基于BIM的建筑結構施工圖設計研究

馮 俊 彥

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西 大同 037006)

1 BIM的構建

本文認為BIM的構建需要以下信息技術的支撐，其中，數據標準是構建BIM的數據支撐，隨著建筑工程復雜度的提高，工程設計已經不能依靠一兩個軟件來完成，不同的軟件系統之間的信息交互需要國際化的信息標準來支撐，如IFC,CIS/2等；參數化模型是構建BIM的模型支撐，參數化建模技術為BIM應用提供了數據模型，離開參數化建模BIM的構建將失去數據之源，當前主流的BIM建筑設計軟件Revit,ArchiCAD等都可以通過參數化模型建立建筑設計BIM模型；可視化是構建BIM的圖形支撐，基于圖形的工程設計已經成為建筑工程設計軟件的共同屬性，BIM的展現也要通過可視化的圖形來表達；協同設計是構建BIM的管理支撐，協同設計是基于BIM的工程設計的內在要求，基于BIM模型的協同設計是建筑設計業的發展方向。

2 應用軟件平臺

基于BIM的建筑結構施工圖設計系統需要利用相關應用軟件系統或平臺實現對設計模型和數據進行轉換、分析、集成和展現。這些應用系統和平臺包括：基于BIM的施工圖設計平臺、參數化BIM建模系統、建筑結構設計軟件、工程算量軟件。

2.1 基于BIM的施工圖設計平臺

一個基于BIM的建筑結構施工圖設計平臺，提供結構模型轉換、結構施工圖設計、基于BIM模型的協同設計管理等基本功能。同時，基于IFC和非IFC的模型轉換接口，結構分析模型和工程算量模型的自動生成等輔助功能。

2.2 參數化BIM建模系統

隨著基于BIM的建筑設計軟件日趨成熟，大量的建筑工程設計中開始采用應用Revit Architecture，ArchiCAD等BIM建模軟件進行建筑設計與分析。本文采用Revit Architecture軟件建立建筑設計模型。

2.3 建筑結構設計軟件

建筑結構分析與構件設計是施工圖設計的前提和基礎，國際主流的建筑結構分析與設計的軟件全部都提供了數據接口，全部都配備了建筑結構設計的創建和結構設計的結果的輸出。本文中綜合考慮結構設計軟件的通用性、設計結果的可導出性等因素，選取ETABS軟件進行結構設計。

2.4 工程算量軟件

工程算量是工程計價的基礎，基于BIM的建筑結構施工圖設計模型可以為工程算量分析提供精確的數據模型，而且支持模型信息的動態更新，是工程算量軟件最佳的數據源。本文中選取國內應用最廣泛的廣聯達GGJ2009鋼筋算量軟件作為銜接結構施工圖設計模型的工程算量軟件。

3 模型轉換流程與接口方案

基于BIM的結構施工圖設計需要解決多個軟件系統之間的模型轉換問題。本文所涉及的工程數據模型主要包括：建筑設計模型、結構施工圖設計模型、結構分析模型、工程算量模型。本文提出了基于結構施工圖設計信息模型的模型轉換流程。模型轉換接口方案如圖1所示。

3.1 基于IFC的建筑模型導入接口

IFC標準采用EXPRESS語言進行建筑產品模型的定義，是一個基于面向對象的數據模型體系。EXPRESS語言是STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)標準開發的一種面向對象的信息描述語言，提供EXPRESS文本方式和EXPRESS-G圖形方式兩種模型描述的方式。EXPRESS文本方式更便于計算機的讀取，可用于IFC模型文件的解析。EXPRESS-G圖是EXPRESS模型的子集，可以通過圖形的方式更加形象的展現實體之間的派生、關聯關系。兩者結合使用，更好地完成IFC模型的定義。

在建筑結構設計中，現行的IFC標準可以對結構設計信息模型中的結構構件、構件屬性、構件關聯關系、荷載工況等進行完整的描述。本文采用課題組自主開發的IFC解析接口進行IFC文件的解析，通過預定義模型子視圖控制模型提取的內容，實現基于IFC的建筑設計模型向結構設計模型的自動轉換。

3.2 ETABS結構分析模型轉換接口

本文用ETABS軟件來實現建筑結構施工圖設計的轉換，并用ETABS結構分析模型的軟件功能利用Access數據庫文件的結合來實現建筑結構施工圖的設計與轉換。

3.3 工程算量模型XML導出接口

本文選用國內應用比較廣泛的廣聯達鋼筋算量軟件GGJ2009，采用XML映射模型的方式實現從結構施工圖設計模型到工程算量模型的轉換。

4 施工圖設計信息模型

4.1 施工圖設計信息模型的構成

施工圖設計信息模型是以建筑結構的三維模型作為核心，并包含建筑的結構物理模型以及模型管理、模型屬性和模型關聯等信息模塊。

4.2 施工圖設計信息模型的關聯機制

本施工圖設計信息模型采用IFC標準對建筑結構施工圖設計BIM模型進行數據封裝，利用IFC的模型關聯關系實現施工圖設計信息模型的關聯機制。施工圖設計信息模型的關聯關系主要包括：模型構件之間的關聯、模型與屬性的關聯、模型與視圖的關聯。

基于IFC的構件實體關聯模型，模型構件實體之間可以通過節點關聯實體(Ifc Rel Connects Elements)建立關聯。例如梁實體(Ifc Bearn)與柱實體(Ifc Column)通過Ifc Rel Connects Elements實體建立共享節點關聯，保證相關實體的關聯修改。模型與視圖的關聯通過關聯關系實體(Ifc Rel Aggregates)建立三維模型構件(Ifc Building Element)與二維圖形構件實體(_Ifc Building Element 2D)的關聯實現，并且同一個三維構件實體可以與多個二維圖形實體建立關聯，和模型與圖紙的一對多關系相一致。

4.3 結構施工圖智能設計

基于BIM的建筑結構施工圖設計在設計模式上完全不同于傳統的基于二維圖紙設計方法，整個設計工作都是基于結構施工圖設計BIM模型進行。通過系統研究后，本文探索出了如下結構施工圖設計流程：

本建筑結構施工圖設計方案首先將建筑結構設計結果通過模型轉換的接口將建筑結構施工圖輸入系統中，即將建筑結構施工圖和系統的基本模型進行關聯，建立起建筑結構施工圖設計的BIM模型；然后，對施工圖設計BIM模型進行模型檢查、調整和補充定義；接著，進行智能配筋設計、配筋優化和規范校驗，形成完整的施工圖設計信息模型；最后，在該信息模型的基礎上進行結構施工圖的生成、布圖、修改與發布。整個設計過程主要由系統自動完成，而且設計過程中融入大量智能算法，充分體現出BIM應用軟件的智能化、自動化程度高的優點。

5 模型管理與協同設計方案

在傳統的工程設計模式下，協同設計由于缺少對核心工程模型的控制機制，只能達到對工程圖檔級別的管理，本質上是一種協同工作環境。本文的協同設計是建立在施工圖設計信息模型基礎上，通過對該模型的管理實現對整個設計過程的協同設計管理。該協同設計方案主要包括BIM模型管理和協同設計管理，其中的協同設計，既是BIM工程設計管理的基礎，也是建筑設計業今后發展的主流方向。基于BIM協同設計要求BIM設計模型必須包含模型狀態、用戶權限和版本管理三個方面。在基于BIM的設計模式下，整個協同設計團隊將基于同一個BIM模型進行設計工作，將大幅提升設計質量和效率。