BIM正向设计中结构信息模型的构建方法

宋树波 于桢琪 郑锋锺 代一铭 林 洁 文若婷

(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 260033； 2.青岛理工大学 商学院，青岛 260033)

引言

BIM(Building Information Modeling)技术自提出便得到了建筑行业的大力推广，《建筑业发展“十三五”规划》[1]也明确提出加快实现建筑行业信息化发展，加快推进BIM技术在全过程的集成应用以及应用BIM新技术为建设生产服务。BIM技术已经引领起了一场行业内的思想变革浪潮，像建筑设计、结构设计、施工管理、后期维护多个方面的信息都可以通过BIM技术有效地进行信息共享、集成和交换。

BIM正向设计是对传统建筑项目设计流程的彻底变革，使得建筑与结构可以用直观的三维模型展现，不同维度和属性的信息在同一平台集成管理，有效地提高设计效率与协调性，进而提高设计质量。与目前普遍使用“先CAD出图、后翻模”[2]的BIM逆向设计而言，这种“先建模、后出图”的BIM正向设计方法，强化了规划、设计、施工、运维建筑全生命周期信息对称性、统一性和指导性； 满足了业主、施工、监理、审图机构等设计协同方对建筑信息的需要； 也避免了BIM逆向设计造成的工作重复、设计效率低、人力物力浪费的问题[3]。

传统设计中的结构信息模型(Structure Information Model)是区别于建筑信息模型(Building Information Model)，通常的建筑设计与结构设计是分开进行的，但是设计过程却是紧密相关的，建筑设计要为结构设计提供必要的几何拓扑信息。BIM是基于IFC标准[4]架构建筑与结构信息协同模型。作为国际建筑业主流的产品数据交换和共享标准，IFC可以从层次上分为资源层、核心层、共享层、专业领域层。标准的建筑模型应含有几何信息、材料信息、荷载信息等都储存在IFC资源层，利用支持IFC标准的软件在共享层中可以实现资源层的信息交换与共享。核心层对整个信息资源层的信息进行组织和链接。通过定义基于XML格式的通用有限元模型，可以从IFC的资源层中提取出必要的结构构件信息，形成结构设计分析得标准XML文件，利用IFC模型中构件角部节点坐标完成结构单元连接节点的提取[5]。

国内在BIM正向设计软件开发方面已有众多成果，王静[6]等人设计了自主平台CabrIFC，该平台可以实现PKPM设计软件与IFC标准数据之间的建筑信息共享，解决了两者中对于部分结构分析信息描述上不统一的问题。邓雪原[7]等人建立了一种基本方法自动生成符合IFC标准的各种结构分析设计软件的结构模型。研究思路是先构建基于IFC标准的建筑模型。通过自动提取技术，从模型文件中获取用于结构分析和计算的标准XML文件，通过有限元模型接口对结构模型进行修改和编辑，如图1所示。吴文勇[8]等人提出了较为完善的BIM技术编制要点，以数据库+文件服务器的方式进行数据分离，建立了建筑结构设计系GSRevit。

图1 基于IFC标准的建筑结构模型自动生成基本框架

1 结构模型构建方法

只有严格按照IFC标准进行结构信息模型构建，才能确保建筑模型和结构模型数据一致性和共享性，实现BIM正向设计，结构信息高效传递[9]。目前可用于BIM设计的软件众多，如Bentley公司的ArchitecturalDesktop软件、Autodesk公司的Revit系列软件、Graphisoft公司的ArchiCAD系列软件以及DassaultSystem公司的CATIA系列软件等。其中在民用建筑领域应用比较广泛的是Revit系列软件，它具有较好三维展示功能，工程模型数据支持IFC标准且具有比较丰富的外部数据接口[10]。因此，将IFC标准中的属性集扩展方法作为一种技术手段，结合IFC标准中现有组件的属性集，建立一个具体的结构信息模型是可行的[11]。有多种建模软件可供选择，但众多软件基本的建模思路是一致的。利用BIM建模软件通过各种三维建模命令进行实体建模，实现数据模型的可视化，输入的各类参数将按数据模型的要求组织、读取、分析和计算。下文将从BIM结构模型构建的全过程叙述如何进行结构信息模型的构建。

1.1 非几何信息

构建结构模型首先要输入待建项目的总体信息，结构模型总信息应包括结构形式与层数、建筑和结构层号关系、材料信息、砖混信息、地震和时程分析信息、风计算信息、地下室信息、规范调整信息等，这些信息与参数将会贯穿结构计算与分析的全过程，以共享参数的形式添加，属于结构的非几何信息，是结构分析与计算的整体信息。其中每一个构件的非几何信息都会被单独描述、储存和利用，相同类别的信息可以同时被选定和修改，大幅度提高了建模的效率。

1.2 几何信息

结构几何模型构建与一般的建筑三维模型构建方法大致相同，不同之处在于结构模型所有的构件都是受力构件，要进行结构计算。首先进行结构轴网的布置，轴网是几何拓扑信息的平面映射，是后期模型建立、构件安放、定点定位，提取计算尺寸数据的基础，在结构模型计算中起着举足轻重的作用。正交轴网、圆弧轴网、单根轴网等都是轴网的输入方法，其中批量进行轴网输入是效率较高的一种轴网创建方法。

轴网完成后要根据结构形式进行构件的布置。梁、板、柱、墙是结构计算中最基本的构件，所有的计算数据都是根据基本构件的尺寸得到的。将基本构件划分为单元，然后叠加不同的荷载和工况进行分析计算。梁板柱创建与截面信息修改，根据扩展的各个IFC实体的属性，按要求输入结构构件的几何尺寸、材料强度、等参数信息创建能够包含这些IFC实体所有属性的数据类。

构件布置完成后要按规范输入构件的恒载和活载，便于以后的结构分析和验算。荷载类型包括线性荷载、集中荷载、局部线性荷载、分布扭矩、集中扭矩、温度变化等。通过定义构件属性信息可以实现荷载的施加，不同的建模软件实现方式有所不同。但结构荷载都会以共享参数和扩展数据的形式存储在符合IFC标准的模型文件中。

荷载布置完成后就基本完成了结构模型的构建，接下来需要进行结构分析与计算，根据计算结果合理调整设计，这里不做分析。以上介绍的结构模型建立方法适用于框架、框剪、剪力墙、筒等多种结构形式。

图2 结构模型构建项目实例

2 结构模型构建方法在某高层剪力墙工程项目中的应用

通过对比选择，作者认为GSrevit是一款较符合作者模型构建思路的建模软件。作者选取了一个装配式混凝土剪力墙结构的项目[12]，通过使用广厦GSRevit软件进行BIM结构信息模型构建，以此验证结构信息模型构建思路的正确性，期望发现建模过程中可能存在的问题与解决办法。

首先在进行非几何信息的输入，在相应的模块里可以很细轻松地进行结构信息、材料信息、地震信息以及各种计算信息的输入，且可以与后期构件布置相协调保持一致。完成信息输入后可以进行轴网建立，轴网输入已是较为成熟的输入方式。其次进行标高修改，因为在非几何信息输入时已经确定结构层数和楼层标高，结构标高已提前生成，在这一步只需要进行部分标高的修改完善。重要的一步为构建布置，在Revit中可以很方便的建立各种族，我们所熟悉的墙、梁、板、柱均可以以族的形式使用，且每一个单独的族可以定义不同的属性。经过实际项目验证，在结构模型构建中调用各类族进行构件布置是完全可行的。进行结构计算前的最后一步即为荷载布置，荷载布置完成后便可以初步验证模型是否有错误。作者利用该项目基本完成了一个结构模型的构建全过程，证明了提出的BIM结构模型的构建思路是正确的，但具体的操作与实践中还存在一些细节上的问题。

首先在模型总体信息中需要记录构件的材料强度等参数，但每个构件的自带属性里也包含着对应构件的非几何参数，两处皆可修改，两者的修改逻辑问题需要明确规定。结构构件布板经常出现自动布板错误的问题，可以选择的替代方法有角点布板，但是角点布板布置上的板只能出计算配筋值，后期无法通过软件自动生成施工图，出现自动布板错误的原因可能是墙、梁、柱的连接不正确。解决的办法有两种，一种是加强建模时的细节控制，另一种方法是优化节点判定，让软件自行修正建模偏差。

3 结论

(1)基于BIM技术的结构信息模型构建为实现BIM正向设计提供了一种可靠的方法，为建筑三维可视化模型和分析计算模型的无缝对接提供基础。

(2)以非几何信息输入、轴网布置、结构构件布置、荷载输入等步骤可以实现结构模型的构建，且满足结构分析计算的要求。

(3)基于IFC标准建立的结构信息模型可以得到支持IFC标准的建模软件和结构分析软件的兼容，为通用结构模型构建、实现集成化建筑设计、后期运营管理奠定了技术基础。