基于IFC標準的簡支梁鋼筋模型參數化自動生成

陳紅倫，徐嘉懿，王春江，鄧雪原

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基于IFC標準的簡支梁鋼筋模型參數化自動生成

陳紅倫，徐嘉懿，王春江，鄧雪原

(上海交通大學土木工程系，上海 200240)

基于BIM技術的鋼筋模型可以用于工程量直接計算、指導施工、碰撞檢查和鋼筋自動加工等。雖然部分軟件如Revit和Tekla可以輸出鋼筋工業基礎類(IFC)模型，但是需要根據結構設計軟件的配筋結果重新建模，且核心算法沒有公開，國內后續理論研究和軟件開發均無法參考；另外，現階段研究主要集中于通過二次開發的方式實現不同軟件之間的鋼筋信息共享，該方法不具有通用性。本文對鋼筋模型幾何信息在IFC標準中表達方式進行解析，并研究利用結構設計結果參數自動生成基于IFC標準的鋼筋模型，重點進行幾何信息的生成算法研究。最后通過程序生成帶有縱筋和箍筋的簡支梁IFC模型，驗證了算法的可行性。

建筑信息模型；IFC標準；鋼筋模型；幾何信息；參數化生成

平法施工圖是國內目前建筑行業普遍采用的結構信息表達方法。其存在3方面不足：①無法3D可視，對于復雜工程表達能力有限，易引起歧義；②修改難以聯動導致更新圖紙工作量大；③無法進行工程量直接計算且不能直接指導施工[1]。

將建筑信息模型(building information model，BIM)技術應用于結構設計結果的鋼筋信息表達，鋼筋建筑信息模型是以三維數字技術為基礎，集成了鋼筋各種相關信息的工程數據模型，可以為建筑生命周期內各參與方提供協調一致、準確可靠和集成的鋼筋信息[2]，有效地解決目前使用平法施工圖表示鋼筋信息的不足。

BIM技術在表達鋼筋信息方面主要具有以下應用價值[1]：將鋼筋模型與工程算量軟件對接，無需重復建模，可直接進行鋼筋工程量計算，極大提升鋼筋算量的效率；設計結果為直觀可視的三維立體模型，鋼筋尺寸及定位準確，可以直接指導施工，方便各參與方進行更有效地溝通；鋼筋模型可以與結構設計軟件對接，使鋼筋模型和結構計算模型之間存在關聯關系，當計算模型發生變更，可以實現設計軟件內計算模型和設計成果的同步更新；使用BIM技術進行鋼筋三維建模，有利于真正實現基于BIM設計成果的無紙化交付，鋼筋信息如下料長度等信息完備，可以使交付成果標準化，減少人為可操作性，提高工程質量；可以將鋼筋模型與鋼筋加工廠的設備連接，實現鋼筋與預制構件的自動加工。

1 國內外研究現狀

隨著BIM技術的推廣以及工程中對于鋼筋信息表達方式改革的需求，在北美、歐洲、亞洲等眾多國家和地區出現了一批將BIM技術應用于鋼筋信息表達方面的實踐和理論研究。

利用Revit和Tekla軟件可以通過參數化的方式建立鋼筋模型，并且可以輸出包括IFC數據格式在內的多種數據格式鋼筋模型。CHO等[3]研究利用Tekla Structure (TS)開發自動化鋼筋定位系統(automation reinforcement placement system of foundation，ARPF)以進行鋼筋放置；JANG等[4]韓國學者研究利用鋼筋詳細定位(reinforcing steel detailing placement，RSDP)模塊實現具有搭接長度和錨固長度的平板三維鋼筋自動配置；MACIEL和CORRêA[5]研究如何將鋼筋加工過程中的專用數據標準BVBS標準規定的鋼筋信息映射到IFC標準；ARAM等[6]闡述開發用于混凝土鋼筋的行業基礎類 (industry foundation classes，IFC)約束概念和模型視圖定義(model view definition，MVD)。

同時，國內學者也開始對BIM技術在鋼筋方面的應用進行了研究。趙巖[7]對Revit進行二次開發，編制數據讀取程序并對讀入數據進行自動參數化建模；劉飛虎[8]研究利用CATIA高級知識工程快速創建結構復雜橋墩內不同型號的鋼筋；鄭崗等[9]基于三維CAD系統Microstation進行二次開發編制工具，建立鋼筋三維模型和自動出鋼筋大樣；邵艷麗等[10]通過Revit API二次開發接口的方式擴展Revit鋼筋明細表統計功能；魏晨康等[11]利用BIM的虛擬技術解決建筑中鋼結構構件與鋼筋沖突碰撞問題。

利用Revit和Tekla軟件可建立鋼筋模型并導出相應的IFC模型，但這些BIM軟件一般不具有結構設計和配筋的功能，設計人員需要根據盈建科等專業結構設計軟件產生的配筋信息在此軟件中重新建模，此方式不僅效率低且易出錯。

為解決上述問題，國內外研究針對不同的BIM軟件進行二次開發以創建鋼筋BIM，但是二次開發的方式不具有通用性；并且Revit和Tekla等軟件的鋼筋生成核心算法屬于商業機密，國內后續理論研究和軟件開發均無法參考。

本文提出直接根據盈建科等專業結構設計軟件產生的配筋參數生成簡支梁鋼筋IFC模型，不需要設計人員重新建模，省去了二次開發的步驟，通用性更強；同時研究鋼筋IFC模型參數化生成算法可以為后續相關研究和軟件開發提供參考。

2 鋼筋模型幾何信息在IFC標準中的表達

由于目前大多數BIM軟件尚不支持IFC4版本標準，因此，本文基于的是IFC2×3版本的標準。鋼筋混凝土構件中的加固部件有鋼筋、鋼絞線、鋼筋網和錨具等，在IFC標準中通常以IfcReinforcingBar，IfcReinforcingMesh，IfcTendon和IfcTendonAnchor等實體表示。本文主要采用IfcReinforcingBar實體表示簡支梁構件(IfcBeam實體表示)中單根及多根鋼筋。

2.1 鋼筋幾何形狀信息表達

IFC標準在表達鋼筋的幾何形狀時一般采用Brep和swept solid 2種幾何模型形式，其中swept solid是通過參考輪廓在空間中沿三維準線掃描表示3D形狀，且三維準線可通過參數化方式進行表達，便于編輯和修改[6]；經對比分析，使用swept solid相較于Brep的表示方式，其文件語句更少，軟件打開效率更高。swept solid幾何模型形式表示鋼筋幾何形狀的方式具體如圖1所示。

圖1 IFC標準中swept solid幾何模型形式表示鋼筋示意圖

2.2 鋼筋空間位置信息表達

在IFC標準中，采用相對坐標系對構件進行定位。鋼筋的位置可以相對于鋼筋混凝土構件、樓層或建筑物來定義，即參考坐標系為上述實體所在的相對坐標系。通過分析不同軟件導出的IFC模型，發現目前常見的鋼筋參考坐標系有樓層坐標系、IfcBeam實體和IfcElementAssembly實體所在坐標系，其中IfcElementAssembly實體是將鋼筋與混凝土部件相聚合所形成的鋼筋混凝土構件，一般情況下，IfcElementAssembly實體和IfcBeam實體所在相對坐標系空間位置完全相同。本文為便于建立鋼筋所在坐標系，選擇IfcBeam實體所在坐標系作為參考坐標系。

2.3 鋼筋空間組織關系表達

通過關聯實體可以將鋼筋與構件相關聯從而反應其空間組織關系。目前常用軟件導出的IFC模型采用的關聯方式主要有：

(1) 直接通過關聯實體IfcRelContainedInSpatialStructure將混凝土部件(IfcBeam實體表示)、鋼筋和樓層相關聯。此方式缺少將鋼筋和混凝土部件組合成完整鋼筋混凝土構件的過程，且當鋼筋數量較多時，構件組織關系混亂，不利于在相關軟件中查看。

(2) 通過關聯實體IfcRelAggregates將混凝土部件、鋼筋和IfcElementAssembly實體相關聯，再通過關聯實體IfcRelContainedInSpatialStructure將IfcElementAssembly實體和樓層相關聯。鋼筋與混凝土部件集合成的IfcElementAssembly實體表示完整的鋼筋混凝土構件，這和實際情況更相符，因此，本文選用第2種方式表示鋼筋的空間組織關系。

2.4 多根鋼筋模型信息表達

鋼筋混凝土梁通常配置多根幾何形狀完全相同的鋼筋。在IFC標準中，為消除大量重復數據，常采用Type Product和Mapped Item方式表示多根幾何形狀完全相同的鋼筋模型。本文主要分析運用Mapped Item的方式來表示多根鋼筋，以實現相同幾何形狀的鋼筋實體共享一個幾何表示的目的。

鋼筋實例作為IfcProduct的子類型，其幾何形狀可由Representation屬性直接表示，通過引用IfcMappedItem實體可以實現同一個幾何表示被多根鋼筋共享的目的，使用不同的映射目標(MappingTarget)，即不同IfcCartesianTransformation Operator3D實體，實現將同一個映射源(MappingSource)平移、鏡像或旋轉，以形成多根幾何形狀相同但空間位置不同的鋼筋。

對于多根具有相同幾何形狀信息的鋼筋，經調查可知不同軟件常采用以下2種表示方法：多根鋼筋采用同一個IfcReinforcingBar實體表示，其引用的IfcShapeRepresentation中引用多個IfcMappedItem；或者使用多個IfcReinforcingBar實體單獨表示每根鋼筋，其引用的IfcShapeRepresentation只引用其對應的IfcMappedItem。相對而言，后一種表示方法每一根鋼筋都是單獨的對象，利于后續單獨進行編輯。

3 簡支梁鋼筋模型參數化自動生成算法

3.1 簡支梁配筋形式及參數分析

本文以簡支梁為例進行說明，根據工程實際，可知簡支梁的縱筋的配筋形式有入支座梁下筋、不入支座梁下筋、通長負筋、左支座負筋、右支座負筋、架立筋、腰筋、箍筋及拉筋等。解析盈建科等結構設計軟件的配筋結果后將參數存儲于中間數據文件中，表示梁鋼筋的數據表有4個字段，分別表示鋼筋編號、梁編號、鋼筋類型和與鋼筋類型相對應的鋼筋具體數值。

3.2 整體生成流程及中間參數計算

在已有簡支梁構件IFC文件的基礎上，根據上述中間數據文件中的參數，生成帶有鋼筋信息的IFC文件，本文因為篇幅限制主要討論通長縱筋及箍筋幾何屬性信息的自動生成。以鋼筋類型為通長負筋模型的生成過程為例，生成相應實體及獲取相應屬性的總體流程圖如圖2所示，具體屬性的獲取及對應參數值的計算將依次在后文詳述，其他類型鋼筋的生成總體流程類似。

圖2 簡支梁通長負筋自動生成算法總體流程圖

為了完整的描述帶有縱筋和箍筋的簡支梁模型，需要確定的參數有：梁構件幾何形狀參數和鋼筋幾何形狀參數，如縱筋直徑1、縱筋彎鉤角度、箍筋直徑2和混凝土保護層厚度。其中，梁構件長寬高可以通過解析輸入的IFC文件直接獲取，以拉伸實體表達為例，梁構件長度、截面寬度和高度分別對應于IfcExtrudedAreaSolid實體的Depth屬性、IfcRectangleProfileDef實體中的XDim屬性和YDim屬性；而鋼筋幾何形狀參數需要根據讀入的數據并依據規范圖集進行計算，如縱筋半徑1=1/2、縱筋彎鉤半徑1=2.51、縱筋彎鉤部分直線段長度1=121、箍筋半徑2=2/2、箍筋彎鉤半徑2=1/2+2/2、箍筋彎鉤部分直線段長度2=max (75 mm,102)，箍筋加密區長度與抗震等級及梁截面高度等因素有關，在此不再詳述。

3.3 鋼筋所在相對坐標系建立

縱筋相對坐標系的建立，主要在于確定IfcLocalPlacement實體的PlacementRelto和RelativePlacement屬性值。縱筋相對坐標系建立在簡支梁相對坐標系基礎上，因此PlacementRelto屬性直接引用IfcBeam實體的ObjectPlacement屬性即可。

RelativePlacement屬性值的3個參數分別代表：縱筋坐標系原點在梁坐標系中的三維坐標值，縱筋坐標系的軸單位方向向量在梁坐標系中的表達，縱筋坐標系的軸單位方向向量在梁坐標系中的表達。分析縱筋和梁構件的相對位置關系，可發現縱筋的直線段部分通常沿著梁構件的長度方向，而彎鉤部分通常平行于梁構件的側面，因此在放置縱筋相對坐標系時可結合梁構件的幾何特征。

在IFC標準中，表達梁構件幾何形狀的方式有多種，本例中，以最常用的拉伸實體表達為例，IfcExtrudedAreaSolid實體定義了拉伸實體的4個屬性：SweptArea，Position，ExtrudedDirection和Depth。其中SweptArea屬性定義拉伸截面信息；Position屬性定義拉伸實體所在相對坐標系，該坐標系相對于梁構件所在相對坐標系建立；ExtrudedDirection屬性表示截面的拉伸方向，其相對于拉伸實體所在相對坐標系；Depth表示拉伸實體的長度。基于梁構件的幾何表達建立鋼筋所在相對坐標系，利用IfcExtrudedAreaSolid實體中的屬性經過一定的坐標轉換和公式推導得出RelativePlacement屬性中的3個參數值。

以拉伸截面坐標系原點作為縱筋坐標系原點，拉伸方向單位向量作為縱筋坐標系軸的向量表達，縱筋坐標系軸和梁坐標系軸方向相同，縱筋坐標系軸單位方向向量可通過向量運算求得。梁坐標系、拉伸實體坐標系、拉伸截面坐標系和縱筋坐標系的關系如圖3所示。

圖3 各級坐標系相對關系示意圖

由于拉伸截面坐標系原點和拉伸方向單位向量均相對于拉伸實體坐標系，而縱筋坐標系相對于梁坐標系建立，因此需要進行一次坐標轉換。縱筋相對坐標系建立過程的相關參數提取及屬性值計算如圖4所示。至此，縱筋相對坐標系建立完成，后續關于縱筋幾何形狀及空間位置信息的生成都是建立在該相對坐標系的基礎上。

圖4 縱筋相對坐標系建立流程圖

建立箍筋相對坐標系時，為方便后續箍筋幾何形狀信息的描述，以拉伸截面坐標系原點作為箍筋坐標系原點，拉伸方向單位向量作為箍筋坐標系軸的向量表達，箍筋坐標系軸和梁坐標系軸方向相同，箍筋坐標系軸單位方向向量可通過向量運算求解，具體屬性提取及參數計算方法與縱筋類似。

3.4 鋼筋幾何形狀信息參數化自動生成

選用swept solid幾何模型形式表達鋼筋的幾何形狀信息，IfcSweptDiskSolid實體的Radius屬性表示掃描截面信息，Directrix屬性表示掃描路徑信息。

掃描路徑曲線可以通過多個直線段和圓弧段首尾相連拼接而成，為便于參數計算，在生成縱筋幾何形狀信息時，將長直線段的端點置于縱筋所在坐標系的原點處，且掃描路徑曲線位于坐標系的平面內。其中縱筋的直線段部分準線可以通過IfcLine實體和IfcTrimmedCurve實體表示，圓弧段部分準線可以通過IfcCircle實體和IfcTrimmed Curve實體表示。帶彎鉤縱筋第段的幾何形狀信息自動生成算法如圖5所示，各段具體參數值可通過幾何關系推導求得。

圖5 帶彎鉤縱筋幾何形狀信息生成算法流程圖

箍筋的幾何形狀信息生成過程與縱筋相類似，為便于參數計算，掃描路徑曲線位于鋼筋坐標系的平面內，截面形心位于鋼筋坐標系原點處，不同的是，箍筋的掃描路徑曲線由更多段直線段和圓弧段首尾相接而成，具體參數值計算過程不再贅述。

3.5 鋼筋空間位置信息參數化自動生成

對縱筋而言，將縱筋長直線段端點置于縱筋坐標系的原點處，縱筋并未處于簡支梁構件中正確位置，需要將鋼筋幾何表示作為映射源，利用IfcCartesianTransformationOperator3D實體進行鋼筋模型的平移、旋轉和鏡像，需確定屬性LocalOrigin、Axis1、Axis2和Axis3的參數值。當有多根縱筋時，采用不同的IfcReinforcingBar及其相應的IfcShape Representation實體，若多根縱筋的幾何形狀完全相同，使用同一個鋼筋幾何表示作為映射源，利用不同的IfcCartesianTransformation Operator3D作為對應的映射方式。

若平移就能在目標位置得到相應鋼筋，則只需確定屬性LocalOrigin的參數值即可，其他屬性值可缺省。在確定LocalOrigin屬性值時，需考慮簡支梁幾何形狀、混凝土保護層厚度、箍筋半徑、縱筋半徑及鋼筋根數等信息。以底部單排多根縱筋為例，已知底部縱筋根數為1，在縱筋等距擺放的情況下，第根縱筋對應的LocalOrigin屬性值計算如下

LocalOrigin=(,,)

=+1+

=-(/2-1--22)

若進行旋轉和鏡像才能在目標位置得到相應鋼筋，除確定屬性LocalOrigin的參數之外，還需獲取屬性Axis1，Axis2和Axis3的參數。以頂部縱筋為例，若其幾何形狀同底部縱筋，可采用底部縱筋幾何形狀表達作為映射源，此時Axis1=(1,0,0)，Axis2=(0,-1,0)，Axis3值可以缺省。

對于箍筋，在表達其幾何形狀信息時，箍筋在平面內已處于正確位置，只需將其在軸方向平移至正確位置即可。箍筋一般數量較多且成批重復出現，為減少IFC文件大小，對于多根幾何形狀完全相同的箍筋，采用同一個IfcReinforcingBar實體表示，但其引用的IfcShapeRepresentation中含有多個不同的IfcMappedItem實體，利用不同的IfcCartesianTransformationOperator3D作為對應的映射方式。在確定LocalOrigin屬性的值時，需考慮兩端箍筋與端部距離、箍筋間距、箍筋半徑和箍筋加密區長度等信息。

4 實例驗證

4.1 案例設計

根據上述算法，在天磁BIM協同管理軟件2.0 (簡稱NMBIM 2.0，NMBIM是上海交通大學 BIM研究中心獨立研發的基于IFC標準的多方協同管理平臺軟件，源于SJTUBIM平臺[12])的基礎上開發鋼筋模型自動生成模塊，該模塊目前可以實現根據中間數據文件中的參數在已有簡支梁IFC文件的基礎上自動生成簡支梁鋼筋模型。現有單根混凝土簡支梁IFC模型，且為IFC2×3版本，其幾何參數為：長7 200 mm、截面寬400 mm、截面高800 mm。對該簡支梁施加荷載并進行結構設計后，需配置底部通長縱筋為4_25，頂部通長縱筋為2_25，箍筋為_8@200，配筋圖如圖6所示，將配筋結果輸入中間數據文件。

圖6 簡支梁配筋圖

4.2 結果展示

將簡支梁IFC模型輸入鋼筋模型自動生成模塊，并選擇存放鋼筋參數的中間數據文件。中間數據文件中存放有混凝土保護層厚度=25 mm，根據圖集16G101-1的規定，在程序中直接計算必要的中間參數，具體數值如下：縱筋彎鉤半徑1=2.51= 62.5 mm，縱筋彎鉤部分直線段長度1=121= 300 mm，箍筋彎鉤半徑2=0.51+0.52=16.5 mm，箍筋彎鉤部分直線段長度2=max(75 mm,102)= 80 mm。

在執行鋼筋模型自動生成模塊后，生成帶有鋼筋的簡支梁IFC模型文件，使用NMBIM平臺打開該文件，鋼筋IFC模型及構件空間組織關系顯示如圖7所示。

圖7 鋼筋IFC模型在NMBIM中示意圖

5 結論與展望

本文研究基于IFC標準的鋼筋模型幾何表達方式解析及參數化自動生成算法，根據相應的配筋參數可以自動生成帶有縱筋和箍筋的簡支梁IFC模型。分析用于表達鋼筋空間位置信息、幾何形狀信息、空間組織層次信息和多根形狀相同鋼筋的方式，通過顯示效果、文件大小、適用范圍等條件，選擇最優的表達方式。通過鋼筋所在相對坐標系、空間位置及幾何形狀信息生成算法，使鋼筋幾何信息在IFC標準中得以正確表達。主要結論及展望如下：

(1) 在建立鋼筋所在相對坐標系時，將參考坐標系選擇為梁構件所在的相對坐標系，并利用混凝土梁的幾何形狀表達方式如拉伸實體表示為基礎，利用拉伸截面所在坐標系和拉伸方向向量，經過坐標轉換生成鋼筋坐標系表達；在表達幾何形狀信息時，選用swept solid幾何模型形式，利于直接通過修改參數進行模型的編輯和修改。

(2) 對于多根鋼筋，本研究基于Mapped Item的方式進行表示，以實現相同幾何形狀的鋼筋實體共享一個幾何表示，通過不同的映射方式產生多根不同位置的鋼筋，可以有效的減少模型文件大小，實現數據重用。

(3) 本文基于的是IFC2x3版本的標準，該標準并未規定IfcReinforcingBarType和IfcReinforcing MeshType 2個類型實體，后續針對最新IFC標準，可嘗試使用Type Product方式描述多根幾何形狀完全相同鋼筋。

(4) 本文只針對簡支梁構件的縱筋及箍筋模型進行自動生成的算法研究，后續將研究連續梁、柱、墻、板和基礎等各種構件形式和其他更復雜形式鋼筋的自動生成算法，實現基于IFC標準的所有構件和鋼筋形式的結構施工圖鋼筋模型自動生成。

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Automatic Generation of Parameterized Reinforcement Model Based on IFC Standard for a Simply Supported Beam

CHEN Hong-lun, XU Jia-yi, WANG Chun-jiang, DENG Xue-yuan

(Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The rebar model based on BIM technology can be used for direct calculation of engineering quantity, construction guidance, collision detection and automatic processing. Although the rebar model can be output by some software such as Revit and Tekla, the model needs to be re-established according to the results of structural design software. The core algorithm of these software is not open, which cannot be used for reference by domestic theoretical research or software development. Besides, current research mainly focuses on secondary development for the information sharing between different software, which is not universal. This paper analyzes how to express the geometric information of the rebar model in industry foundation classes (IFC) standard and studies how to use parameters to generate the rebar model based on IFC standard automatically. This study focuses on the generation algorithms for the geometric information of reinforcement model. At the end, the feasibility of the algorithm is verified by generating a simply supported beam IFC model with longitudinal rebar and stirrups.

building information model;industry foundation classes standard; rebar model; geometric information; parameterized generation

TU 201.4；TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020351

A

2095-302X(2019)02-0351-07

2018-10-17；

2018-11-22

“十三五”國家重點研發計劃項目(2016YFC0702000)；“十三五”國家重點研發計劃課題(2016YFC0702001)

陳紅倫(1993-)，男，安徽池州人，碩士研究生。主要研究方向為基于IFC標準的鋼筋信息表達等。E-mail：chenhonglun@sjtu.edu.cn

鄧雪原(1973-)，男，湖北荊門人，副教授，博士。主要研究方向為建筑CAD協同設計與集成、基于BIM技術的建筑協同平臺。 E-mail：dengxy@sjtu.edu.cn