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BIM結構模型轉換工程應用的現實與追求

BIM的實施使企業項目設計流程和內容發生變化,在這個效率質量優先的時代,BIM在項目設計階段的實施可將各設計階段和不同專業的建筑信息模型整合到一起,提高了設計協同效率并且促進了各專業間信息的共享和交流。但通過具體BIM項目的工程實踐看,項目各階段模型(設計模型、算量模型和施工模型)還是難以有效集成、協同設計的理念沒有得到很好的運用,各軟件平臺遠沒有達到OpenBIM倡導的方法理念。



bsi對OpenBIM重要性的闡述


結構設計主要包括計算分析和結構設計兩部分內容,在實現結構專業的BIM正向設計中如何將建筑物理模型和結構分析計算模型的數據關聯映射成了亟待解決的問題。雖然目前已有較多軟件提供模型間的互導方法,遺憾的是只解決了映射關聯的可能性,并未解決結構設計中計算假定和結構設定的支座條件等信息傳遞的具體問題。


建筑物理模型和結構計算分析模型對比

     

一般民用建筑BIM模型包括了所有的建筑信息,結構基礎模型為建筑物理模型的一部分。建筑信息模型中包含了結構構件和非結構構件,其中梁、板、柱和剪力墻等受力構件為結構構件,門窗、管線、隔墻和裝飾層等為非結構件,因此建筑物理模型和結構計算分析模型有共享信息部分就是結構構件信息(如下圖所示),結構構件信息為結構構件的幾何信息、構件的截面信息和材料信息等。



建筑物理模型和結構計算分析模型信息對比


建筑模型和結構模型的轉換

     

結構計算分析與BIM設計建模各有不同的軟件,結構計算應用的軟件都有多種如PKPM、YJK(盈建科)、Midas、Spa2000等,這些軟件對模型的描述都有著不同的數據結構,要實現模型轉換的信息無損傳遞更是有一定的難度。從目前結構工程分析設計的實際需求看,建筑模型和結構模型間的轉換主要有兩種使用需求情形:


1、BIM正向設計普通結構需要建立結構模型和建筑模型的映射關系

     

常規結構設計分析過程中,結構布置的修改和構件截面的變動是造成設計反復的主要原因。采用BIM進行正向設計往往在修改之下既要修改BIM模型又要修改結構計算模型,因此就需要建立BIM模型和結構計算模型之間的映射關系。這種映射關系的建立就需要有完善的BIM設計軟件和結構分析計算軟件。

     

完善的BIM軟件集的建立要遵循統一的技術實施標準體系。目前各軟件對開放性、統一性和可擴展性均有一定的推動,但苦于商業軟件模型數據結構的不統一和數據接口的封閉,模型的互導在信息數據傳遞層面都是沒有底層基礎的。如果單就某兩個軟件間開發一個模型互導的接口,不僅對用戶來講具有推廣應用的局限性也不利于行業BIM實施方法手段的普及。所以從更高的層面和最底層的數據結構方面提出統一的標準更具實際意義。2008年由中國建筑科學研究院、中國標準化研究院等單位共同起草了工業基礎類平臺規范(國家指導性技術文件)。此標準相對于IFC在技術和內容上保持一致,并根據我國國家標準制定相關要求,旨在將其轉換成國家標準。清華大學軟件學院BIM標準研究課題組于2009年3月正式啟動,旨在完成中國建筑信息模型標準(即CBIMS,ChinaBuilding Information Modeling Standard)的研究并已有一定的研究成果。



憑借這些底層數據標準的研究成果,各種結構分析與設計軟件雖然內部都有各自的數據結構,但是這些結構分析設計軟件都是基于有限元分析原理在數據結構上又有相似性,只要軟件體系的開發遵循統一的中間數據格式文件,實現結構模型和建筑模型的互導和構件信息的無損傳遞是可行的。目前PKPM、YJK(盈建科)和TSSD(探索者)等結構設計分析軟件都是按固有的數據結構格式進行模型的導入和導出,雖然已經實現了荷載信息、墻體荷載導算等功能但在通用性和數據共享角度看都是不符合現有需求的。



YJK(盈建科)模型映射對比更新方法


若這種緊密的模型映射關系滿足不了設計需求還可以通過IFC中間文件的方式來完成兩個模型之間的關聯。PKPM軟件從研發模型信息數據交換時就確定了利用IFC中間文件的方法。



PKPM協作應用平臺示意


PKPM模塊軟件SpaSCAD建立的三維模型形成的數據格式*.PZD都可以用現有的REVIT中PKPM插件導入到BIM模型中,這個模型的數據內容基本上涵蓋了所有的結構信息如:材料信息、截面信息、節點位置信息、層信息、構件交接節點信息、窗洞信息等。


2、復雜結構設計分析需要參數化建模抽取結構線框模型導入結構分析軟件

     

空間關系較復雜的結構往往是通過AUTOCAD軟件建立結構的線框模型,利用結構計算軟件(SAP2000、MIDAS GEN)等軟件導入*.dxf線框模型,然后賦予線框截面屬性和材料屬性等方式建立復雜空間結構的結構計算模型。



復雜曲線穹頂模型及結構模型復核


對于更復雜的空間結構往往用以上方法不能滿足需求,需要應用參數化建模或軟件豐富的樣條曲線才能建立空間模型。結構專業常用的分析軟件如Sap2000和MIDAS等對于結構空間構件關系的描述采用的是直線線框模型,利用Rhino建立的空間曲線和曲面的BIM模型往往不能直接導入結構計算軟件。IFC4 中強化了幾何資源層,擴展了建筑服務和結構領域,比如增加了異形截面形式等,但對復雜空間曲線的描述和定義尚不明確。通過IFC中間數據格式文件可以很便利的將空間直線線框模型導入到能夠讀取IFC文件的結構計算分析軟件中。所以中間IFC數據格式文件和結構有限元分析軟件固有特性都需要對空間復雜結構進行簡化,Rhino建模導入結構計算軟件前需要對空間三維曲線和曲面進行等分分割,利用直線段和平面擬合三維空間曲線和曲面。



分割點分割之后的結構空間模型

     

導入到結構計算分析軟件后對直線線框模型同樣賦予材料屬性和截面屬性,設定支座條件和節點屬性,輸入各種作用荷載和工況等,由此看出建筑方案的修改都需要重新完成這些步驟。轉換數據格式和結構有限元計算本身都決定了復雜空間結構BIM模型和結構模型之間轉換的困難程度。

     

總結:結構專業BIM正向設計出圖質量效率的提高有賴于建筑物理模型和結構分析模型的關聯映射。復雜空間結構計算分析模型的建立需要尋求更加便利的途徑方法,以便更加真實精確的模擬計算復雜空間結構。BIM模型在不同軟件下的導入導出都需要BIM數據定義與交換標準的不斷完善。

     

最后向在國內研究推廣IFC標準、IDM標準和MVD標準三大BIM數據標準的學者、研究機構和軟件廠商表達由衷的敬意!

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