模型自動轉(zhuǎn)化方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

【摘要】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往涉及到很多的演算和分析過程，此時計(jì)算機(jī)在分析與計(jì)算中扮演了重要的角色，但是多數(shù)設(shè)計(jì)軟件之間的文件模式往往不能兼容，所以帶來了大量的建模工作，因此需要利用模型自動轉(zhuǎn)化完成建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下面以BIM為基礎(chǔ)，提出一種模型自動轉(zhuǎn)化的方式，幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到分析，計(jì)算到施工圖設(shè)計(jì)流水化作業(yè)，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；BIM；自動轉(zhuǎn)化；效率提高

一、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的信息模型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中軟件輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)成為重要的技術(shù)手段之一，然而多數(shù)軟件不能兼容，其反復(fù)建立模型的工作影響了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的工作效率，因?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)中不同的軟件在數(shù)據(jù)交換中都需要進(jìn)行再次處理才能實(shí)現(xiàn)共享與銜接，多數(shù)供應(yīng)商不會提供自身軟件的模型格式，從而造成了信息銜接的瓶頸。所以建筑信息模型的理念應(yīng)運(yùn)而生，目前在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑信息模型技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用，該技術(shù)就是對建筑的物理和功能特征進(jìn)行數(shù)字化處理，將建筑設(shè)計(jì)所需要的信息進(jìn)行采集和處理形成一個共享的數(shù)據(jù)資源，建筑信息模型的本質(zhì)就是信息庫，同時建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型是以三維技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了各種工程項(xiàng)目信息的數(shù)據(jù)模型。

針對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的信息模型包含了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的所需信息，除了基本結(jié)構(gòu)的物理模型信息外，還包括屬性信息、模型關(guān)聯(lián)信息、管理信息等。物理結(jié)構(gòu)模型包括的有：結(jié)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、截面、軸網(wǎng)、約束信息等等；屬性信息則有：載荷、內(nèi)力、材料、設(shè)計(jì)分析等信息；而關(guān)聯(lián)系統(tǒng)則有：結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)、模型關(guān)聯(lián)等；管理信息則是說明信息的來源等基本信息。因此在建筑信息模型技術(shù)的基礎(chǔ)上，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型的信息十分完備，且保持了一致性，可以為設(shè)計(jì)者提供必要的工程數(shù)據(jù)資料，也可解決分布式、異構(gòu)工程等的數(shù)據(jù)分享，是建筑模型自動轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。

二、建筑模型轉(zhuǎn)化在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括了結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)等等，在設(shè)計(jì)中利用模型的自動轉(zhuǎn)化可以幫助提高設(shè)計(jì)效率，也可幫助實(shí)現(xiàn)檢測與模擬等。在設(shè)計(jì)中利用以下步驟就可完善轉(zhuǎn)化與設(shè)計(jì)。首先，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息的形成必須依靠設(shè)計(jì)信息模型，也就是在建筑設(shè)計(jì)模型中選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息，利用IFC標(biāo)準(zhǔn)在建筑設(shè)計(jì)信息模型中選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息，提取有價值的信息，并將其建立為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的信息模型，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不會出現(xiàn)非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息，所以模型中也不會包含此類信息，該模型不能從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型中反向映射出建筑設(shè)計(jì)模型，所以這個提取過程是單向的。其次，通過針對性開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析模型的導(dǎo)出接口，將信息從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型中再次提取，形成結(jié)構(gòu)分析模型，以此實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析。然后，利用結(jié)構(gòu)分析模型的導(dǎo)出接口，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果集成到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型中，形成一個完整的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)新項(xiàng)目模型，進(jìn)行施工圖的設(shè)計(jì)；最后，利用XML模型接口，將包括施工圖設(shè)計(jì)結(jié)果的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為施工計(jì)算分析模型，進(jìn)行相關(guān)施工作業(yè)的工程量計(jì)算與分析。下面針對建筑設(shè)計(jì)模型-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型-結(jié)構(gòu)分析模型的轉(zhuǎn)化進(jìn)行簡要的介紹，以此分析模型自動轉(zhuǎn)化在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用過程：

1、建筑設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前我國的建筑設(shè)計(jì)中二維圖的使用較為普遍，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員都是按照建筑設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)：內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)力分析、圖紙繪制等，在這樣的過程中，設(shè)計(jì)多數(shù)依靠的是圖元識別，以此獲得建筑軸網(wǎng)和主要墻柱、結(jié)構(gòu)件等的位置，期間建模工作量巨大，且多為重復(fù)勞動。而IFC標(biāo)準(zhǔn)的提出使得建筑產(chǎn)品的描述標(biāo)準(zhǔn)得到了統(tǒng)一，該標(biāo)準(zhǔn)完全涵蓋了建筑的全部生命周期，尤其是在設(shè)計(jì)階段，對建筑幾何模型的描述十分完善且準(zhǔn)確。一些國際流行的軟件也都可將各自的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型導(dǎo)出為IFC文件，所以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化可以以這個標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。基于IFC描述的建筑設(shè)計(jì)模型為自動轉(zhuǎn)化提供了平臺。從建筑設(shè)計(jì)模型生成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型主要是幾何模型的轉(zhuǎn)變，而建筑設(shè)計(jì)模型中的結(jié)構(gòu)件識別則是關(guān)鍵問題。IFC標(biāo)準(zhǔn)定義的模型優(yōu)勢在于構(gòu)件容易識別、構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，完全可以在轉(zhuǎn)化后被其他軟件進(jìn)行再處理。

從建筑設(shè)計(jì)模型可以識別的結(jié)構(gòu)構(gòu)件上看，墻、柱、梁、板等包含了所有的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而且建筑設(shè)計(jì)模型中墻體除了結(jié)構(gòu)層被描述外，也可包括其兩側(cè)的保溫層、裝飾層，當(dāng)然也可以將門窗等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件加以描述。在轉(zhuǎn)化后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型中墻體結(jié)構(gòu)模型體現(xiàn)的是單一結(jié)構(gòu)的混凝土構(gòu)件，門窗等則被轉(zhuǎn)化為墻體上的孔洞。

在IFC標(biāo)準(zhǔn)中，利用實(shí)體定義和關(guān)聯(lián)關(guān)系就可形成一個建筑的結(jié)構(gòu)邏輯模型，在實(shí)踐中先給出的是IFC的墻體模型定義，轉(zhuǎn)化中將墻體、門、窗關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行定義，利用洞口關(guān)聯(lián)、洞口填充關(guān)聯(lián)分別可以獲得墻體實(shí)體與門實(shí)體、窗實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，通過墻實(shí)體和洞口實(shí)體實(shí)現(xiàn)對墻體描述，此時文件中的墻體模型就會變?yōu)閹в卸纯诘膲w模型。此時也可對墻體材料進(jìn)行定義，通過材料關(guān)聯(lián)實(shí)體和多層材料實(shí)體定義，可以定義建筑墻體的層數(shù)和材料，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型而言可以通過材料實(shí)體來識別墻體和門、窗的差異。

除了墻體以外，柱、梁、板也可通過上述的定義完成轉(zhuǎn)化，從建筑設(shè)計(jì)模型變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，在建筑設(shè)計(jì)模型向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)化時應(yīng)注意，需要對IFC進(jìn)行解析，通常是利用商業(yè)軟件完成，也可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行自主的開發(fā)。當(dāng)然其核心就是對IFC文件進(jìn)行解析獲得所需的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-結(jié)構(gòu)分析模型的轉(zhuǎn)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的必要環(huán)節(jié)是結(jié)構(gòu)分析，這是幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來驗(yàn)證可行性的步驟。在轉(zhuǎn)化中可以利用結(jié)構(gòu)分析模型的接口來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析模型文件的生成與結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的采集。利用國際通用的軟件都可實(shí)現(xiàn)這個過程，并完成有限元分析。但是模型的轉(zhuǎn)化都是局限在不同有限元分析軟件之間的幾何模型轉(zhuǎn)化。如：利用ETABS模型文件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型向結(jié)構(gòu)分析模型轉(zhuǎn)化，然后利用數(shù)據(jù)庫的功能將軟件分析的結(jié)果集成到原有的設(shè)計(jì)模型中。按照工程文件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型向結(jié)構(gòu)分析模型的轉(zhuǎn)化步驟如下：先編輯并生成一個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件，利用軟件的接口導(dǎo)出，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本信息寫入到相關(guān)軟件中，形成該軟件模型下的文件。然后利用軟件導(dǎo)入該模型文件，進(jìn)行模型的定義和分析，如定義約束、施加載荷，完成對結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。然后利用軟件提供分?jǐn)?shù)據(jù)庫接口，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。最后利用軟件接口導(dǎo)入接口，將構(gòu)件的配置信息與對應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，形成一個完整的結(jié)構(gòu)施工圖文件進(jìn)行輸出，以此進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)和工程量的分析。完成上述步驟后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型就變?yōu)榉治瞿Ｐ汀?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、施工設(shè)計(jì)模型等。

三、結(jié)束語

模型自動轉(zhuǎn)化可以幫助建筑設(shè)計(jì)簡化設(shè)計(jì)過程，尤其是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要針對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行組合與配置，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，因此在設(shè)計(jì)中需要借助多種軟件完成設(shè)計(jì)，因此也就給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作帶來了一定難度。而借助自動轉(zhuǎn)化的技術(shù)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑信息模型結(jié)合起來利用建筑信息模型作為轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，配置軟件接口就可實(shí)現(xiàn)自動轉(zhuǎn)化，由此形成了一個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、施工圖設(shè)計(jì)、工程量模型之間的轉(zhuǎn)化流程，由此將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引入到更加自動化、智能化的水平。

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