基于BIM 建筑结构设计模型集成框架应用开发

第38卷第7期2010年7月同济大学学报(自然科学版)JOURNALOFTONGJIUNIVERSITYCNATURALSCIENCE)Vo1.38No.7Jul.2010文章编号:0253-374X(2010)07-0948-06DOI:10.3969/j.issn.0253-374x.2010.07.002基于BIM建筑结构设计模型集成框架应用开发刘照王耘，李云贵2吕西林1张汉义2(1同济大学土木工程学院，上海200092;2.中国建筑科学研究院，北京100013)摘要:分析建筑信息模型的信息集成过程和特征以及建筑结构模型基本对象表达的复杂性和模型数据积累的反复性，构建一种主要涵盖建筑和结构设计阶段的信息模型集成框架体系.该体系具有可扩展性、兼容性、阶段性等特点，通过开发的模型转换平台可以初步实现建筑、结构模型信息的集成，为研发基于建筑信息模型技术的下一代集成建筑工程软件系统提供技术支持.关键词:建筑信息、模型技术;建筑模型;结构模型;信息集成框架中图分类号:TU311.41文献析、识码:ABIM-BasedIntegratedInformationFrameworkforArchitecturalandStructuralDesignModelLIUZhαoqiu1，LIYunqui2,LUXilin1,ZEL咄TGHanyi2(1.CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China)Abstract:AnanalysiswasmadeoftheintegratedprocessandcharacteristicsofbuildinginformationmodelingCBIM)datamodel.Thecomplexityofthemodelingandrepetitivenessoftheinformationconversionowingtodifferentdisciplineswereillustratedbyvariousrepresentationofbuildingcomponents.Basedontheresearch,anintegratedframeworksystem,namelyarchitecturalandstructuralinformationmodelCASIM),waspresentedforfacilitatingcollaborativedesignbetweenarchitectsandstructuralengineers.TheASIMsystemiscapableoftransformingdatainformationfromarchitecturalmodeltostructuralmodelbydevelopinganinformationconversionplatform,andhastheexpansibility,compatibility,phaseandothercharacteristics.ThesystemprovidessometechnicalsupportsfordevelopmentofthenextgenerationbuildingsoftwarebasedonBIM.Keywords:BIMtechnology;architecturalmodel;structurall投稿日期:2009-08-03model;integratedinformationframework建筑信息模型BIM(buildinginformationmodeling)技术是对建筑物理和功能特征的数字式表达，从建筑物诞生开始，为建筑物整个生命周期提供可信颇的信息共享知识资源[1].BIM的理念是建立涵盖工程全生命周期的信息库，实现各个阶段、不同专业之间的信息集成和共享[2J但由于涉及领域面广，信息建模和模型维护时间跨度长，导致信息数据多而杂，且不同阶段不同专业对于数据信息的需求也不同，现有的技术很难实现整体建模的一步到位.因此，分阶段建立基于BIM的信息子模型较为合理，也有助于解决信息集成过程中的关键技术[3J随着工程信息交换标准IFCCindustryfoundationclasses)和BIM技术在土木工程领域应用的推广和普及，有关工程生命周期设计信息集成技术的研究己经越来越多[4J比如，支持协同工作的计算机集成建造CIC系统间，用于提高建筑业信息交流的分布式虚拟空间DIVERCITY项目[町，基于Web的IFC项目数据共享环境WISPER[7J系统，基于IFC标准的集成设计信息管理DIMS体系[町，共享计算机辅助结构设计模型SCASD框架[町等.由于建筑和结构两个设计阶段是工程整个设计过程的中心，如何实现建筑和结构专业信息的有效集成，己经成为工程设计模型集成框架开发的核心问题.国内这方面的研究比较少，上海交通大学邓雪原等曾提出一种从IFC建筑模型自动提取信息生成ETABS和SAR2000结构模型的基本框架山，清华大学张建平、胡振中等提出一种将建筑设计、结构设计以及施工管理统一的基于4D的施工安全信息模型，可以用基金项目十一五国家科技支撑计划重点资助项目(2006BAJ01B01-01)作者简介:如j照球(1974)，男，博士生，主要研究方向为工程抗震与防灾、信息技术在工程中的应用.E-mail:[e-mail]李云贵(1962)，男，研究员，博士生导师，工学博士，主要研究方向为信息技术在土木工程领域的应用.E-mail:[e-mail]吕西林(1955)，男，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为工程结构抗震与防灾E-mail:[e-mail]949刘照球，等:基于BIM建筑结构设计模型集成框架应用开发第7期政府审查部门I|开发商[咨询、规划、设计公司l|工程承包公司lla传统生产过程''丁lll图2传统、集成生产过程对比Acomparisonbetweentraditionalconstructionprocessandtheintegratedconstructionprocess政府审查部门l开发商l咨询、士胧ù、设计会司l工程承包公司lb集成生产过程Fig.2BIM信息集成过程和特征BIM的信息集成的最终要求是涵盖建筑全生命周期所有数据信息.但数据信息的积累是和工程项目建设的不同过程紧密相连的，从工程勘察设计开始到产品运营管理，直至建筑报废，是一个漫长的过程.每个过程都会产生相应的数据信息，随着过程的推进，数据信息也在不断积累，保持螺旋式上升，最终形成全信息模型，如图1所示口3J2.1基本对象表达的区别由于专业不同，建筑模型和结构模型对同一建筑对象的信息表达侧重点也有区别.建筑模型着重于表达建筑产品的各个基本对象(墙、柱、梁、板等)的空间拓扑关系、空间分配关系、外观真实表现等;结构模型侧重于从力学角度对建筑产品和建筑对象以及各对象之间的连接关系进行分析和计算，以便确定基本对象以及整个建筑的承载能力.图3为开有门和窗的一段墙体，对于建筑模型来说，需要表达的信息有:①门或窗的宽度、高度、类型等信息;②墙的类型、宽度、高度、长度、面积、开洞建筑结构模型的复杂性2信息集成过程图1BIM信息集成过程InformationintegratedprocessofBIM勘察规划』F设计、建造于施工期间建筑结构安全分析研究[11-12J笔者构建的基于BIM的建筑结构设计模型集成框架是在国内应用广泛的PKPM系列软件平台下，通过建筑模型信息与结构模型信息的转换，首先实现建筑和结构设计信息的集成和共享.其中，转换的建筑模型是基于IFC格式，结构模型是基于PKPM中的PMCAD格式.拆除运营管理施工建造规划设计商-EE植梁图3基本对象信息的不同表达Differentrepresentationofdesigncomponents信息宽受力特性问距数量间距数量数量受力特性建筑信息信息类型面积宽高类型面积宽高类型面积长高洞口数量洞口面积高厚度结构信息基本对象截面属性材料水平分布筋钢筋布置竖向受力筋类型Fig.3为了形象地说明BIM信息集成的特征，用图2对传统的工程生产过程和集成生产过程进行比较[14J图2a为传统的工程生产过程，各个阶段和参与专业的工作并不是并行的，最先参与的是开发商和政府审查部门，咨询、规划以及设计紧接其后，工程承包公司则在工程的施工方案确定以后方才参与.这种过程的特点是各阶段比较分散，过程断层明显.后续阶段的被动参与不仅不利于对工程早期设计阶段的理解和管理，也不利于解决后续施工过程中的问题，且问题解决越晚，造成的附加成本越高.图2b为基于BIM的工程集成生产过程.集成生产可以使各专业工种更早地参与工程的设计活动，进行较早的并行工作.比如，在方案评定阶段，规划设计公司、工程承包公司等后续专业工作过程的前移，有利于协调各方的矛盾在早期阶段解决，对于工程项目的平滑设计和建造，减少非必要的资金浪费，具有极重要的意义.由于各参与专业之间不存在明显的过程断层，信息的交流也较传统技术更流畅.Fig.l950同济大学学报(自然科学版)第38卷的数量、洞口面积等.对于结构模型来说，需要表达的信息有墙截面的高度和宽度、墙材料类型、受力钢筋和分布钢筋的数量，墙梁布置方式、施工方法等.从这个实例可见，由于专业不同，所关注的信息也不同[8J还如，对于建筑对象之间节点信息的表达，比如图4的梁柱节点和梁板节点，在建筑模型中，梁和柱、板和梁是分开表达的不同对象，只是组合在一起而己，组合的方法等信息不重要;而在结构模型中，梁柱节点、梁板节点被视为共同承受不同方向荷载的协同工作区，从而是一个整体单元[刀，15J尽管建筑模型和结构模型之间在信息表达上存在一定的差异，但结构模型的形成却是建立在建筑模型基础之上、从建筑模型演化而来的计算模型.通过集成建筑模型中的结构信息，使得结构设计师可以随时访问这些数据，从而形成结构分析模型.Fig.4飞户咀#图4节点信息的不同表达Differentrepresentationofnodesinformation2.2模型数据构建的反复图5表示各个设计阶段的数据信息的传输和流动口6J建筑模型居于顶端的支配地位，由其产生的数据信息分别被结构设计、节能设计、水暖电等其他基于DXF设计软件基于BIM设计软件建筑规范设计所继承和提取;然后，节能设计、水暖电等其它设计阶段又继承和提取结构模型产生的数据信息，对建筑进行二次建模设计.整个建筑工程的设计过程就是这样反反复复，直至达到设计要求.3Fig.5图5模型数据传输的反复Repeatedtransmissionofdatamodel建筑结构信息模型ASIM集成框架3.1ASIM上层模型流程设计图6对建筑结构信息模型ASIM(architectura1andstructuralinformationmode])上层模型(建筑和结构)建模流程进行了设计.通过基于DXF的建筑设计软件(比如AutoCAD)，或基于BIM的建筑设计软件(比如Auto-desk的Revit，Bentley的Archirecture,Graphisoft的ArchiCAD等)，对建筑产品进行设计，并基于IFC标准数据模型格式表达建筑对象，不仅包含基本的绘图信息，还应包含建筑对象的材料、造价等方面的信息，形成完整的建筑产品数据模型.IFC工程文件C++FORTRANPKPM图形格式(中性文件)编译器编译器显示平台结构规范图6建筑和结构建模流程Fig.6Flowofarchitecturalandstructuralmodeling应用开发接口(模型信息转换平台)为模型转换的中间环节，通过程序语言(C++或FORTRAN)解析IFC标准的EXPRESS语言表达类，提取建筑基本对象(