基于建筑信息模型的建筑结构施工图设计

1、华南理工大学学报(自然科学版第41卷第3期Journal of South China University of TechnologyVol41No32013年3月(Natural Science Edition March 2013文章编号:1000-565X (-0076-07收稿日期:2011-11-30*基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAJ01B07-03;清华大学自主科研计划资助项目(2011THZ03作者简介:王勇(1979-,男,博士生,主要从事BIM 、IFC 、智能CAD 技术研究E-mail :wangyong_tj126com 基于建筑信息模型的建筑

2、结构施工图设计*王勇张建平(清华大学土木工程系,北京摘要:为解决目前建筑结构设计所面临的发展瓶颈,将建筑信息模型(BIM 技术引入到建筑结构施工图设计中首先,研究了面向结构施工图设计的BIM 数据需求和描述方法;然后,建立了基于IFC 架构的结构施工图设计信息模型,开发了相应的施工图设计原型系统;最后,通过测试算例对提出的基于BIM 的结构施工图设计方法进行了应用测试结果表明:基于BIM 的结构施工图设计可以极大地提高结构设计效率和质量,是我国建筑结构设计的发展趋势;在基于BIM 的工程设计中,BIM 模型的构建需要多种BIM 软件来协作完成;基于BIM 的建筑结构设计尚未成熟,面临技术、体制

3、等障碍,需要社会各方的推动才能实现关键词:建筑结构施工图;建筑信息模型;智能设计;IFC 标准中图分类号:TU2014doi :103969/jissn1000-565X201303011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

4、 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

5、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11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

6、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

7、 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Fig1Comparison of structura

8、l workingdrawing design flow 12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

9、实现BIM 模型的数据描述与交换标准8-12IFC 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21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2IFC2x3中结构构件的空间结构Fig2Spatial structure of structural elements in IF

10、C2x377第3期王勇等:基于建筑信息模型的建筑结构施工图设计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(IfcRelContainedInSpatialStruc-ture 建立墙体实体与楼层实体的关联,实现墙体模型的定义 图3IFC 标准中墙体的定义Fig3Definition of wall element in IFCs2

11、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

12、体(IfcAssosiatesMaterial 建立墙体与墙体材料的关联23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 模型体系的图4IFC 标准中墙体的材料定义Fig4Material definition of wall element in IFCs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231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

13、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Fig5Relationship between IfcWall and IfcOpeningElement232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

14、87华南理工大学学报(自然科学版第41卷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Fig6Relationship between IfcBeam and IfcColumn24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

15、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

16、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7IFC 标准中的墙体属性集定义Fig7Property set definition of wall element in

17、IFCs3BIM 模型的设计与系统实现31BIM 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

18、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32系统实现根据前文设计的BIM 模型,在Visual StudioNet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

19、逻辑结构图,包括数据层、接口层、模型层和应用层97第3期王勇等:基于建筑信息模型的建筑结构施工图设计图8BIM模型的逻辑结构Fig8Logical structure of BIM model图9BIMSD系统的逻辑结构Fig9Logical 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

20、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 Architecture2009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(;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

21、型(,形成BIMSD构件信息模型;将Etabs软件结构08华南理工大学学报(自然科学版第41卷 第3 期 王勇 等： 基于建筑信息模型的建筑结构施工图设计 81 图 10 Fig 10 BIMSD 的应用实例 A test project of BIMSD platform 设计结果导出为 Access 数据文件， 利用 BIMSD 的结 材料信息、 配筋 构模型导入接口读取结构内力结果 、 结果（ ） ， 并与构件信息模型关联， 形成完整的结 基于 BIMSD 模型可 构施工图设计 BIM 模型； 最后， “平面整体表示法 ” 基于 以进行三维模型检查（ ） 、 的结构施工图设计（ ） 、

22、结构构件混凝土及钢筋的 算量统计（ ） 等工程应用 制图规则相结合， 文中仅实现了混凝土 关设计规范、 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 参考文献： 1 Eastman C， Teicholz P BIM handbook： a guide to building information modeling for owners， managers， designers， engineers， and contractors M 2nd Hoboken： John Wiley Sons， Inc， 2011 ： 193-2

23、61 2 张建平 BIM 技术的研究与应用 J 施工技术， 2011 ， 41 （ 1 ） ： 15-18 Zhang Jianping Research and application on BIM technology J Construction Technology， 2011， 41（ 1） ： 15-18 3 Dean E T Interoperability and the structural domain C Structures Congress 2010 Orlando： ASCE， 2010， 1652-1659 4 王勇， 张建平， 王鹏翊， 等 建筑结构设计中的模型

24、自 J 建筑科学与工程学报， 2012 ， 29 （ 4 ） ： 动转化方法 53-58 Wang Yong， Zhang Jianping， Wang Pengyi， et al Model automatic transformation methods in architecture and structure designs J Journal of Architecture and Civil Engineering， 2012 ， 29 （ 4 ） ： 53-58 5 张洋 基于 BIM 的建筑工程信息集成与管理研究 D 5 结论与展望 文中对基于 BIM 的建筑结构施工图设计方法

25、、 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 并进行了 了钢筋混凝土框架结构施工图设计系统， 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 效率上突破原有设计瓶颈 图设计可以在设计质量、 （ 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 82 2009 北京： 清华大学

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