guó)家和地區(qū)出現(xiàn)了一批將BIM技術(shù)應(yīng)用于鋼筋信息表達(dá)方面的實(shí)踐和理論研究。

利用Revit和Tekla軟件可以通過(guò)參數(shù)化的方式建立鋼筋模型，并且可以輸出包括IFC數(shù)據(jù)格式在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)格式鋼筋模型。CHO等[3]研究利用Tekla Structure (TS)開發(fā)自動(dòng)化鋼筋定位系統(tǒng)(automation reinforcement placement system of foundation，ARPF)以進(jìn)行鋼筋放置；JANG等[4]韓國(guó)學(xué)者研究利用鋼筋詳細(xì)定位(reinforcing steel detailing placement，RSDP)模塊實(shí)現(xiàn)具有搭接長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度的平板三維鋼筋自動(dòng)配置；MACIEL和CORRêA[5]研究如何將鋼筋加工過(guò)程中的專用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BVBS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼筋信息映射到IFC標(biāo)準(zhǔn)；ARAM等[6]闡述開發(fā)用于混凝土鋼筋的行業(yè)基礎(chǔ)類 (industry foundation classes，IFC)約束概念和模型視圖定義(model view definition，MVD)。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開始對(duì)BIM技術(shù)在鋼筋方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。趙巖[7]對(duì)Revit進(jìn)行二次開發(fā)，編制數(shù)據(jù)讀取程序并對(duì)讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)化建模；劉飛虎[8]研究利用CATIA高級(jí)知識(shí)工程快速創(chuàng)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜橋墩內(nèi)不同型號(hào)的鋼筋；鄭崗等[9]基于三維CAD系統(tǒng)Microstation進(jìn)行二次開發(fā)編制工具，建立鋼筋三維模型和自動(dòng)出鋼筋大樣；邵艷麗等[10]通過(guò)Revit API二次開發(fā)接口的方式擴(kuò)展Revit鋼筋明細(xì)表統(tǒng)計(jì)功能；魏晨康等[11]利用BIM的虛擬技術(shù)解決建筑中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件與鋼筋沖突碰撞問(wèn)題。

利用Revit和Tekla軟件可建立鋼筋模型并導(dǎo)出相應(yīng)的IFC模型，但這些BIM軟件一般不具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋的功能，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)盈建科等專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生的配筋信息在此軟件中重新建模，此方式不僅效率低且易出錯(cuò)。

為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究針對(duì)不同的BIM軟件進(jìn)行二次開發(fā)以創(chuàng)建鋼筋BIM，但是二次開發(fā)的方式不具有通用性；并且Revit和Tekla等軟件的鋼筋生成核心算法屬于商業(yè)機(jī)密，國(guó)內(nèi)后續(xù)理論研究和軟件開發(fā)均無(wú)法參考。

本文提出直接根據(jù)盈建科等專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生的配筋參數(shù)生成簡(jiǎn)支梁鋼筋I(lǐng)FC模型，不需要設(shè)計(jì)人員重新建模，省去了二次開發(fā)的步驟，通用性更強(qiáng)；同時(shí)研究鋼筋I(lǐng)FC模型參數(shù)化生成算法可以為后續(xù)相關(guān)研究和軟件開發(fā)提供參考。

2 鋼筋模型幾何信息在IFC標(biāo)準(zhǔn)中的表達(dá)

由于目前大多數(shù)BIM軟件尚不支持IFC4版本標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文基于的是IFC2×3版本的標(biāo)準(zhǔn)。鋼筋混凝土構(gòu)件中的加固部件有鋼筋、鋼絞線、鋼筋網(wǎng)和錨具等，在IFC標(biāo)準(zhǔn)中通常以IfcReinforcingBar，IfcReinforcingMesh，IfcTendon和IfcTendonAnchor等實(shí)體表示。本文主要采用IfcReinforcingBar實(shí)體表示簡(jiǎn)支梁構(gòu)件(IfcBeam實(shí)體表示)中單根及多根鋼筋。

2.1 鋼筋幾何形狀信息表達(dá)

IFC標(biāo)準(zhǔn)在表達(dá)鋼筋的幾何形狀時(shí)一般采用Brep和swept solid 2種幾何模型形式，其中swept solid是通過(guò)參考輪廓在空間中沿三維準(zhǔn)線掃描表示3D形狀，且三維準(zhǔn)線可通過(guò)參數(shù)化方式進(jìn)行表達(dá)，便于編輯和修改[6]；經(jīng)對(duì)比分析，使用swept solid相較于Brep的表示方式，其文件語(yǔ)句更少，軟件打開效率更高。swept solid幾何模型形式表示鋼筋幾何形狀的方式具體如圖1所示。

圖1 IFC標(biāo)準(zhǔn)中swept solid幾何模型形式表示鋼筋示意圖

2.2 鋼筋空間位置信息表達(dá)

在IFC標(biāo)準(zhǔn)中，采用相對(duì)坐標(biāo)系對(duì)構(gòu)件進(jìn)行定位。鋼筋的位置可以相對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件、樓層或建筑物來(lái)定義，即參考坐標(biāo)系為上述實(shí)體所在的相對(duì)坐標(biāo)系。通過(guò)分析不同軟件導(dǎo)出的IFC模型，發(fā)現(xiàn)目前常見的鋼筋參考坐標(biāo)系有樓層坐標(biāo)系、IfcBeam實(shí)體和IfcElementAssembly實(shí)體所在坐標(biāo)系，其中IfcElementAssembly實(shí)體是將鋼筋與混凝土部件相聚合所形成的鋼筋混凝土構(gòu)件，一般情況下，IfcElementAssembly實(shí)體和IfcBeam實(shí)體所在相對(duì)坐標(biāo)系空間位置完全相同。本文為便于建立鋼筋所在坐標(biāo)系，選擇IfcBeam實(shí)體所在坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系。

2.3 鋼筋空間組織關(guān)系表達(dá)

通過(guò)關(guān)聯(lián)實(shí)體可以將鋼筋與構(gòu)件相關(guān)聯(lián)從而反應(yīng)其空間組織關(guān)系。目前常用軟件導(dǎo)出的IFC模型采用的關(guān)聯(lián)方式主要有：

(1) 直接通過(guò)關(guān)聯(lián)實(shí)體IfcRelContainedInSpatialStructure將混凝土部件(IfcBeam實(shí)體表示)、鋼筋和樓層相關(guān)聯(lián)。此方式缺少將鋼筋和混凝土部件組合成完整鋼筋混凝土構(gòu)件的過(guò)程，且當(dāng)鋼筋數(shù)量較多時(shí)，構(gòu)件組織關(guān)系混亂，不利于在相關(guān)軟件中查看。

(2) 通過(guò)關(guān)聯(lián)實(shí)體IfcRelAggregates將混凝土部件、鋼筋和IfcElementAssembly實(shí)體相關(guān)聯(lián)，再通過(guò)關(guān)聯(lián)實(shí)體IfcRelContainedInSpatialStructure將IfcElementAssembly實(shí)體和樓層相關(guān)聯(lián)。鋼筋與混凝土部件集合成的IfcElementAssembly實(shí)體表示完整的鋼筋混凝土構(gòu)件，這和實(shí)際情況更相符，因此，本文選用第2種方式表示鋼筋的空間組織關(guān)系。

2.4 多根鋼筋模型信息表達(dá)

鋼筋混凝土梁通常配置多根幾何形狀完全相同的鋼筋。在IFC標(biāo)準(zhǔn)中，為消除大量重復(fù)數(shù)據(jù)，常采用Type Product和Mapped Item方式表示多根幾何形狀完全相同的鋼筋模型。本文主要分析運(yùn)用Mapped Item的方式來(lái)表示多根鋼筋，以實(shí)現(xiàn)相同幾何形狀的鋼筋實(shí)體共享一個(gè)幾何表示的目的。

鋼筋實(shí)例作為IfcProduct的子類型，其幾何形狀可由Representation屬性直接表示，通過(guò)引用IfcMappedItem實(shí)體可以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)幾何表示被多根鋼筋共享的目的，使用不同的映射目標(biāo)(MappingTarget)，即不同IfcCartesianTransformation Operator3D實(shí)體，實(shí)現(xiàn)將同一個(gè)映射源(MappingSource)平移、鏡像或旋轉(zhuǎn)，以形成多根幾何形狀相同但空間位置不同的鋼筋。

對(duì)于多根具有相同幾何形狀信息的鋼筋，經(jīng)調(diào)查可知不同軟件常采用以下2種表示方法：多根鋼筋采用同一個(gè)IfcReinforcingBar實(shí)體表示，其引用的IfcShapeRepresentation中引用多個(gè)IfcMappedItem；或者使用多個(gè)IfcReinforcingBar實(shí)體單獨(dú)表示每根鋼筋，其引用的IfcShapeRepresentation只引用其對(duì)應(yīng)的IfcMappedItem。相對(duì)而言，后一種表示方法每一根鋼筋都是單獨(dú)的對(duì)象，利于后續(xù)單獨(dú)進(jìn)行編輯。

3 簡(jiǎn)支梁鋼筋模型參數(shù)化自動(dòng)生成算法

3.1 簡(jiǎn)支梁配筋形式及參數(shù)分析

本文以簡(jiǎn)支梁為例進(jìn)行說(shuō)明，根據(jù)工程實(shí)際，可知簡(jiǎn)支梁的縱筋的配筋形式有入支座梁下筋、不入支座梁下筋、通長(zhǎng)負(fù)筋、左支座負(fù)筋、右支座負(fù)筋、架立筋、腰筋、箍筋及拉筋等。解析盈建科等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的配筋結(jié)果后將參數(shù)存儲(chǔ)于中間數(shù)據(jù)文件中，表示梁鋼筋的數(shù)據(jù)表有4個(gè)字段，分別表示鋼筋編號(hào)、梁編號(hào)、鋼筋類型和與鋼筋類型相對(duì)應(yīng)的鋼筋具體數(shù)值。

3.2 整體生成流程及中間參數(shù)計(jì)算

在已有簡(jiǎn)支梁構(gòu)件IFC文件的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述中間數(shù)據(jù)文件中的參數(shù)，生成帶有鋼筋信息的IFC文件，本文因?yàn)槠拗浦饕懻撏ㄩL(zhǎng)縱筋及箍筋幾何屬性信息的自動(dòng)生成。以鋼筋類型為通長(zhǎng)負(fù)筋模型的生成過(guò)程為例，生成相應(yīng)實(shí)體及獲取相應(yīng)屬性的總體流程圖如圖2所示，具體屬性的獲取及對(duì)應(yīng)參數(shù)值的計(jì)算將依次在后文詳述，其他類型鋼筋的生成總體流程類似。

圖2 簡(jiǎn)支梁通長(zhǎng)負(fù)筋自動(dòng)生成算法總體流程圖

為了完整的描述帶有縱筋和箍筋的簡(jiǎn)支梁模型，需要確定的參數(shù)有：梁構(gòu)件幾何形狀參數(shù)和鋼筋幾何形狀參數(shù)，如縱筋直徑1、縱筋彎鉤角度、箍筋直徑2和混凝土保護(hù)層厚度。其中，梁構(gòu)件長(zhǎng)寬高可以通過(guò)解析輸入的IFC文件直接獲取，以拉伸實(shí)體表達(dá)為例，梁構(gòu)件長(zhǎng)度、截面寬度和高度分別對(duì)應(yīng)于IfcExtrudedAreaSolid實(shí)體的Depth屬性、IfcRectangleProfileDef實(shí)體中的XDim屬性和YDim屬性；而鋼筋幾何形狀參數(shù)需要根據(jù)讀入的數(shù)據(jù)并依據(jù)規(guī)范圖集進(jìn)行計(jì)算，如縱筋半徑1=1/2、縱筋彎鉤半徑1=2.51、縱筋彎鉤部分直線段長(zhǎng)度1=121、箍筋半徑2=2/2、箍筋彎鉤半徑2=1/2+2/2、箍筋彎鉤部分直線段長(zhǎng)度2=max (75 mm,102)，箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度與抗震等級(jí)及梁截面高度等因素有關(guān)，在此不再詳述。

3.3 鋼筋所在相對(duì)坐標(biāo)系建立

縱筋相對(duì)坐標(biāo)系的建立，主要在于確定IfcLocalPlacement實(shí)體的PlacementRelto和RelativePlacement屬性值。縱筋相對(duì)坐標(biāo)系建立在簡(jiǎn)支梁相對(duì)坐標(biāo)系基礎(chǔ)上，因此PlacementRelto屬性直接引用IfcBeam實(shí)體的ObjectPlacement屬性即可。

RelativePlacement屬性值的3個(gè)參數(shù)分別代表：縱筋坐標(biāo)系原點(diǎn)在梁坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)值，縱筋坐標(biāo)系的軸單位方向向量在梁坐標(biāo)系中的表達(dá)，縱筋坐標(biāo)系的軸單位方向向量在梁坐標(biāo)系中的表達(dá)。分析縱筋和梁構(gòu)件的相對(duì)位置關(guān)系，可發(fā)現(xiàn)縱筋的直線段部分通常沿著梁構(gòu)件的長(zhǎng)度方向，而彎鉤部分通常平行于梁構(gòu)件的側(cè)面，因此在放置縱筋相對(duì)坐標(biāo)系時(shí)可結(jié)合梁構(gòu)件的幾何特征。

在IFC標(biāo)準(zhǔn)中，表達(dá)梁構(gòu)件幾何形狀的方式有多種，本例中，以最常用的拉伸實(shí)體表達(dá)為例，IfcExtrudedAreaSolid實(shí)體定義了拉伸實(shí)體的4個(gè)屬性：SweptArea，Position，ExtrudedDirection和Depth。其中SweptArea屬性定義拉伸截面信息；Position屬性定義拉伸實(shí)體所在相對(duì)坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系相對(duì)于梁構(gòu)件所在相對(duì)坐標(biāo)系建立；ExtrudedDirection屬性表示截面的拉伸方向，其相對(duì)于拉伸實(shí)體所在相對(duì)坐標(biāo)系；Depth表示拉伸實(shí)體的長(zhǎng)度?；诹簶?gòu)件的幾何表達(dá)建立鋼筋所在相對(duì)坐標(biāo)系，利用IfcExtrudedAreaSolid實(shí)體中的屬性經(jīng)過(guò)一定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和公式推導(dǎo)得出RelativePlacement屬性中的3個(gè)參數(shù)值。

以拉伸截面坐標(biāo)系原點(diǎn)作為縱筋坐標(biāo)系原點(diǎn)，拉伸方向單位向量作為縱筋坐標(biāo)系軸的向量表達(dá)，縱筋坐標(biāo)系軸和梁坐標(biāo)系軸方向相同，縱筋坐標(biāo)系軸單位方向向量可通過(guò)向量運(yùn)算求得。梁坐標(biāo)系、拉伸實(shí)體坐標(biāo)系、拉伸截面坐標(biāo)系和縱筋坐標(biāo)系的關(guān)系如圖3所示。

圖3 各級(jí)坐標(biāo)系相對(duì)關(guān)系示意圖

由于拉伸截面坐標(biāo)系原點(diǎn)和拉伸方向單位向量均相對(duì)于拉伸實(shí)體坐標(biāo)系，而縱筋坐標(biāo)系相對(duì)于梁坐標(biāo)系建立，因此需要進(jìn)行一次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換?？v筋相對(duì)坐標(biāo)系建立過(guò)程的相關(guān)參數(shù)提取及屬性值計(jì)算如圖4所示。至此，縱筋相對(duì)坐標(biāo)系建立完成，后續(xù)關(guān)于縱筋幾何形狀及空間位置信息的生成都是建立在該相對(duì)坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上。

圖4 縱筋相對(duì)坐標(biāo)系建立流程圖

建立箍筋相對(duì)坐標(biāo)系時(shí)，為方便后續(xù)箍筋幾何形狀信息的描述，以拉伸截面坐標(biāo)系原點(diǎn)作為箍筋坐標(biāo)系原點(diǎn)，拉伸方向單位向量作為箍筋坐標(biāo)系軸的向量表達(dá)，箍筋坐標(biāo)系軸和梁坐標(biāo)系軸方向相同，箍筋坐標(biāo)系軸單位方向向量可通過(guò)向量運(yùn)算求解，具體屬性提取及參數(shù)計(jì)算方法與縱筋類似。

3.4 鋼筋幾何形狀信息參數(shù)化自動(dòng)生成

選用swept solid幾何模型形式表達(dá)鋼筋的幾何形狀信息，IfcSweptDiskSolid實(shí)體的Radius屬性表示掃描截面信息，Directrix屬性表示掃描路徑信息。

掃描路徑曲線可以通過(guò)多個(gè)直線段和圓弧段首尾相連拼接而成，為便于參數(shù)計(jì)算，在生成縱筋幾何形狀信息時(shí)，將長(zhǎng)直線段的端點(diǎn)置于縱筋所在坐標(biāo)系的原點(diǎn)處，且掃描路徑曲線位于坐標(biāo)系的平面內(nèi)。其中縱筋的直線段部分準(zhǔn)線可以通過(guò)IfcLine實(shí)體和IfcTrimmedCurve實(shí)體表示，圓弧段部分準(zhǔn)線可以通過(guò)IfcCircle實(shí)體和IfcTrimmed Curve實(shí)體表示。帶彎鉤縱筋第段的幾何形狀信息自動(dòng)生成算法如圖5所示，各段具體參數(shù)值可通過(guò)幾何關(guān)系推導(dǎo)求得。

圖5 帶彎鉤縱筋幾何形狀信息生成算法流程圖

箍筋的幾何形狀信息生成過(guò)程與縱筋相類似，為便于參數(shù)計(jì)算，掃描路徑曲線位于鋼筋坐標(biāo)系的平面內(nèi)，截面形心位于鋼筋坐標(biāo)系原點(diǎn)處，不同的是，箍筋的掃描路徑曲線由更多段直線段和圓弧段首尾相接而成，具體參數(shù)值計(jì)算過(guò)程不再贅述。

3.5 鋼筋空間位置信息參數(shù)化自動(dòng)生成

對(duì)縱筋而言，將縱筋長(zhǎng)直線段端點(diǎn)置于縱筋坐標(biāo)系的原點(diǎn)處，縱筋并未處于簡(jiǎn)支梁構(gòu)件中正確位置，需要將鋼筋幾何表示作為映射源，利用IfcCartesianTransformationOperator3D實(shí)體進(jìn)行鋼筋模型的平移、旋轉(zhuǎn)和鏡像，需確定屬性LocalOrigin、Axis1、Axis2和Axis3的參數(shù)值。當(dāng)有多根縱筋時(shí)，采用不同的IfcReinforcingBar及其相應(yīng)的IfcShape Representation實(shí)體，若多根縱筋的幾何形狀完全相同，使用同一個(gè)鋼筋幾何表示作為映射源，利用不同的IfcCartesianTransformation Operator3D作為對(duì)應(yīng)的映射方式。

若平移就能在目標(biāo)位置得到相應(yīng)鋼筋，則只需確定屬性LocalOrigin的參數(shù)值即可，其他屬性值可缺省。在確定LocalOrigin屬性值時(shí)，需考慮簡(jiǎn)支梁幾何形狀、混凝土保護(hù)層厚度、箍筋半徑、縱筋半徑及鋼筋根數(shù)等信息。以底部單排多根縱筋為例，已知底部縱筋根數(shù)為1，在縱筋等距擺放的情況下，第根縱筋對(duì)應(yīng)的LocalOrigin屬性值計(jì)算如下

LocalOrigin=(,,)

=+1+

=-(/2-1--22)

若進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和鏡像才能在目標(biāo)位置得到相應(yīng)鋼筋，除確定屬性LocalOrigin的參數(shù)之外，還需獲取屬性Axis1，Axis2和Axis3的參數(shù)。以頂部縱筋為例，若其幾何形狀同底部縱筋，可采用底部縱筋幾何形狀表達(dá)作為映射源，此時(shí)Axis1=(1,0,0)，Axis2=(0,-1,0)，Axis3值可以缺省。

對(duì)于箍筋，在表達(dá)其幾何形狀信息時(shí)，箍筋在平面內(nèi)已處于正確位置，只需將其在軸方向平移至正確位置即可。箍筋一般數(shù)量較多且成批重復(fù)出現(xiàn)，為減少IFC文件大小，對(duì)于多根幾何形狀完全相同的箍筋，采用同一個(gè)IfcReinforcingBar實(shí)體表示，但其引用的IfcShapeRepresentation中含有多個(gè)不同的IfcMappedItem實(shí)體，利用不同的IfcCartesianTransformationOperator3D作為對(duì)應(yīng)的映射方式。在確定LocalOrigin屬性的值時(shí)，需考慮兩端箍筋與端部距離、箍筋間距、箍筋半徑和箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度等信息。

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 案例設(shè)計(jì)

根據(jù)上述算法，在天磁BIM協(xié)同管理軟件2.0 (簡(jiǎn)稱NMBIM 2.0，NMBIM是上海交通大學(xué) BIM研究中心獨(dú)立研發(fā)的基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的多方協(xié)同管理平臺(tái)軟件，源于SJTUBIM平臺(tái)[12])的基礎(chǔ)上開發(fā)鋼筋模型自動(dòng)生成模塊，該模塊目前可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)中間數(shù)據(jù)文件中的參數(shù)在已有簡(jiǎn)支梁IFC文件的基礎(chǔ)上自動(dòng)生成簡(jiǎn)支梁鋼筋模型?，F(xiàn)有單根混凝土簡(jiǎn)支梁IFC模型，且為IFC2×3版本，其幾何參數(shù)為：長(zhǎng)7 200 mm、截面寬400 mm、截面高800 mm。對(duì)該簡(jiǎn)支梁施加荷載并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需配置底部通長(zhǎng)縱筋為4_25，頂部通長(zhǎng)縱筋為2_25，箍筋為_8@200，配筋圖如圖6所示，將配筋結(jié)果輸入中間數(shù)據(jù)文件。

圖6 簡(jiǎn)支梁配筋圖

4.2 結(jié)果展示

將簡(jiǎn)支梁IFC模型輸入鋼筋模型自動(dòng)生成模塊，并選擇存放鋼筋參數(shù)的中間數(shù)據(jù)文件。中間數(shù)據(jù)文件中存放有混凝土保護(hù)層厚度=25 mm，根據(jù)圖集16G101-1的規(guī)定，在程序中直接計(jì)算必要的中間參數(shù)，具體數(shù)值如下：縱筋彎鉤半徑1=2.51= 62.5 mm，縱筋彎鉤部分直線段長(zhǎng)度1=121= 300 mm，箍筋彎鉤半徑2=0.51+0.52=16.5 mm，箍筋彎鉤部分直線段長(zhǎng)度2=max(75 mm,102)= 80 mm。

在執(zhí)行鋼筋模型自動(dòng)生成模塊后，生成帶有鋼筋的簡(jiǎn)支梁IFC模型文件，使用NMBIM平臺(tái)打開該文件，鋼筋I(lǐng)FC模型及構(gòu)件空間組織關(guān)系顯示如圖7所示。

圖7 鋼筋I(lǐng)FC模型在NMBIM中示意圖

5 結(jié)論與展望

本文研究基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋模型幾何表達(dá)方式解析及參數(shù)化自動(dòng)生成算法，根據(jù)相應(yīng)的配筋參數(shù)可以自動(dòng)生成帶有縱筋和箍筋的簡(jiǎn)支梁IFC模型。分析用于表達(dá)鋼筋空間位置信息、幾何形狀信息、空間組織層次信息和多根形狀相同鋼筋的方式，通過(guò)顯示效果、文件大小、適用范圍等條件，選擇最優(yōu)的表達(dá)方式。通過(guò)鋼筋所在相對(duì)坐標(biāo)系、空間位置及幾何形狀信息生成算法，使鋼筋幾何信息在IFC標(biāo)準(zhǔn)中得以正確表達(dá)。主要結(jié)論及展望如下：

(1) 在建立鋼筋所在相對(duì)坐標(biāo)系時(shí)，將參考坐標(biāo)系選擇為梁構(gòu)件所在的相對(duì)坐標(biāo)系，并利用混凝土梁的幾何形狀表達(dá)方式如拉伸實(shí)體表示為基礎(chǔ)，利用拉伸截面所在坐標(biāo)系和拉伸方向向量，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換生成鋼筋坐標(biāo)系表達(dá)；在表達(dá)幾何形狀信息時(shí)，選用swept solid幾何模型形式，利于直接通過(guò)修改參數(shù)進(jìn)行模型的編輯和修改。

(2) 對(duì)于多根鋼筋，本研究基于Mapped Item的方式進(jìn)行表示，以實(shí)現(xiàn)相同幾何形狀的鋼筋實(shí)體共享一個(gè)幾何表示，通過(guò)不同的映射方式產(chǎn)生多根不同位置的鋼筋，可以有效的減少模型文件大小，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重用。

(3) 本文基于的是IFC2x3版本的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定IfcReinforcingBarType和IfcReinforcing MeshType 2個(gè)類型實(shí)體，后續(xù)針對(duì)最新IFC標(biāo)準(zhǔn)，可嘗試使用Type Product方式描述多根幾何形狀完全相同鋼筋。

(4) 本文只針對(duì)簡(jiǎn)支梁構(gòu)件的縱筋及箍筋模型進(jìn)行自動(dòng)生成的算法研究，后續(xù)將研究連續(xù)梁、柱、墻、板和基礎(chǔ)等各種構(gòu)件形式和其他更復(fù)雜形式鋼筋的自動(dòng)生成算法，實(shí)現(xiàn)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的所有構(gòu)件和鋼筋形式的結(jié)構(gòu)施工圖鋼筋模型自動(dòng)生成。

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Automatic Generation of Parameterized Reinforcement Model Based on IFC Standard for a Simply Supported Beam

CHEN Hong-lun, XU Jia-yi, WANG Chun-jiang, DENG Xue-yuan

(Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The rebar model based on BIM technology can be used for direct calculation of engineering quantity, construction guidance, collision detection and automatic processing. Although the rebar model can be output by some software such as Revit and Tekla, the model needs to be re-established according to the results of structural design software. The core algorithm of these software is not open, which cannot be used for reference by domestic theoretical research or software development. Besides, current research mainly focuses on secondary development for the information sharing between different software, which is not universal. This paper analyzes how to express the geometric information of the rebar model in industry foundation classes (IFC) standard and studies how to use parameters to generate the rebar model based on IFC standard automatically. This study focuses on the generation algorithms for the geometric information of reinforcement model. At the end, the feasibility of the algorithm is verified by generating a simply supported beam IFC model with longitudinal rebar and stirrups.

building information model;industry foundation classes standard; rebar model; geometric information; parameterized generation

TU 201.4；TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020351

A

2095-302X(2019)02-0351-07

2018-10-17；

2018-11-22

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0702000)；“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0702001)

陳紅倫(1993-)，男，安徽池州人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)榛贗FC標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋信息表達(dá)等。E-mail：chenhonglun@sjtu.edu.cn

鄧雪原(1973-)，男，湖北荊門人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)榻ㄖ﨏AD協(xié)同設(shè)計(jì)與集成、基于BIM技術(shù)的建筑協(xié)同平臺(tái)。 E-mail：dengxy@sjtu.edu.cn