基于ABD 的BIM物理模型與結構分析模型數據鏈接的案例分析

楊鵬飛 張洪偉 高興華

(1.北方工業大學，北京100044;2.中國建筑標準設計研究院，北京100048)

1 引言

BIM核心建模作為一種創新的工具生產方式，涵蓋了與項目相關的大量信息，服務于建筑項目的設計、建造安裝、運營等整個生命周期，結構有限元分析軟件主要用途為結構設計和施工圖，以下將詳細探討BIM核心建模軟件與結構有限元分析軟件的關系，以及用實例闡述怎樣實現二者的數據共享。

2 BIM技術在結構設計中的應用流程以及存在的問題

應用BIM技術實現結構設計，與傳統二維設計有著較大的出入。BIM設計由建筑師提供建筑信息模型，結構工程師根據建筑模型進行刪減、修改以及再布置，增添結構分析屬性，建立BIM結構模型。通過數據接口將所建模型導入到有限元分析軟件中，分析軟件通過計算、分析，將分析后的結果推送回BIM核心建模軟件，其詳細過程見圖1。

BIM建模有著“所見即所得”的強大優勢，而這里的“得”是指幾何信息和非幾何信息，換句話說也就是結構專業中常提到的物理模型和分析模型。結構分析軟件是結構專業的專業軟件，所建模型是經過簡化后的分析模型。由于分析模型中包括了大量第三方分析程序所要求的各種信息，如:荷載、荷載組合、邊界條件，這就使得工具軟件中采用的參數更加繁多，軟件之間的無縫鏈接很難完成，物理模型與結構分析模型雙向鏈接的優點不能真正得到發揮，而這又是結構工程師希望的功能。

圖1 BIM技術在結構設計中的應用流程

3 臺灣某GGH電廠工程數據共享案例

以下為臺灣某GGH電廠工程實例，通過該實例說明BIM核心建模軟件與結構分析軟件的數據共享問題，以及BIM結構工程師在創建模型時應注意的技術方法和存在的問題。

3.1 工程背景簡介

GGH，是煙氣脫硫系統中的主要裝置之一。它的作用是利用原煙氣將脫硫后的凈煙氣進行加熱，使排煙溫度達到露點之上，減輕對進煙道和煙囪的腐蝕，提高污染物的擴散度;同時降低進入吸收塔的煙氣溫度，降低塔內對防腐的工藝技術要求。

本工程為中國臺灣臺北縣林口電廠重建項目(3X800MW鍋爐單位)(鋼結構，高度9.9m)。由于該工程屬于電廠工程，貫通整個結構的電力設備及管線較多，并且錯綜復雜，因此采用BIM技術解決其間大量的碰撞問題。依照BIM項目設計工作流程，首先在BIM核心建模軟件ABD中進行建模，通過數據接口將BIM模型導入到STAAD.Pro中進行結構計算，將計算及優化后的模型通過數據接口更新BIM模型。通過BIM核心建模軟件與結構分析軟件的數據共享，使模型統一化，并減少結構工程師的工作。

3.2 創建BIM結構模型的技術處理方法

創建BIM結構模型不是單純的建模，在創建模型時需考慮分析屬性，對于不同部位的構件要分開創建。本實例中涉及到柱、主梁、次梁、撐等多種構件，在創建模型時選擇正確的分類后，軟件會將構件的邊界條件自動釋放，例如選擇次梁，系統會自動將其兩端的約束釋放掉。對于大部分構件的邊界條件，軟件的處理均可滿足條件。但是對于特殊結構部位的桿件，在BIM模型中創建完成后是無法滿足結構要求的，這需要在導入結構計算軟件后進行人工的干預，對不能滿足要求的部位需要進行修改，從而滿足結構計算的要求。例如在本工程中，為了滿足需要，截面較大的鋼柱上要創建兩個截面較小的鋼柱，見圖2。導入STAAD.Pro中需要對分析模型進行修改，將兩截面較小的鋼柱與截面較大的鋼柱用假定的桿件進行連接。

圖2 ABD中所建特殊部位的結構模型

除此之外，在BIM核心建模軟件可以施加結構荷載和組合方式，但是對于地震荷載只能在結構分析軟件中添加。因此結構工程師可以選擇在BIM核心建模軟件中添加一部分荷載，也可以全部在結構分析軟件中進行統一添加。

3.3 BIM結構模型與分析模型的數據交換

在BIM核心建模軟件中創建滿足要求的結構模型后，通過數據接口將數據導入到結構分析軟件中。ABD提供了結構應用設計規范和相關設計參數的選擇，在輸出 STAAD.PRO之前，ABD依靠OpenSTAAD API來作為一種讀寫STAAD.PRO的方法。在導出分析程序的設計工具“設計選項”的設置中，將設計代碼數據映射成參數，可在任何時間修改單個構件或構件選擇集的這些參數，見圖3。

圖3 修改各參數對話框

本工程由多個鋼支架組成，且各部分間多數沒有相互作用。因此采用分別創建、分別導入的方法進行工作。由于BIM核心建模軟件對硬件要求較高，對于超大模型可采用“樓層疊加”方法分兩次轉換，并進行人工組合。圖4為該項目在ABD中所建的結構模型，圖5為通過數據共享導入STAAD.Pro中的分析模型。

圖4 ABD中所建的結構模型

圖5 導入STAAD.Pro中的分析模型

圖6為該工程中較為復雜的結構，對于復雜部位ABD中所見模型不能滿足結構要求的，需要在STAAD.Pro中進行修改。該圖為修改、計算后分析模型，圖7為導入ABD中的結構信息模型。

圖6 修改、計算后的STAAD.Pro分析模型

通過本工程實例，在ABD與STAAD.PRO的互導實踐中。我們不難發現，其互導內容包括:分析構件、荷載、荷載工況、荷載組合、構件約束、邊界條件，甚至像構件偏移這樣的物理屬性也應能夠被轉化。這意味著這兩者之間不僅能實現物理模型間的互導，同樣能實現分析模型的互導。并且對于常規模型基本能實現無縫連接，對于特殊結構需要人為的干預、修改，以滿足結構計算要求。

圖7 導入ABD中的結構信息模型

Bentley開發的另一種ISM數據格式，其支持第三方應用，且提供ISM平臺可供管理和修改模型。但是創建結構模型時，用于生成計算模型的梁柱等一定要附加分析特性，否則將不能被輸出為ISM模型對象。在STAAD.Pro模型中因設計需要修改模型時，如還需后續更新ISM模型，就只能修改桿件的截面尺寸;不能新建，移動和刪除模型，否則會造成ISM模型同步錯誤。新建、移動和刪除模型的工作可以回到Structure Modeler完成，然后更新ISM模型，再由STAAD同步更新計算模型。目前版本分析特性的意義只限于帶截面的幾何模型，即物理模型。不包含用于計算的桿件端部約束釋放和荷載，在ABD中建立這些屬性是徒勞的。因此本文沒有將這種數據格式作為重點探討。

4 BIM核心建模軟件與結構分析軟件鏈接的實現方式及技術需求

BIM核心建模軟件與結構分析軟件無縫鏈接的實現能解決結構工程師在BIM設計中重復建模問題，從而使整個結構設計模型統一，以便于修改和管理。

4.1 二者鏈接的實現方式

BIM核心建模軟件與結構分析軟件的鏈接的實現其實就是對二者信息的提取和過濾，從而實現二者的映射和聯動。BIM模型提供大量的信息，將其中的結構信息篩選出來較為困難。而分析模型導入BIM模型中相對簡單。例如:ABD與STAAD.Pro的鏈接主要通過截面映射、國家代碼分配、設計規范和設計參數等步驟完成。

4.2 技術需求分析

雖然上述工程案例基本實現了BIM模型與分析模型的轉化，但是結構設計中本土化較好的分析軟件與BIM核心建模軟件的鏈接多數只停留在物理模型的轉化階段，二者不能實現完全的無縫鏈接。不考慮設計階段我國特有的平法出圖問題，單從結構設計階段考慮，根據切身的BIM工程經驗和反饋，列出表1中的技術需求。

表1 鏈接需求功能統計

5 總結和建議

(1)BIM核心建模軟件與結構分析軟件主要通過多個文件映射實現數據共享。盡量加入少量的工作量實現簡單結構的互導。

(2)復雜結構單元的定義要制定標準，規范參變量的名稱和涵義，以便不同軟件之間進行數據交換和共享，實現BIM技術價值最大化。

(3)BIM核心建模軟件與國內主流結構有限元計算軟件連接問題，亟待解決。

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