基于BIM 的結(jié)構(gòu)自動導(dǎo)載系統(tǒng)研發(fā)和協(xié)同方法改進(jìn)

任 彧 戴一鳴

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院，福州 350001)

引言

BIM 在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用已獲得了廣泛的認(rèn)同，BIM 軟件可以實(shí)現(xiàn)三維可視化，可以實(shí)現(xiàn)平、立、剖面的聯(lián)動修改，大大提升了建筑設(shè)計(jì)的工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少了錯漏碰缺。基于BIM 應(yīng)用軟件被業(yè)界公認(rèn)是下一代最佳的設(shè)計(jì)信息平臺。但是，同樣的技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域并沒有獲得結(jié)構(gòu)工程師的熱烈反響。這就使得我們要反思:BIM 在結(jié)構(gòu)專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值究竟在哪里?

1 結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM 應(yīng)用研究的現(xiàn)狀

近年來有關(guān)BIM 技術(shù)的論文大量出現(xiàn)，但絕大部分都還僅僅只是針對某個工程的介紹性文章或介紹行業(yè)動態(tài)的文章。對基于BIM 的設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)性總結(jié)或?qū)嶋H的高水平應(yīng)用還相對缺乏。基于中國知網(wǎng)的文獻(xiàn)檢索，在3 663 篇關(guān)于BIM 的論文中，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的論文僅有104 篇，占BIM 論文總數(shù)的2.8%。可見BIM 技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究尚未引起足夠的重視。

BIM 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要涉及三方面:結(jié)構(gòu)專業(yè)與其他專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì);BIM 建模軟件與結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;基于結(jié)構(gòu)BIM 模型形成本土化施工圖的問題。文獻(xiàn)［1］指出，BIM 物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型的鏈接障礙是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的難點(diǎn)之一，要實(shí)現(xiàn)"無縫"數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，需要有成熟的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)或數(shù)據(jù)接口。文獻(xiàn)［2～4］對IFC 標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的開發(fā)工作及相關(guān)評估進(jìn)行了分析，認(rèn)為在理論上，IFC 標(biāo)準(zhǔn)可滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)需求。文獻(xiàn)［5～10］指出在工程應(yīng)用中，由于不同軟件的核心數(shù)據(jù)架構(gòu)并不完全對等，使得在不同的軟件在進(jìn)行IFC 文件交換時，不可避免的出現(xiàn)信息缺失與錯誤等結(jié)果;基于IFC 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在真正運(yùn)用于工程實(shí)踐之前，尚需要進(jìn)一步的發(fā)展。文獻(xiàn)［11～14］探討了中國工程界廣泛應(yīng)用的平面表示法在BIM軟件平臺的實(shí)現(xiàn)問題，指出可以在BIM 應(yīng)用軟件中實(shí)現(xiàn)平面表示法表達(dá)，但是尚未解決自動化或半自動化形成平面表示法施工圖的問題。文獻(xiàn)［15～18］指出了BIM 可視化技術(shù)在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的成功運(yùn)用，就協(xié)同設(shè)計(jì)、管線碰撞檢查、深化設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行了分析，指出了BIM 可視化技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對“結(jié)構(gòu)專業(yè)與其他專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)問題”基本沒有涉及。

2 BIM 簡介

為便于討論的展開，下面對BIM 的相關(guān)理論問題進(jìn)行簡單回顧。

BuildingSmart 是BIM 國際標(biāo)準(zhǔn)的主要制訂者。他們提出:BIM 技術(shù)的3 大支柱是IFC 標(biāo)準(zhǔn)、IDM 方法和IFD 標(biāo)準(zhǔn)。其中IFC 標(biāo)準(zhǔn)是面向?qū)ο蟮摹⒐_的、中性的數(shù)據(jù)格式，用于定義建設(shè)項(xiàng)目全生命周期所有階段的信息，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)不同軟件之間進(jìn)行無損的信息交換。IDM 方法是面向?qū)I(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，定義了專業(yè)間信息交換的內(nèi)容。如果將IFC 比喻為一個藥鋪，那么IDM 就相當(dāng)于某位醫(yī)生開出的藥方。IDM 的技術(shù)架構(gòu)同時涉及BIM 用戶和軟件供應(yīng)商。同一事物在自然語言中有多樣化的表述，比如“天花”又叫“吊頂”，再加上國際化背景下各國語言的差異，使得信息交換的準(zhǔn)確性存在困難。IFD 標(biāo)準(zhǔn)正是解決標(biāo)準(zhǔn)化信息交換的理解問題，采用了概念和名稱或描述分離的策略。

圖1 IFC 與IDM 關(guān)系圖

由以上介紹可知，IFC 和IFD 是面向軟件開發(fā)商的，專業(yè)領(lǐng)域用戶無需關(guān)心技術(shù)細(xì)節(jié)。提高專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用效率的主要理論研究方向應(yīng)該是IDM領(lǐng)域。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域BIM 化改造存在的問題

首先，讓我們回顧一下在前BIM 時代是如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。圖3 給出了某個大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程圖:1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員通過二維圖紙獲取建筑專業(yè)提供的設(shè)計(jì)條件，在AutoCAD 平臺下進(jìn)行3 維單線模型的建模;2)然后將有關(guān)幾何拓?fù)湫畔鬟f到SAP2000 結(jié)構(gòu)分析軟件中，在補(bǔ)充了構(gòu)件規(guī)格的定義，并分析證實(shí)符合規(guī)范的相關(guān)規(guī)定后，可以通過AutoCAD 數(shù)據(jù)插件將SAP2000 模型數(shù)據(jù)讀回CAD 中，并基于模型形成施工圖;3)同時SAP2000 的模型數(shù)據(jù)可以直接傳遞給Xsteel 軟件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，Xsteel 軟件可以實(shí)現(xiàn)基于三維模型的自動化生成加工圖。

通過以上分析，我們可以看到結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)的工作是圍繞著結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的。我們也看到了信息在多個軟件間的自動共享和流動。由此我們可以得出結(jié)論:傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事實(shí)上已經(jīng)在專業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)BIM。信息的損失主要發(fā)生在專業(yè)間信息交換的界面上。因此，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行BIM 化改造的重點(diǎn)顯然應(yīng)該針對信息損失界面。

圖2 前BIM 時代的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件開發(fā)商(如探索者、盈建科公司等)將主要研發(fā)精力集中在兩個領(lǐng)域:BIM 核心建模平臺和結(jié)構(gòu)分析軟件的數(shù)據(jù)交換以及BIM平臺上的施工圖自動生成。

這些研發(fā)工作面臨著不小的困難:1)國產(chǎn)結(jié)構(gòu)分析軟件是按照“標(biāo)準(zhǔn)層+樓層組裝”的2.5D 模式進(jìn)行數(shù)據(jù)管理的，與真三維的BIM 建模方式存在信息交換不對等的問題;2)國產(chǎn)結(jié)構(gòu)分析軟件是按照有限元剖分的要求進(jìn)行桿件劃分，而在BIM 建模中通常是按照工程邏輯進(jìn)行桿件劃分的，也存在信息交換不對等的問題;3)由于結(jié)構(gòu)分析的專業(yè)性，使得結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)庫尚無法整合進(jìn)BIM 中心數(shù)據(jù)庫。這就使得平行數(shù)據(jù)的一致性維護(hù)會經(jīng)常發(fā)生，降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的工作效率。上述問題在當(dāng)前還沒有得到完整地解決。

更重要的是，這些研發(fā)只不過是將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程復(fù)制到BIM 核心建模平臺上。在當(dāng)前的BIM 環(huán)境下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的工作效率沒有得到提高，還要面對陌生的操作環(huán)境，付出額外的學(xué)習(xí)成本;同時由于軟件功能的限制，平行的多套數(shù)據(jù)頻繁更新，影響了操作體驗(yàn)。

這就是當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域BIM 應(yīng)用熱度不高的主要原因。

4 自動導(dǎo)載系統(tǒng)的研發(fā)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程如下:1)首先需要在空間約束條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的布置;2)根據(jù)使用功能條件，進(jìn)行恒荷載和活荷載的導(dǎo)算;3)根據(jù)建筑物所處的場地條件，確定抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)條件，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算;4)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。如果滿足規(guī)范要求，則轉(zhuǎn)入細(xì)部設(shè)計(jì)生成施工圖;如不滿足則回到第1 步進(jìn)行調(diào)整。上述四個步驟中，第1、2 步的外部信息可以從BIM 模型中充分獲取，第3 步所需的外部信息應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范確定，與BIM 模型無關(guān)。由上述分析可知，荷載導(dǎo)算工作是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，而且可以在BIM 模型中獲取完整的信息。

圖4 自動導(dǎo)載系統(tǒng)框架圖

當(dāng)前導(dǎo)載工作主要依靠手工進(jìn)行，人工導(dǎo)載的質(zhì)量與結(jié)構(gòu)工程師的經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān);缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程師往往會出現(xiàn)荷載遺漏、荷載取值不當(dāng)以及其他的人為錯誤;同時由于各種原因，建筑設(shè)計(jì)條件頻繁修改，采用人工導(dǎo)載的辦法往往會造成建筑條件的修改不能同步反映在結(jié)構(gòu)電算模型中，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在安全隱患。

針對上述問題，我們研發(fā)了基于BIM 的結(jié)構(gòu)自動導(dǎo)載系統(tǒng)(以下稱ALCS 系統(tǒng))。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于:1)自動生成的載荷數(shù)據(jù)直接來源于BIM 數(shù)據(jù)庫，避免了由于人為疏忽造成荷載漏算的可能，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性;2)通過荷載同步更新的算法，可以實(shí)現(xiàn)荷載數(shù)據(jù)與建筑BIM 模型、結(jié)構(gòu)電算模型的同步更新，可以大大提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作效率。

ALCS 系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)層、處理層和輸出層。重點(diǎn)解決了以下問題:

(1)基于BIM 的荷載信息存儲技術(shù)

定制專門的荷載族，使得該族具備存儲和顯示荷載信息的功能;同時該族的實(shí)例將記錄自身在邏輯上從屬的結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)例的標(biāo)識，以及作為數(shù)據(jù)來源的建筑或設(shè)備對象實(shí)例的標(biāo)識。通過基于BIM的荷載信息存儲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑BIM 模型全專業(yè)數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)計(jì)算模型層次上的統(tǒng)一。

(2)結(jié)構(gòu)BIM 對象

由于結(jié)構(gòu)專業(yè)對于幾何數(shù)據(jù)的處理邏輯與建筑專業(yè)存在較大的不同。例如:建筑BIM 模型中的樓板在板面標(biāo)高、板厚度一致的條件下，允許樓板對象實(shí)例跨房間設(shè)置(甚至全層一個對象);但是結(jié)構(gòu)BIM 模型則需要根據(jù)梁格分別布置板對象。因此，需要在BIM 模型中設(shè)置僅結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)部可見的專用對象，這些專用對象仍需保持與其它專業(yè)對象的相關(guān)關(guān)系。

(3)基于BIM 的荷載獲取算法

在點(diǎn)狀分布、線分布以及面分布的建筑或設(shè)備對象實(shí)例上增加重量或密度屬性，利用幾何屬性與物理屬性獲得建筑或設(shè)備對象實(shí)例的力學(xué)屬性，再根據(jù)對象實(shí)例的空間屬性確定從屬的樓層號，然后根據(jù)樓層的拓?fù)湫畔⒋_定荷載信息的從屬的結(jié)構(gòu)對象，并建立關(guān)聯(lián)。

(4)基于BIM 技術(shù)和專家知識庫的荷載管理技術(shù)

由于實(shí)際工程幾何相關(guān)關(guān)系的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)計(jì)算需在一定簡化條件下進(jìn)行。將荷載屬性與結(jié)構(gòu)對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)時，不能僅按照數(shù)學(xué)意義上的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行處理，而是要按照工程設(shè)計(jì)的技術(shù)習(xí)慣進(jìn)行預(yù)處理后，再將各類荷載與結(jié)構(gòu)對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)。換而言之，需要將初始的點(diǎn)、線、面荷載形態(tài)根據(jù)結(jié)構(gòu)電算模型的架構(gòu)進(jìn)行當(dāng)量變換。從結(jié)構(gòu)計(jì)算的技術(shù)原理來說，荷載對象應(yīng)只從屬于唯一的結(jié)構(gòu)構(gòu)件對象。

(5)基于BIM 的荷載輸出技術(shù)

目前結(jié)構(gòu)專業(yè)計(jì)算軟件尚不能與BIM 平臺軟件實(shí)現(xiàn)完全嵌入，因此需要解決BIM 數(shù)據(jù)庫到專業(yè)計(jì)算軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞。考慮到荷載數(shù)據(jù)與建筑條件的關(guān)聯(lián)性、完備性，只允許從BIM平臺驅(qū)動結(jié)構(gòu)專業(yè)計(jì)算軟件，而不允許反向的數(shù)據(jù)流。

圖5 自動導(dǎo)載系統(tǒng)的流程圖

由于建筑BIM 對象和結(jié)構(gòu)BIM 對象間存在復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系，舉例來說:一段建筑隔墻可能跨越多跨結(jié)構(gòu)梁;一跨結(jié)構(gòu)梁上可能承受多個建筑構(gòu)件。將導(dǎo)載過程拆分為面向建筑對象的一次導(dǎo)載和面向結(jié)構(gòu)對象的二次導(dǎo)載，并保存必要的中間結(jié)果，可以較好地解決復(fù)雜對應(yīng)問題。

圖6 自動導(dǎo)載系統(tǒng)演示

在上述算法的基礎(chǔ)上，福建省建筑設(shè)計(jì)研究院和探索者軟件公司協(xié)作開發(fā)了相應(yīng)的軟件產(chǎn)品。該產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)全專業(yè)BIM 模型的一鍵式導(dǎo)載，大大提升了導(dǎo)載計(jì)算的工作效率和正確性。該產(chǎn)品在研發(fā)中還充分考慮了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以按照工程師指定的導(dǎo)算原則，自動進(jìn)行荷載偏心處理、板上局部荷載導(dǎo)算、梁上非均布荷載的等效均勻化處理等工作。ALCS 系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)載計(jì)算過程的回溯，可以自動顯示某項(xiàng)荷載對應(yīng)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，大大方便了校審人員的工作。

圖7 導(dǎo)載回溯功能演示

5 結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)

目前國內(nèi)工程設(shè)計(jì)環(huán)境現(xiàn)狀，施工圖設(shè)計(jì)階段往往需要進(jìn)行多達(dá)十幾輪的修改，而且相當(dāng)數(shù)量的修改是發(fā)生在設(shè)計(jì)接近完成時。在這種高完成度條件下上游數(shù)據(jù)的差異識別是我們急需解決的問題。在前BIM 時代，設(shè)計(jì)人員面對的僅是10MB 級別的DWG 文檔，可以通過圖元識別的方法自動進(jìn)行(例如ViewCompare 軟件)。但是在BIM 時代，設(shè)計(jì)人員面對的是100MB 甚至是GB 級別的BIM 模型數(shù)據(jù)，而且BIM 模型是基于參數(shù)化方法組裝而成，尚沒有自動差異識別方法。在某種程度上，BIM時代豐富的信息反而帶來協(xié)同工作的困難。傳統(tǒng)的“識別靠瞅”的協(xié)同，不能適應(yīng)BIM 時代的海量數(shù)據(jù)。

總之，基于BIM 全專業(yè)數(shù)據(jù)庫不會自動形成高效的專業(yè)間協(xié)同。自動高效獲取專業(yè)以外數(shù)據(jù)是BIM 時代專業(yè)間協(xié)同的主要價(jià)值所在。

BIM 模型中非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包含了大量的信息，例如:顏色、材質(zhì)、外觀尺寸等等。通過我們研發(fā)的荷載自動導(dǎo)算系統(tǒng)，可以將BIM 核心建模軟件中難以直接量化的多維度非結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)換為荷載信息，實(shí)現(xiàn)了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)據(jù)維度的降低。從這個意義上說，荷載信息集合就是所有非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的“影子模型”。數(shù)值化的“影子模型”不但可以減少數(shù)據(jù)存儲量，而且不需要復(fù)雜的邏輯算法就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動的精確差異識別。如果比對不同時點(diǎn)保存的荷載“影子模型”，就可以自動識別不同時點(diǎn)模型之間的差異。因此，利用我們研發(fā)的ALCS 系統(tǒng)可以提升BIM 環(huán)境下的專業(yè)間協(xié)同的效率。

圖8 改進(jìn)后的基于BIM 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要解決建筑全生命周期中的荷載不確定性問題。同時，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在安全冗余度方面的要求，使得在進(jìn)行結(jié)構(gòu)導(dǎo)載計(jì)算的時候并不追求絕對的精確。導(dǎo)載計(jì)算時應(yīng)該按照工程原則確定導(dǎo)載的精度。換而言之，結(jié)構(gòu)導(dǎo)載計(jì)算存在著對其他專業(yè)修改的敏感閾值。利用自動導(dǎo)載系統(tǒng)的精度設(shè)定，可以將其他專業(yè)不影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的微小改動自動過濾，可以避免不必要的人工干預(yù)。

6 總結(jié)

基于BIM 的結(jié)構(gòu)自動導(dǎo)載系統(tǒng)的研發(fā)不但實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)過程的自動化，而且是對IDM 方法的發(fā)展。如果將IFC 比喻為一個藥鋪，那么經(jīng)我們改進(jìn)的IDM 方法就使得藥方中不再只包括草藥，還可以是藥丸、藥膏。通過在專業(yè)間信息交換界面上設(shè)置數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，使得專業(yè)間信息交換的數(shù)據(jù)量顯著較少，顯著改善了專業(yè)間協(xié)同工作效率。

通過本文的研究，我們提出了在專業(yè)協(xié)同中交換數(shù)據(jù)自動降維的處理方法和基于“影子模型”快照的差異識別方法，使得BIM 數(shù)據(jù)應(yīng)用方法得到了發(fā)展。同時，上述BIM 應(yīng)用方法不但可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域創(chuàng)造價(jià)值，也可以應(yīng)用于其他專業(yè)領(lǐng)域。

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