基于建筑信息模型的建筑结构施工图设计*

王勇 张建平

(清华大学土木工程系，北京100084)

目前，我国的建筑工程设计主要还是基于二维CAD技术，各专业设计之间信息以二维图档为媒介进行交流、设计成果以施工图纸的形式交付．尽管随着工程CAD技术的发展，建筑工程设计的效率和质量有了大幅的提高，但是建筑工程设计业仍面临发展瓶颈:设计过程中信息共享性差，工程模型的建立和工程图纸的绘制、修改等工作耗费设计人员大量时间．BIM(建筑信息模型)技术的出现为上述问题的解决提供了有效途径［1-2］．然而，由于缺少统一的BIM应用标准和设计方法、BIM相关软件不配套，造成BIM在建筑设计中的应用受到很大的制约，相关应用软件之间的信息交换的瓶颈问题仍然存在［3-4］．尤其在建筑结构设计的过程中，目前缺少成熟的BIM设计软件，结构施工图设计主要还是基于二维CAD技术，建筑结构与其他专业的协同设计、与施工阶段的信息共享仍然无法实现．因此，研究基于BIM的建筑结构施工图设计方法、流程和技术，开发基于BIM的结构施工图设计系统是我国建筑结构设计中亟待解决的问题．

文中通过分析面向结构施工图设计的BIM模型设计需求，研究基于IFC(Industry Foundation Classes)架构的BIM模型的描述方法;建立基于IFC结构的面向结构施工图设计的BIM模型，并开发相应的施工图设计系统;最后，通过应用实例对文中提出的基于BIM的结构施工图设计方法的可行性进行了验证．

1 基于BIM的结构施工图设计需求

1．1 设计流程

基于BIM的结构施工图设计在设计流程上不同于传统的结构施工设计．传统的建筑结构施工图设计采用基于二维图档的工作模式，见图1(a)．首先，结构设计人员参照建筑设计图纸建立结构分析与设计模型，在结构设计软件中进行结构内力分析、构件设计;然后，将结构设计结果反馈给建筑设计人员，调整建筑设计模型，直到满足设计要求;最后，根据结构设计结果绘制结构施工图．虽然随着CAD技术应用的深入，在结构分析模型的建立过程中已经可以利用图层识别技术自动导入轴网、构件定位等少量信息，但大量模型信息需要手工重建;在结构施工图绘制过程中，某些CAD系统具备了部分二维图档的自动生成功能，但是这些图档不具备信息的完整性、关联性，难以保证信息的一致性．

基于BIM模型的结构施工图设计，与传统结构施工图设计模式相比，最大的优势在于:工程设计过程中存在完整的信息模型，支持模型与图档的关联修改与自动更新，基于开放的BIM标准可以实现相关软件之间模型信息的自动转换，设计流程详见图1(b)．首先，通过建筑BIM设计软件(Revit Architecture、ArchiCAD等)建立建筑设计BIM模型;然后，将建筑设计BIM模型导出为IFC文件，利用清华大学开发的BIM模型提取与集成平台［5］，提取建筑设计模型中的结构构件信息，建立面向施工图设计的BIM模型;此外，结构设计模型中的几何模型可以通过建筑BIM模型的提取实现，通过补充定义约束、荷载等信息，进行结构分析与设计(结构设计结果可以反馈给建筑设计模型，进行模型调整)，将设计结果与建筑模型提取形成的施工图设计BIM模型集成在一起，形成完整的结构施工图设计BIM模型;最后，基于该BIM模型进行结构施工图设计与协同管理．实现该设计流程的关键在于结构施工图设计BIM模型的构建．

图1 结构施工图设计流程对比Fig．1 Comparison of structural workingdrawing design flow

1．2 模型描述需求

建筑结构施工图设计信息模型以结构物理模型为核心，除包括结构物理模型外，还包括模型属性信息、关联信息、管理信息等．其中，结构物理模型信息包括构件信息、节点信息、截面信息、轴网信息、约束信息等;属性信息包括荷载信息、材料信息、内力信息、设计结果信息等;关联信息包括构件之间关联关系、模型与属性关联关系、模型与视图关联关系等;管理信息包括模型所有者信息、模型版本信息、用户权限信息等．

2 基于IFC架构的BIM模型定义

IFC标准是由国际协同工作联盟(IAI)专为建筑行业制订的建筑产品数据描述标准［6-7］．目前，该标准已成为国际上公认的实现BIM模型的数据描述与交换标准［8-12］．IFC标准面向对象的模型架构设计保证了BIM模型的数据完整性、信息关联性、数据一致性的实现．下面就模型构件的定义、关联关系的实现、IFC数据的自定义扩展3个方面介绍施工图设计BIM模型的构建方法．

2．1 结构构件的定义

在现行IFC标准中，已经建立了完整的建筑结构模型描述体系．可以描述柱、梁、板、墙、基础、楼梯等结构构件．这些结构构件均派生自建筑构件(IfcBuildingElement)实体，构件的派生关系如图2所示．

图2 IFC2x3中结构构件的空间结构Fig．2 Spatial structure of structural elements in IFC2x3

下面以墙体构件为例(见图3)，介绍在IFC模型中结构构件的定义．在IFC模型中，首先定义建筑实体(IfcBuilding);然后，通过集合关联实体(IfcRel-Aggregates)建立建筑实体与楼层实体(IfcBuilding-Story)的关联;最后，定义墙体实体(IfcWall)，通过空间结构关联实体(IfcRelContainedInSpatialStructure)建立墙体实体与楼层实体的关联，实现墙体模型的定义．

图3 IFC标准中墙体的定义Fig．3 Definition of wall element in IFCs

2．2 构件属性的定义

BIM模型中构件具有众多的属性(几何、材料、成本、力学性能、建造信息等)．现有的IFC模型支持模型构件的绝大多数属性．下面以墙体的材料属性定义为例，介绍IFC模型中材料属性的定义与关联关系的实现．在IFC模型中，支持对构件进行多层材料定义，图4中墙体由外墙面砖、隔热层、结构层、内墙面砖4层材料构成．首先，通过材料实体(IfcMaterial)定义材料属性;然后，通过材料分层实体(IfcMaterialLayer)、材料层集合实体(IfcMaterial-LayerSet)和材料层集合使用实体(IfcMaterialLayer-SetUsage)定义层材料模型;最后，通过材料关联实体(IfcAssosiatesMaterial)建立墙体与墙体材料的关联．

2．3 关联关系的定义

关联性是BIM模型的重要特性，该特性保证了BIM模型修改信息一致性和模型信息的完整性．IFC模型面向对象的逻辑结构保证了BIM模型体系的关联性．在IFC模型中，构件之间的关联关系可以分成非对称性关联、对称性关联两类．

图4 IFC标准中墙体的材料定义Fig．4 Material definition of wall element in IFCs

2．3．1 非对称性关联

非对称性关联是指相关联的两实体存在主从关系，主实体的修改会带来从实体的相应改变，而从实体的改变不会造成主实体的本质改变．例如以墙体和洞口为例，洞口实体(IfcOpeningElement)依存于墙体实体(IfcWall)．对墙体进行删除操作，会造成洞口随之删除;而对洞口进行删除操作，墙体不会进行删除，而仅仅断开墙体与该洞口的关联关系．图5给出了墙体与洞口的关联关系，通过洞口关联实体(IfcRelVoidsElement)建立墙体实体与洞口实体的关联．同一段墙体可以与多个洞口建立关联，但是每一个洞口只能关联一段墙体．

图5 墙体实体与洞口实体的关联Fig．5 Relationship between IfcWall and IfcOpeningElement

2．3．2 对称性关联

对称性关联是指相关联的两实体处于对等关系，所关联的实体中任意一个实体的改变都会造成关联关系另一端对应实体的改变．例如以梁、柱构件的关联为例，在IFC模型中，梁实体(IfcBeam)与柱实体(IfcColumn)通过构件节点关联实体(IfcRel-ConnectsElements)建立关联(见图6)．当梁实体进行调整时(如改变梁端的位置)，通过构件节点关联实体，与梁实体关联的柱实体会随之进行相应的实体更新，从而实现柱的关联修改．反之，柱的修改亦会引起关联梁的修改．

图6 梁实体与柱实体的关联Fig．6 Relationship between IfcBeam and IfcColumn

2．4 自定义IFC数据的实现

由于建筑业中工程对象的多样性、产业结构的分散性、工程信息的复杂性等特征，造成了利用现有的IFC模型架构无法实现对BIM数据模型全部信息的描述．作为开放的标准体系，IFC标准主要支持以下3种模型扩展方式:实体扩展、属性集扩展、基于Ifc-Proxy实体扩展［13-16］．其中，实体扩展已经超出了原有IFC模型的架构，该方式具有运行效率高但新扩展模型软件识别困难的特点，一般IFC标准的版本升级更多地采用这种方式;基于IfcProxy实体的扩展，可以满足用户对少量模型信息进行扩展的需求，具有高度灵活性，但运行效率较低;属性集扩展结合上述两者的优点，灵活性好、支持大量模型信息的扩展．

本研究采用属性集扩展的方式，对IFC模型中未实现定义的BIM模型数据进行描述．下面以墙体的属性集为例(见图7)，介绍在IFC模型中如何进行属性集扩展．首先，定义墙体结构设计的属性集(Pset_WallDesign)，该属性集包括墙体的混凝土标号、钢筋等级、墙体体积、纵筋信息、箍筋信息等;然后，利用类型关联实体(IfcRelDefinesByType)建立墙体实体(IfcWall)与墙体类型实体(IfcWallType)的关联;最后，通过墙体类型实体的HasPropertySets属性建立墙体结构设计属性集与墙体的关联．

图7 IFC标准中的墙体属性集定义Fig．7 Property set definition of wall element in IFCs

3 BIM模型的设计与系统实现

3．1 BIM模型的设计

参照IFC标准模型的逻辑结构，兼顾模型的运行效率和方便性，采用简化的IFC模型作为文中BIM模型的组织结构．这样既保证了模型的高效性，又便于模型导出为IFC模型文件．图8所示为结构施工图设计BIM模型的主要逻辑结构，主要包括结构构件模型、计算结果模型、材料信息模型、属性定义模型4部分．其中，结构构件模型采用面向对象的结构，所有的结构构件类(梁、柱、板、墙等)均派生于建筑构件类(BuildingElement)，通过构件关联类(RelConnectsElements)可以建立结构构件之间的关联关系;计算结果模型主要包括结构内力分析结果和结构设计结果两部分信息，通过建筑构件类与计算结果类(CalculationResult)的耦合关系，建立计算结果与结构构件的关联;材料信息模型主要包括混凝土材料和钢筋材料两部分信息，通过材料关联类(RelAssociatesMaterial)建立材料属性与结构构件的关联;属性定义模型为BIM模型的动态扩展提供了接口，通过属性定义关联类(RelDefinesByProperties)实现结构构件动态属性的定义．

3．2 系统实现

根据前文设计的BIM模型，在Visual Studio．Net平台下利用AutoCAD二次开发实现了基于BIM的结构施工图设计原型系统(简称BIMSD)．图9所示为该系统的逻辑结构图，包括数据层、接口层、模型层和应用层．

图8 BIM模型的逻辑结构Fig．8 Logical structure of BIM model

图9 BIMSD系统的逻辑结构Fig．9 Logical structure of BIMSD platform

数据层是本系统相关数据的来源，包括系统信息、BIM模型信息、设计规则信息、图档管理信息、IFC文件信息;接口层是实现物理存储数据到BIM模型的接口，其中IFC访问接口可以实现建筑BIM模型的提取，BIM模型访问接口可以实现BIM数据库到内存BIM模型的映射;模型层是系统的核心，通过对BIM模型信息的定义可以满足结构施工图设计的各项应用需求;应用层包括BIM模型的各项应用．除结构施工图的设计外，还能实现三维模型检查、设计结果的规范校验、算量统计、模型与图档的设计管理等功能．

4 应用验证

以一个3层钢筋混凝土框架结构为例，对BIM模型和系统进行测试验证，应用流程详见图10．首先，在Revit Architecture 2009中建立建筑BIM模型;然后利用CSI公司的CSIxRevit插件，在Etabs软件中导入Revit模型生成Etabs分析模型，补充荷载信息、约束条件，进行内力分析和配筋设计(①);将Revit模型导出为IFC模型文件，利用BIMSD的IFC文件解析接口提取IFC文件中的结构构件模型(②)，形成BIMSD构件信息模型;将Etabs软件结构设计结果导出为Access数据文件，利用BIMSD的结构模型导入接口读取结构内力结果、材料信息、配筋结果(③)，并与构件信息模型关联，形成完整的结构施工图设计BIM模型;最后，基于BIMSD模型可以进行三维模型检查(④)、基于“平面整体表示法”的结构施工图设计(⑤)、结构构件混凝土及钢筋的算量统计(⑥)等工程应用．

图10 BIMSD的应用实例Fig．10 A test project of BIMSD platform

5 结论与展望

文中对基于BIM的建筑结构施工图设计方法、流程和模型描述方法进行了研究．在此基础上建立了面向建筑结构施工图设计的BIM设计模型，开发了钢筋混凝土框架结构施工图设计系统，并进行了应用验证．主要结论如下:

(1)现有结构施工图设计流程和方法已不能满足日益复杂的工程设计需求，基于BIM的结构施工图设计可以在设计质量、效率上突破原有设计瓶颈．

(2)基于IFC架构的BIM模型可满足结构施工图设计中的BIM数据描述需求，但在模型逻辑结构设计中需对IFC模型的派生关系做适量简化以提高模型运算效率．

(3)基于BIM的结构施工图设计需要与国内相关设计规范、制图规则相结合，文中仅实现了混凝土框架结构的梁、柱、板、基础的平法施工图设计．对于更多结构体系及复杂构件的设计尚需进行进一步的研究．

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