基于BIM的建筑结构施工图设计研究

冯 俊 彦

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西 大同 037006)

1 BIM的构建

本文认为BIM的构建需要以下信息技术的支撑，其中，数据标准是构建BIM的数据支撑，随着建筑工程复杂度的提高，工程设计已经不能依靠一两个软件来完成，不同的软件系统之间的信息交互需要国际化的信息标准来支撑，如IFC,CIS/2等；参数化模型是构建BIM的模型支撑，参数化建模技术为BIM应用提供了数据模型，离开参数化建模BIM的构建将失去数据之源，当前主流的BIM建筑设计软件Revit,ArchiCAD等都可以通过参数化模型建立建筑设计BIM模型；可视化是构建BIM的图形支撑，基于图形的工程设计已经成为建筑工程设计软件的共同属性，BIM的展现也要通过可视化的图形来表达；协同设计是构建BIM的管理支撑，协同设计是基于BIM的工程设计的内在要求，基于BIM模型的协同设计是建筑设计业的发展方向。

2 应用软件平台

基于BIM的建筑结构施工图设计系统需要利用相关应用软件系统或平台实现对设计模型和数据进行转换、分析、集成和展现。这些应用系统和平台包括：基于BIM的施工图设计平台、参数化BIM建模系统、建筑结构设计软件、工程算量软件。

2.1 基于BIM的施工图设计平台

一个基于BIM的建筑结构施工图设计平台，提供结构模型转换、结构施工图设计、基于BIM模型的协同设计管理等基本功能。同时，基于IFC和非IFC的模型转换接口，结构分析模型和工程算量模型的自动生成等辅助功能。

2.2 参数化BIM建模系统

随着基于BIM的建筑设计软件日趋成熟，大量的建筑工程设计中开始采用应用Revit Architecture，ArchiCAD等BIM建模软件进行建筑设计与分析。本文采用Revit Architecture软件建立建筑设计模型。

2.3 建筑结构设计软件

建筑结构分析与构件设计是施工图设计的前提和基础，国际主流的建筑结构分析与设计的软件全部都提供了数据接口，全部都配备了建筑结构设计的创建和结构设计的结果的输出。本文中综合考虑结构设计软件的通用性、设计结果的可导出性等因素，选取ETABS软件进行结构设计。

2.4 工程算量软件

工程算量是工程计价的基础，基于BIM的建筑结构施工图设计模型可以为工程算量分析提供精确的数据模型，而且支持模型信息的动态更新，是工程算量软件最佳的数据源。本文中选取国内应用最广泛的广联达GGJ2009钢筋算量软件作为衔接结构施工图设计模型的工程算量软件。

3 模型转换流程与接口方案

基于BIM的结构施工图设计需要解决多个软件系统之间的模型转换问题。本文所涉及的工程数据模型主要包括：建筑设计模型、结构施工图设计模型、结构分析模型、工程算量模型。本文提出了基于结构施工图设计信息模型的模型转换流程。模型转换接口方案如图1所示。

3.1 基于IFC的建筑模型导入接口

IFC标准采用EXPRESS语言进行建筑产品模型的定义，是一个基于面向对象的数据模型体系。EXPRESS语言是STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)标准开发的一种面向对象的信息描述语言，提供EXPRESS文本方式和EXPRESS-G图形方式两种模型描述的方式。EXPRESS文本方式更便于计算机的读取，可用于IFC模型文件的解析。EXPRESS-G图是EXPRESS模型的子集，可以通过图形的方式更加形象的展现实体之间的派生、关联关系。两者结合使用，更好地完成IFC模型的定义。

在建筑结构设计中，现行的IFC标准可以对结构设计信息模型中的结构构件、构件属性、构件关联关系、荷载工况等进行完整的描述。本文采用课题组自主开发的IFC解析接口进行IFC文件的解析，通过预定义模型子视图控制模型提取的内容，实现基于IFC的建筑设计模型向结构设计模型的自动转换。

3.2 ETABS结构分析模型转换接口

本文用ETABS软件来实现建筑结构施工图设计的转换，并用ETABS结构分析模型的软件功能利用Access数据库文件的结合来实现建筑结构施工图的设计与转换。

3.3 工程算量模型XML导出接口

本文选用国内应用比较广泛的广联达钢筋算量软件GGJ2009，采用XML映射模型的方式实现从结构施工图设计模型到工程算量模型的转换。

4 施工图设计信息模型

4.1 施工图设计信息模型的构成

施工图设计信息模型是以建筑结构的三维模型作为核心，并包含建筑的结构物理模型以及模型管理、模型属性和模型关联等信息模块。

4.2 施工图设计信息模型的关联机制

本施工图设计信息模型采用IFC标准对建筑结构施工图设计BIM模型进行数据封装，利用IFC的模型关联关系实现施工图设计信息模型的关联机制。施工图设计信息模型的关联关系主要包括：模型构件之间的关联、模型与属性的关联、模型与视图的关联。

基于IFC的构件实体关联模型，模型构件实体之间可以通过节点关联实体(Ifc Rel Connects Elements)建立关联。例如梁实体(Ifc Bearn)与柱实体(Ifc Column)通过Ifc Rel Connects Elements实体建立共享节点关联，保证相关实体的关联修改。模型与视图的关联通过关联关系实体(Ifc Rel Aggregates)建立三维模型构件(Ifc Building Element)与二维图形构件实体(_Ifc Building Element 2D)的关联实现，并且同一个三维构件实体可以与多个二维图形实体建立关联，和模型与图纸的一对多关系相一致。

4.3 结构施工图智能设计

基于BIM的建筑结构施工图设计在设计模式上完全不同于传统的基于二维图纸设计方法，整个设计工作都是基于结构施工图设计BIM模型进行。通过系统研究后，本文探索出了如下结构施工图设计流程：

本建筑结构施工图设计方案首先将建筑结构设计结果通过模型转换的接口将建筑结构施工图输入系统中，即将建筑结构施工图和系统的基本模型进行关联，建立起建筑结构施工图设计的BIM模型；然后，对施工图设计BIM模型进行模型检查、调整和补充定义；接着，进行智能配筋设计、配筋优化和规范校验，形成完整的施工图设计信息模型；最后，在该信息模型的基础上进行结构施工图的生成、布图、修改与发布。整个设计过程主要由系统自动完成，而且设计过程中融入大量智能算法，充分体现出BIM应用软件的智能化、自动化程度高的优点。

5 模型管理与协同设计方案

在传统的工程设计模式下，协同设计由于缺少对核心工程模型的控制机制，只能达到对工程图档级别的管理，本质上是一种协同工作环境。本文的协同设计是建立在施工图设计信息模型基础上，通过对该模型的管理实现对整个设计过程的协同设计管理。该协同设计方案主要包括BIM模型管理和协同设计管理，其中的协同设计，既是BIM工程设计管理的基础，也是建筑设计业今后发展的主流方向。基于BIM协同设计要求BIM设计模型必须包含模型状态、用户权限和版本管理三个方面。在基于BIM的设计模式下，整个协同设计团队将基于同一个BIM模型进行设计工作，将大幅提升设计质量和效率。