基于建筑信息模型的支吊架全過程設(shè)計系統(tǒng)

滿延磊， 吳 杰， 張其林， 劉 兵

(1. 同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092； 2. 慧魚(太倉)建筑錨栓有限公司， 上海 200092)

支吊架是支架和吊架的合稱, 在工廠設(shè)計中，支吊架是管道系統(tǒng)、電纜橋架系統(tǒng)等的重要組成部分.圖1為一個支吊架結(jié)構(gòu)的三維實例展示.

圖1 支吊架結(jié)構(gòu)實例

支吊架設(shè)計在工廠設(shè)計中占據(jù)著重要的地位.目前國內(nèi)外涉及支吊架設(shè)計的軟件眾多，國外主流的有PDS[1]、PDMS[2]、SP3D[3]等軟件，國內(nèi)有AutoPHS[4]等軟件.通用軟件如AutoCAD和Revit也經(jīng)常用于支吊架設(shè)計[5].研究發(fā)現(xiàn)，目前市面上的軟件在支吊架設(shè)計時都存在著以下不足：

(1) PDS、PDMS、SP3D等軟件功能強大，但是其側(cè)重點在于工廠完整設(shè)計以及管道設(shè)計，用此類大型軟件進(jìn)行支吊架設(shè)計并不方便，同時此類軟件不具備計算功能.

(2) AutoPHS軟件屬于支吊架計算與繪圖軟件，但是AutoPHS軟件并無實體模型，通過在對話框中輸入?yún)?shù)然后直接進(jìn)行驗算以及繪制圖紙，此種設(shè)計方式不夠直接，而且對于任意形式的支吊架處理起來有難度.

(3) 通用軟件如AutoCAD和Revit，由于并沒有針對支吊架進(jìn)行優(yōu)化，因此此類軟件在支吊架建模時效率低下，而且也不具備計算分析功能.

(4) 全過程設(shè)計是建筑信息模型(BIM)的一大理念.在BIM中，全過程設(shè)計與熟知的多專業(yè)協(xié)同同屬于數(shù)據(jù)共享的范疇，橫向上即行業(yè)間的數(shù)據(jù)共享為多專業(yè)協(xié)同，縱向上即時間維度上的數(shù)據(jù)共享為全過程設(shè)計.在理想的全過程設(shè)計下，建立一個貫穿建筑設(shè)計各個階段的數(shù)據(jù)信息共享平臺，在建筑設(shè)計的各個階段可以自由地共享信息，通過減少各個階段的數(shù)據(jù)冗余以及數(shù)據(jù)不一致性，從而達(dá)到提高設(shè)計效率的目的.現(xiàn)階段的設(shè)計流程仍是先做計算分析，然后在實體模型軟件中手動建模，最后進(jìn)行圖紙繪制、施工模擬等其他應(yīng)用.計算分析與實體模型、實體模型與圖紙相互獨立給設(shè)計帶來了很大不便，雖然現(xiàn)在很多軟件之間已經(jīng)有數(shù)據(jù)接口，但是此種方式在處理數(shù)據(jù)一致性時還是會有很多問題,如數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重以及數(shù)據(jù)不兼容等[6-8]，這與全過程設(shè)計的理念相差甚遠(yuǎn).

基于此，研發(fā)了一套針對支吊架的全過程設(shè)計系統(tǒng).通過對支吊架的詳細(xì)研究，設(shè)計了一套適合支吊架的建模方式，此建模方式針對支吊架建模進(jìn)行了適配與優(yōu)化，提高了支吊架建模的效率.同時，采用BIM理論，探索性地將實體模型、計算模型、圖紙模型融于一體，此三種模型是同一套數(shù)據(jù)的三種不同顯示并共享同一數(shù)據(jù)平臺，形成了支吊架的實體模型、計算分析、規(guī)范驗算、計算書輸出、材料統(tǒng)計、圖紙繪制的全過程設(shè)計.

1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)集實體模型、計算分析、驗算、計算書、材料統(tǒng)計、圖紙繪制等功能于一體，系統(tǒng)核心為BIM[9-11].通過三維智能建模技術(shù)、自動化的參數(shù)化布置以及基于BIM的數(shù)據(jù)存儲與共享生成BIM.BIM是建模、計算分析、材料統(tǒng)計、圖紙繪制所需的所有數(shù)據(jù)的集合，典型的數(shù)據(jù)包括實體信息、計算模型信息、設(shè)備參數(shù)、連接件參數(shù)等.

BIM有三種表現(xiàn)形式,即三維實體模型、計算模型、圖紙模型.三維實體模型提供了真實模型的三維直觀展示，計算模型是真實模型的抽象，圖紙模型是真實模型的投影顯示.由于三種模型共享同一套數(shù)據(jù)，任何一個模型的更改都會反映到另外兩個模型之中.

整個系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示.技術(shù)處于最底層，是生成BIM的手段；BIM存儲整個模型的數(shù)據(jù)，是整個模型的核心；在核心層上面是表現(xiàn)層，BIM有三種表現(xiàn)方式即三維實體模型、有限元計算模型以及圖紙模型；最上層是應(yīng)用，分別針對這三種模型進(jìn)行功能開發(fā).

首先，介紹三維實體模型的建立，主要涉及三維智能建模技術(shù)以及自動化的參數(shù)化布置；然后，介紹模型的共享及應(yīng)用，主要涉及基于BIM的數(shù)據(jù)存儲與共享；最后，介紹實際的案例展示.

圖2 系統(tǒng)基本構(gòu)架

2 智能建模技術(shù)的實現(xiàn)

2.1 基于動態(tài)捕捉的三維智能建模

由于在支吊架中連接件及設(shè)備數(shù)量眾多，因此連接件及設(shè)備建立的快捷與否直接影響系統(tǒng)建模的效率.

參考AutoCAD軟件的動態(tài)捕捉，設(shè)計了基于動態(tài)捕捉的連接件智能建模方式，通過簡單的鼠標(biāo)拖拽就能實現(xiàn)三維實體的精確布置.建模步驟如下所示：

(1) 選擇指定的連接件或者設(shè)備，當(dāng)鼠標(biāo)拖動連接件靠近桿件時，自動判斷此位置能否安裝此連接件.

(2) 如果不能安裝，連接件顯示為紅色；如果能安裝，連接件顯示為綠色.

(3) 當(dāng)連接件顯示為綠色，點擊鼠標(biāo)確定時，自動將連接件吸附在正確位置上，省去用戶手動布置連接件的過程.

該系統(tǒng)基于AutoCAD軟件二次開發(fā)[12-14]，連接件及設(shè)備的智能建立依賴于ObjectARX的相關(guān)接口，其中主要依賴于AcEdJig類以及AcEdInputPointMonitor類.在AutoCAD軟件中，鼠標(biāo)拖拽會觸發(fā)AcEdJig類，當(dāng)捕捉到點或者實體時觸發(fā)AcEdInputPointMonitor類.具體實現(xiàn)原理如圖3所示.鼠標(biāo)拖拽時系統(tǒng)觸發(fā)AcEdJig類相關(guān)方法，在AcEdJig類中循環(huán)檢查AcEdInputPointMonitor類當(dāng)前捕捉到的桿件，將捕捉到的桿件返回給連接件，通過連接件庫來檢查當(dāng)前桿件是否能夠布置所選擇的連接件.最后，通過幾何運算計算出連接件的坐標(biāo).

圖3 連接件及設(shè)備布置原理圖

2.2 自動化的參數(shù)化布置

2.2.1理論基礎(chǔ)

經(jīng)過實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，支吊架系統(tǒng)相對于普通鋼結(jié)構(gòu)具有以下特性：

(1) 支吊架結(jié)構(gòu)可以分解為二維平面結(jié)構(gòu),這個特性使得三維參數(shù)化建模可以轉(zhuǎn)換為二維參數(shù)化建模.

(2) 在支吊架系統(tǒng)中，絕大多數(shù)桿件都是橫平豎直的，這個特性使得桿件在參數(shù)化標(biāo)注中大部分為水平標(biāo)注或者垂直標(biāo)注.

(3) 所有的連接件和管道均依附于桿件上，此特性使得所有的連接件和管道的定位均可以通過在桿件上的相對坐標(biāo)來實現(xiàn).

由于以上三個特性的存在，該系統(tǒng)實現(xiàn)了約束智能自動添加的參數(shù)化建模, 因此大大提高了支吊架系統(tǒng)建模的快捷性.

2.2.2技術(shù)實現(xiàn)

實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動的方法很多，代表性方法有數(shù)值式方法、基于符號代數(shù)的方法、基于圖論的方法、基于規(guī)則的方法等.基于圖論的方法充分考慮了元素之間的關(guān)系，可以獲得較高的效率.由于智能添加約束需要考慮元素之間的關(guān)系，因此采用基于圖論的方法實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動[15-16].

約束的自動添加分以下四種情況進(jìn)行：

(1) 添加傾斜桿件

由于支吊架中傾斜桿件并不是特別多，因此當(dāng)添加傾斜桿件時可以簡單處理，直接在兩端點添加傾斜約束即可.

(2) 添加連接件(設(shè)備)

當(dāng)添加連接件(設(shè)備)時，由于連接件(設(shè)備)依附于桿件上，因此需要添加連接件(設(shè)備)與桿件的約束.具體步驟如下所示: ① 找到連接件(編號A)依附的桿件;② 找到桿件上離連接件A最近的連接件B和C;③ 刪除連接件B、C之間的約束;④ 在連接件B、A之間添加角度與長度約束;⑤ 在連接件A、C之間添加角度與長度約束.

(3) 添加水平桿件

首先需要對整個圖進(jìn)行拓?fù)渑判騕17-20].在圖4中，左邊為實際的模型，右邊為對應(yīng)的圖表示(只表示正向關(guān)系).按dx約束的拓?fù)渑判蚪Y(jié)果為1→2→3→4，按dy約束的拓?fù)渑判蚪Y(jié)果為1→3→4→2.從圖4可以看出，在該系統(tǒng)中，按照dx(或者dy)拓?fù)渑判虻慕Y(jié)果恰好是按x坐標(biāo)(或者y坐標(biāo))升序排列.當(dāng)采用拓?fù)渑判蚝?，增加如圖5a所示的水平桿件ab的算法如下所示:① 以dx約束為基準(zhǔn)進(jìn)行拓?fù)渑判?，以此方法遍歷出來的點恰好從左往右排列；② 在拓?fù)渑判蚪Y(jié)果中從前往后查找，找出兩個點，假設(shè)為點2與點3，使之滿足點2.x≤點a.x≤點3.x;③ 刪除點2與點3之間的dx約束;④ 在點2、點a之間增加dx約束;⑤ 點a、點3之間增加dx約束;⑥ 同理處理點a的y坐標(biāo);⑦ 同理處理桿件的端點b.

a 實際模型

b 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

a 實際模型

b 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(4) 增加豎直桿件

增加豎直桿件的方法與增加水平桿件類似，不再贅述.

圖6為新建的二維支架，此模型的所有參數(shù)化約束均為自動添加，修改標(biāo)注的數(shù)值模型會通過參數(shù)化的驅(qū)動進(jìn)行相應(yīng)的變化.

圖6 二維模型標(biāo)注示例(單位:mm)

3 基于BIM的數(shù)據(jù)存儲與共享

該系統(tǒng)同時涉及三維實體建模、有限元計算、基于規(guī)范的單元驗算、圖紙繪制等，數(shù)據(jù)量大且復(fù)雜，全過程的數(shù)據(jù)流動如圖7所示.

圖7 全過程的BIM信息管理

該系統(tǒng)涉及三套模型,即實體模型、計算模型、圖紙模型.這三個模型共用底層數(shù)據(jù)，任何一個模型的變化均能引起其他兩個模型變化.這三套模型的關(guān)系可用圖8來表示.

3.1 數(shù)據(jù)存儲

支吊架結(jié)構(gòu)中，預(yù)制化的數(shù)據(jù)相當(dāng)多，該系統(tǒng)分為三個庫進(jìn)行管理,即截面庫、連接件庫、設(shè)備庫.這三個庫的數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)庫中，所有數(shù)據(jù)在設(shè)計周期的各個階段共享.

截面庫存儲支吊架中桿件需要用到的截面，支吊架中的截面一般來說都具有特殊性，截面的幾何數(shù)據(jù)需要事先計算并錄入庫中.

圖8 三種模型的關(guān)系

連接件庫儲存連接件的型號、三維實體形狀、連接條件以及承載力數(shù)據(jù)等.同一型號的連接件三維實體形狀相同，用dwg文件存儲.不同類型連接件的連接條件不相同，如轉(zhuǎn)角連接件只能用在兩桿件相交處,而且對相交角度、桿件開口方向等均有限制.連接件的承載力根據(jù)試驗得出，不同的連接件承載力數(shù)據(jù)不同.連接條件及承載力均內(nèi)置在程序中.圖9是連接件的三維模型.

設(shè)備庫存儲設(shè)備的幾何信息及力學(xué)信息.幾何信息包括設(shè)備的幾何尺寸，力學(xué)信息主要包括設(shè)備的自重.設(shè)備庫的數(shù)據(jù)來源主要為《室內(nèi)管道支架及吊架圖集》(03S402).

3.2 實體模型與計算模型的信息共享

三維實體模型是真實模型的具體表示，計算模型是真實模型的抽象.該系統(tǒng)采用有限元理論進(jìn)行計算，實體中的桿件對應(yīng)有限元的梁單元，管道等設(shè)備轉(zhuǎn)換為恒荷載，底托等連接件轉(zhuǎn)換為支座信息，其他連接件在計算模型中不顯示，僅在驗算時對承載力進(jìn)行驗算.實體模型與計算模型的信息共享包括以下幾個方面：

(1) 幾何模型的差異處理

幾何模型的差異主要是指桿件的差異.計算模型將桿件抽象為梁單元，在抽象過程中會造成實體模型與計算模型不一致.圖10為抗震管卡三維實體模型與計算模型示意圖.從圖10可以看出，在實際模型中，三根桿件并不相交，而在有限元分析中，計算單元必須相交于一點才能進(jìn)行計算.在該系統(tǒng)中，通過在BIM中同時存儲顯示端點與計算端點來處理這種分歧.顯示端點為實體模型中的端點，計算端點為計算模型中的端點.默認(rèn)顯示端點與計算端點一致，添加連接件時確定實際的顯示端點，連接件刪除之后，兩套端點重新恢復(fù)一致.

a 三維實體模型

b 計算模型

(2) 荷載轉(zhuǎn)換

在BIM中，既包含直接建立的荷載，又包含間接荷載，即需要通過計算轉(zhuǎn)換的荷載，需要轉(zhuǎn)換的荷載包括桿件和設(shè)備的自重、地震荷載、溫度荷載等.轉(zhuǎn)換途徑如圖11所示.

圖11 荷載轉(zhuǎn)換

在實體模型中可以直接新建荷載，新建的荷載以活荷載的身份參與荷載組合.

桿件以及管道等設(shè)備自重轉(zhuǎn)換為恒荷載.恒荷載通過下式進(jìn)行計算：恒荷載=線密度×長度.桿件的線密度通過鋼材的密度計算生成，設(shè)備的線密度查詢《室內(nèi)管道支架及吊架圖集》(03S402)而得.

溫度荷載主要由管道等設(shè)備產(chǎn)生，管道由于溫差產(chǎn)生收縮，從而產(chǎn)生平面外的溫度荷載.溫度荷載采用簡化的計算方法，在新建設(shè)備時指定溫度系數(shù)，溫度荷載計算方法為：溫度荷載=設(shè)備自重×溫度系數(shù).

地震荷載也是由管道等設(shè)備產(chǎn)生.地震荷載依據(jù)《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50981—2014)中的第3.4條“地震作用計算”進(jìn)行計算，即根據(jù)設(shè)備位置、建筑類別、設(shè)備所屬系統(tǒng)等條件確定地震力的大小，F(xiàn)=γηζ1ζ2αmaxG，此式的具體含義參考規(guī)范式(3.4.5).

(3) 支座轉(zhuǎn)換

支座既包含手動建立的抽象的支座，又包含底托轉(zhuǎn)換的支座，通過讀取產(chǎn)品庫中儲存三維實體的剛鉸接信息將底托轉(zhuǎn)換為計算模型中的單元約束.

3.3 實體模型與圖紙的數(shù)據(jù)共享

在該系統(tǒng)中，實體模型與圖紙共享數(shù)據(jù)，圖紙為實體模型的另外一種表現(xiàn)形式.

施工圖包含的信息如下所示：尺寸信息、桿件截面、連接件位置及型號、設(shè)備位置及型號、材料統(tǒng)計表格.

當(dāng)進(jìn)入圖紙模式時，連接件顯示為正交顯示模型，正交投影即為連接件圖紙表示.為了使圖紙更加簡潔美觀，桿件不能用正交投影來顯示.桿件正交投影之后求出四個角點，以四個角點構(gòu)成的矩形來顯示桿件，同時在旁邊注明截面名稱.

圖紙的標(biāo)注直接用實體模型中參數(shù)化的標(biāo)注即可.

實體模型與圖紙本質(zhì)上屬于同一對象，實體顯示與圖紙顯示僅僅是同一對象的兩種不同的顯示方式.圖12為連接件的實體與圖紙的顯示對比.

a 實體顯示

b 圖紙顯示

4 應(yīng)用案例

4.1 系統(tǒng)簡介

該系統(tǒng)為慧魚(太倉)建筑錨栓有限公司合作開發(fā)軟件.軟件采用C++語言，利用ObjectARX對AutoCAD軟件進(jìn)行二次開發(fā).

目前在土木行業(yè)，二次開發(fā)一般選擇基于AutoCAD軟件或者Revit軟件.基于AutoCAD軟件是傳統(tǒng)的二次開發(fā)模式，基于Revit軟件是最近興起的一種二次開發(fā)模式.經(jīng)過實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，AutoCAD 軟件在慧魚公司是必備軟件，慧魚公司員工對AutoCAD軟件的使用也非常熟悉，相比之下，慧魚公司員工對Revit軟件使用很少.Revit軟件在BIM應(yīng)用方面擅長多專業(yè)協(xié)同，而該系統(tǒng)側(cè)重于全過程設(shè)計并非多專業(yè)協(xié)同，AutoCAD軟件能滿足該系統(tǒng)的需求，因此最終決定采用AutoCAD軟件進(jìn)行二次開發(fā).

4.2 案例展示

目前已經(jīng)將此軟件成功應(yīng)用在各大工程案例中.典型案例包括深圳萬科臻山府地下室管道安裝工程項目、中國移動(河南)數(shù)據(jù)中心項目、大連英特爾項目等30多個項目.

以中國移動(河南)數(shù)據(jù)中心項目為例，此項目總建筑面積為2.07×105m2，總高四層的B01、B02數(shù)據(jù)中心機房走廊，采用慧魚支吊架系統(tǒng)，用以固定冷卻水管等設(shè)備.圖13為實際的安裝完成圖.

圖13 實際安裝圖

圖14分別為實體模型、計算模型以及圖紙模型的顯示.建模時以實體建模為主，但是可以隨時切換為計算模型或者圖紙模型進(jìn)行查看和修改.

經(jīng)設(shè)計人員反饋，整個設(shè)計過程中，建模效率提高了50%以上，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 支吊架中連接件種類繁多，在建模時手動布置三維連接件費時費力，自動化的三維智能建模系統(tǒng)使得用戶能夠一鍵將連接件布置在正確位置.

(2) 在傳統(tǒng)的參數(shù)化建模中，添加約束需要考慮約束的合理性，合理性包括：欠約束、過約束、編輯模型是否方便、約束標(biāo)注是否美觀等.該系統(tǒng)能夠自動添加參數(shù)化的約束，減少了手動添加約束的過程.添加的約束可以直接用于圖紙標(biāo)注，減少了圖紙標(biāo)注過程.

(3) 通過將實體建模、計算分析、圖紙繪制融為一體，改變了設(shè)計人員將實體建模、計算分析、圖紙繪制相互獨立的傳統(tǒng)工作流程.

5 結(jié)論

(1) 設(shè)計了基于動態(tài)捕捉的三維智能建模系統(tǒng).此建模方式使得用戶能夠通過三維動態(tài)捕捉方式將三維連接件及設(shè)備布置在正確位置，簡化了建模流程，提高了建模效率.相對于其他建模軟件，不用關(guān)心瑣碎的坐標(biāo)、用戶坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系，無需掌握三維建模的步驟，用戶學(xué)習(xí)門檻降低.

a 實體模型

b 計算模型

c 圖紙模型

(2) 設(shè)計了一套自動增加約束的參數(shù)化建模系統(tǒng).此系統(tǒng)有以下兩個優(yōu)勢：① 實現(xiàn)了支吊架系統(tǒng)的參數(shù)化建模，同時實現(xiàn)了參數(shù)化約束的自動生成，使用戶在建模過程中不用關(guān)心添加約束的細(xì)節(jié);② 自動生成的參數(shù)化約束可以直接用在圖紙繪制中，解決了傳統(tǒng)的BIM軟件繪制的圖紙無標(biāo)注或者標(biāo)注混亂的問題，而且在圖紙中修改標(biāo)注可以直接引起模型的同步修改.

(3) 利用BIM技術(shù)將實體模型、計算模型、圖紙模型融為一體,實現(xiàn)了支吊架的實體建模、計算分析、圖紙繪制的全過程設(shè)計，改變了傳統(tǒng)設(shè)計中實體建模、計算分析、圖紙繪制相互獨立的工作流程.實體模型、計算模型、圖紙模型是同一底層數(shù)據(jù)的三種不同外在顯示，在任意模型中的修改均能自動同步到另外兩個模型之中，實現(xiàn)了真正的BIM全過程設(shè)計.