基于BIM的框架结构参数化设计研究

陆海燕 钟铁夫 王秀文

(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870；2.辽宁正大工程造价事务所有限责任公司，沈阳 110002)

基于BIM的框架结构参数化设计研究

陆海燕1钟铁夫1王秀文2

(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870；2.辽宁正大工程造价事务所有限责任公司，沈阳 110002)

本文分析了建筑结构平法施工图及BIM模型中结构构件的对象类型和描述方式，结合框架结构的设计特点，提出了一种基于BIM技术的框架结构参数化设计模型。通过对Autocad 及BIM软件二次开发，并以Excel作为数据储存及补充输入工具，实现了二维图形中Satwe计算结果及结构施工图中结构构件信息的提取，完成了框架结构配筋的优化设计及BIM三维自动建模与交互式设计，在 Catia上进行了程序实现，并将其应到实际工程中。

BIM；框架结构；参数化；二次开发；Catia

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2015.05.19

引言

目前框架结构设计中，普遍采用建筑结构施工图平面整体设计方法(平法)表达，它将结构构件的配筋、定位和尺寸等直接表达在二维平面布置图上，改变了传统的将各个构件逐个绘制详图的繁琐制图方法，极大地提高了设计效率[1]，但平法施工图采用以Autocad 为代表的二维图形文件作为设计手段，其存在着信息表达不直观、钢筋定位信息不全、特别是节点部位钢筋信息设计深度不够等缺点。二维设计的实质是将复杂的三维结构分解成简单的二维平面图、立面图和剖面图形加以设计，然后通过人的思维建立起完整的模型，这种二维设计思想不仅制约了设计人员的创造力，而且也是造成设计不合理或者错误的根源[2]。因此，有必要进行更为精确的三维优化设计。

BIM技术具有强大的三维设计功能，使得设计不但具有三维可视化和协同的特性，而且可做到设计信息自动存储和提取。BIM模型中所有的结构件都是具有一定意义的三维实体，提供的信息量完整，且三维显示直观并可实时观察，使结构设计者能够准确地把握结构布置的合理性及结构细部构造特征，能很好地提高设计的深度和准确性。本文结合工程实践、提出框架结构基于BIM的参数化设计模型，通过对Autocad和Catia 二次开发，在Catia上进行了程序实现，并将其应到实际工程中。

1 BIM与参数化设计

1.1 BIM

BIM模型是一种全新载有信息的图形模型，其基本单位不再是简单的、没有明确含义的点、线、面和体，而是具有明确建筑意义的、数字化的实体对象。BIM采用对象模型来描述和表现现实世界中纷繁复杂的建筑构件，BIM模型除了几何数据外，更有大量的工程信息数据，因此BIM模型中的三维模型与那些用于表现视觉效果的三维模型或Autocad二维设计模型，有着本质的区别，具体表现在可视化设计、各专业协同设计和建筑信息化方面。BIM技术的应用，可大幅度减少设计失误，提高设计质量，可解有效的设计中的碰触问题。更为重要的是BIM中的信息化，可以将建筑相关的专业有效的结合在一个平台下，如建筑设计中立项审批、建筑设计、施工、监理、造价和管理部门的竣工验收等均可在BIM平台下进行，这对于促进行业的规范发展、提高建筑业的信息化管理水平具有重要意义[3-4]。

1.2 参数化设计

参数化设计的历史悠久，在机械制造、电子和航空工业等方面得到了广泛应用，其核心思想是把设计对象模型化和数字化。就建筑设计而言，在参数化设计中，整体建筑是一个大的对象，它是由若干基本对象组成，如梁、板、门、窗等建筑元素均可作为基本对象。若把建筑抽象成一个类，则组成建筑物的基本对象也可以抽象为基类，这样我们就可以用数字化的模型来描述特定建筑对象，形成一个数字化的建筑模型。可见参数化设计和BIM模型是统一的，可以用各种参数来对BIM模型进行约束，从而达到快速建立BIM模型，也可以通过参数进行优化设计和模型中各种信息的提取等。

参数化设计包含参数化模型和对模型的操作两层意思[5]，在参数化设计中，模型可视为类，而模型的实体可视为对象。在面向对象的程序设计思想中，对象的参数可分为属性参数和行为参数，对象的行为参数是对对象实体自身和对象之间关联的响应[6]，对象的属性参数是对对象自身复杂的结构特性有效的描述，参数化设计可以实现类和对象之间的动态设计，即模型类参数的修改，会引起对应的实体对象做相应的联动修改，极大地提高了工作效率。参数化设计作为一种面向对象的设计方法，建筑模型的数据不再是孤立的，更注重模型内部及模型之间的拓扑关系。通过这种拓扑关系，不同的对象得以组合得到建筑实体，从而为采用计算机程序对建筑形体和结构进行优化设计提供了可能。

2 框架结构参数化建模

参数化建模的变量是参数而不是简单的数值，参数可以是几何数值和材料属性等，通过改变模型中的参数而驱动模型的变化。Catia参数化建模的思想主要是先进行模型的设计，然后把限定构件模型属性的坐标、尺寸、材料等信息定义成参数，通过给参数赋值驱动Catia内部对象完成模型的设计，赋值不同的参数，得到不同的参数化模型实例。框架结构中梁柱设计主要是节点区域和非节点区域(梁柱自身)配筋的设计，由于规范构造要求繁多，除要满足承载力要求所需要的钢筋面积外，还有更为繁杂的工程中梁柱布置的多样性，因此框架结构中梁柱的配筋是千变万化的。通过对结构设计规范有关条文的深入理解，并充分考虑到结构设计和施工的可行性与方便，结合以往的工程设计经验和参数化设计思想，我们对框架结构的设计提出将梁柱构件的建模分成为节点区域和非节点区域两个阶段分别建模的参数化设计模型。

(1)非节点区域的参数化设计模型

如图1和图2所示。在这一阶段，梁柱按照自身受力需求进行钢筋配筋设计，而不考虑节点部位的连接情况，即把梁柱看作是“光头光脚”单个杆件进行设计。

图1 梁非节点域参数化模型

图2 柱非点节域参数化模型

(2)节点区域的参数化设计模型

在这一阶段，主要解决梁柱端点处钢筋分布及锚固情况，将节点设计成参数化模型，由节点的关联函数将节点区域与非节点区域连接起来。对常用的梁柱节点连接情况，我们构造处如表1所示节点区域的参数化设计模型。

(3)参数化设计的两阶段实施策略

第一阶段是不考虑节点的实际连接情况，完成梁柱非节点区域的设计。首先根据设计要求确定出梁柱截面尺寸参数[7]；再根据计算需求确定出配筋参数；最后根据梁柱端点坐标，在Catia中绘出实体模型，进而形成框架结构含有配筋的设计模型。

第二阶段是节点设计。提取第一阶段形成的框架模型的梁柱节点，以此进行遍历，确定出每个节点的参数化设计模型，通过关联函数完成节点的配筋优化设计。

将上述两个阶段结合在一起，即可完成框架结构的整体设计。

3 Catia软件二次开发

Catia是由法国达索公司(Dassault Systems)研究开发的基于BIM的三维结构设计软件，由于其具有强大的曲面造型能力，广泛应用于飞机，汽车，机械等领域。随着国内对BIM研究和应用的深入，Catia也被广泛的应用于建筑结构设计领域。二次开发是对软件用户化和专业化的有效方法，在提高软件的应用效率和专业性方面有着非常重要的作用[8]。目前Catia开发主要有两种方式，即进程内应用程序方式和进程外应用程序方式[9-10]。本文采用进程外应用程序方式对Catia二次开发，具体开发过程祥见流程图4，代码如下。

'提取EXCEL中信息

Set xlapp = CreateObject("Excel.Application")′Excel对象

Set xlbook = xlapp.Workbooks.Open("C:aaa.xlsx")′工作簿

Set xlsheet = xlbook.Worksheets(1)′工作表

xlapp.Visible = True ′设置EXCEL对象可见(或不可见)

xlapp.Quit

′创建梁柱实体

Set shapeFactory1 = oPart.ShapeFactory

Dim oRib() As Rib

ReDim Preserve oRib(ColNum)

Set oRib(i) = apeFactory1.AddNewRibFromRef()

oPart.Update

′创建选择集

Dim Selection As Selection

Set Selection =oPartDoc.Seclection

′在当前选择集中查找Rib

Dim FindObjectAsAnyObject

Set FindObject=Seclection.FindObject(”CATIARib”)

′获取点坐标

Set TheSPAWorkbench

=CATIA.ActiveDocument.GetWorkbench("SPAWorkbench")

Set reference1 = oPart.FindObjectByName("p_2")

Set measureObj = TheSPAWorkbench.GetMeasurable(reference1)

measureObj.GetPoint Coordinates1

图4 Catia二次发流程

图5 实施方案流程图

4 实施方案

为了实现梁柱参数化设计，采用面向对象的程序设计方法，分别对Autocad 及Catia进行二次开发，以Excel表格作为数据储存及补充输入工具，并结合参数化模型，在Satwe、Autocad、Excel和Catia多平台软件上完成梁柱设计。实施方案见流程图5，具体步骤如下：

图6 框架结构平面布置图

(1)通过图形识别方法对二维框架结构平面布置图进行识别，得到框架信息，结合梁柱参数化模型

形成梁柱节点信息，结果存入到Excel中；

(2)将Satwe软件的框架结构中梁柱计算结果转成CAD文件，通过图形识别得到梁柱计算的配筋需求，结果存入到Excel中；

(3)通过框架结构中梁柱参数化模型得到各梁柱的实际配筋方案，并将结果存入到Excel中。通过Catia二次开发，读取Excel的梁柱信息，在Catia软件上完成梁柱建模；

(4)采用人工交互式方式在Catia中对梁柱配筋进行调整和碰幢检验，；

(5)读取Catia中梁柱信息，生成二维CAD 框架梁柱配筋平面图，并提取梁柱工程量信息。

5 某框架结构梁柱设计

某12层办公楼，框架结构，抗震等级为三级，设计中采用HRB400钢筋，混凝的强度等级为C30，其结构平面布置图如图6所示。结构计算采用PKPM软件，BIM采用Catia。采用本文提出的参数化设计方法进行设计，框架配筋结果见图7，由于引入优化选筋算法和BIM可视化设计，梁柱配筋量明显较小，据业主方统计钢筋损耗小于1.5%，而成本核算中的钢筋损耗值为2%，可见采用本文提出的方法是可行的。

图7 Catia框架配筋结果

6 结语

本文对Autocad及Catia进行二次开发，并结合参数化设计模型，在Satwe、Autocad、Excel和Catia多平台件上完成了梁柱参数化设计。实践工程应用表明，本文提出的梁柱参数化设计方法有广泛的适应性，可大大提高设计质量，节省工程成本。通过本文的研究可得出如下结论：

(1)参数化设计是BIM模型实现的重要方法，通过参数建模方式既可以解决建筑结构设计中复杂力学要求和规范构造要求，也可以解决BIM建模效率低的问题。参数化模型可作为BIM解决工程中各种实体对象的一种手段。

(2)BIM技术不只是一个软件的使用问题，而是一门技术。BIM具有多平台的特性，仅仅依靠一两个软件来完成所有的设计还不现实。

(3)BIM采用参数化设计，结构设计由二维点、线、面的组合问题转变三维实体组合问题，这样可以减少设计的工作量、提高设计质量。

(4)利用Catia 提供的API函数对Catia 二次开发可以更好地完善和拓展Catia的功能， 以适应实际工程复杂多样的特点。

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Research on Parametric Design of Frame Structure based on BIM Technology

Lu Haiyan1, Zhong Tiefu1, Wang Xiuwen2

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,China; 2.LiaoningZhengdaEngineeringFirmLimitedLiabilityCompany,Shenyang110002,China)

In this paper, the flat method construction drawing of building structure and the object type and description mode of the structural members in the BIM model are analyzed. Based on the design features of the frame structure, it proposes a parametric design model of frame structure based on BIM technology. with the secondary development of AutoCAD and BIM software and with Excel as the data storage and additional input tool, it achieves the information extraction of Satwe calculation results in the two-dimensional graphics and structural members in the structure construction drawing, accomplishes the optimization design of frame structure reinforcement and automatic three-dimensional BIM modeling and interactive design, carries out the program implementation on CATIA, and applies it to the practical engineering.

BIM; Frame Structure; Parameterization; Secondary Development Technology; Catia

陆海燕(1970-)，男，博士，讲师，一级注册结构工程师。主要研究方向：建筑结构优化设计及BIM软件的应用与开发研究。

TU17；TU375.4

A

1674-7461(2015)05-0107-06