楊鵬飛 張洪偉 高興華

(1.北方工業(yè)大學(xué)，北京100044;2.中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院，北京100048)

1 引言

BIM核心建模作為一種創(chuàng)新的工具生產(chǎn)方式，涵蓋了與項目相關(guān)的大量信息，服務(wù)于建筑項目的設(shè)計、建造安裝、運(yùn)營等整個生命周期，結(jié)構(gòu)有限元分析軟件主要用途為結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工圖，以下將詳細(xì)探討B(tài)IM核心建模軟件與結(jié)構(gòu)有限元分析軟件的關(guān)系，以及用實例闡述怎樣實現(xiàn)二者的數(shù)據(jù)共享。

2 BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用流程以及存在的問題

應(yīng)用BIM技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，與傳統(tǒng)二維設(shè)計有著較大的出入。BIM設(shè)計由建筑師提供建筑信息模型，結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)建筑模型進(jìn)行刪減、修改以及再布置，增添結(jié)構(gòu)分析屬性，建立BIM結(jié)構(gòu)模型。通過數(shù)據(jù)接口將所建模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，分析軟件通過計算、分析，將分析后的結(jié)果推送回BIM核心建模軟件，其詳細(xì)過程見圖1。

BIM建模有著“所見即所得”的強(qiáng)大優(yōu)勢，而這里的“得”是指幾何信息和非幾何信息，換句話說也就是結(jié)構(gòu)專業(yè)中常提到的物理模型和分析模型。結(jié)構(gòu)分析軟件是結(jié)構(gòu)專業(yè)的專業(yè)軟件，所建模型是經(jīng)過簡化后的分析模型。由于分析模型中包括了大量第三方分析程序所要求的各種信息，如:荷載、荷載組合、邊界條件，這就使得工具軟件中采用的參數(shù)更加繁多，軟件之間的無縫鏈接很難完成，物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型雙向鏈接的優(yōu)點不能真正得到發(fā)揮，而這又是結(jié)構(gòu)工程師希望的功能。

圖1 BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用流程

3 臺灣某GGH電廠工程數(shù)據(jù)共享案例

以下為臺灣某GGH電廠工程實例，通過該實例說明BIM核心建模軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件的數(shù)據(jù)共享問題，以及BIM結(jié)構(gòu)工程師在創(chuàng)建模型時應(yīng)注意的技術(shù)方法和存在的問題。

3.1 工程背景簡介

GGH，是煙氣脫硫系統(tǒng)中的主要裝置之一。它的作用是利用原煙氣將脫硫后的凈煙氣進(jìn)行加熱，使排煙溫度達(dá)到露點之上，減輕對進(jìn)煙道和煙囪的腐蝕，提高污染物的擴(kuò)散度;同時降低進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度，降低塔內(nèi)對防腐的工藝技術(shù)要求。

本工程為中國臺灣臺北縣林口電廠重建項目(3X800MW鍋爐單位)(鋼結(jié)構(gòu)，高度9.9m)。由于該工程屬于電廠工程，貫通整個結(jié)構(gòu)的電力設(shè)備及管線較多，并且錯綜復(fù)雜，因此采用BIM技術(shù)解決其間大量的碰撞問題。依照BIM項目設(shè)計工作流程，首先在BIM核心建模軟件ABD中進(jìn)行建模，通過數(shù)據(jù)接口將BIM模型導(dǎo)入到STAAD.Pro中進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，將計算及優(yōu)化后的模型通過數(shù)據(jù)接口更新BIM模型。通過BIM核心建模軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件的數(shù)據(jù)共享，使模型統(tǒng)一化，并減少結(jié)構(gòu)工程師的工作。

3.2 創(chuàng)建BIM結(jié)構(gòu)模型的技術(shù)處理方法

創(chuàng)建BIM結(jié)構(gòu)模型不是單純的建模，在創(chuàng)建模型時需考慮分析屬性，對于不同部位的構(gòu)件要分開創(chuàng)建。本實例中涉及到柱、主梁、次梁、撐等多種構(gòu)件，在創(chuàng)建模型時選擇正確的分類后，軟件會將構(gòu)件的邊界條件自動釋放，例如選擇次梁，系統(tǒng)會自動將其兩端的約束釋放掉。對于大部分構(gòu)件的邊界條件，軟件的處理均可滿足條件。但是對于特殊結(jié)構(gòu)部位的桿件，在BIM模型中創(chuàng)建完成后是無法滿足結(jié)構(gòu)要求的，這需要在導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計算軟件后進(jìn)行人工的干預(yù)，對不能滿足要求的部位需要進(jìn)行修改，從而滿足結(jié)構(gòu)計算的要求。例如在本工程中，為了滿足需要，截面較大的鋼柱上要創(chuàng)建兩個截面較小的鋼柱，見圖2。導(dǎo)入STAAD.Pro中需要對分析模型進(jìn)行修改，將兩截面較小的鋼柱與截面較大的鋼柱用假定的桿件進(jìn)行連接。

圖2 ABD中所建特殊部位的結(jié)構(gòu)模型

除此之外，在BIM核心建模軟件可以施加結(jié)構(gòu)荷載和組合方式，但是對于地震荷載只能在結(jié)構(gòu)分析軟件中添加。因此結(jié)構(gòu)工程師可以選擇在BIM核心建模軟件中添加一部分荷載，也可以全部在結(jié)構(gòu)分析軟件中進(jìn)行統(tǒng)一添加。

3.3 BIM結(jié)構(gòu)模型與分析模型的數(shù)據(jù)交換

在BIM核心建模軟件中創(chuàng)建滿足要求的結(jié)構(gòu)模型后，通過數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析軟件中。ABD提供了結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計規(guī)范和相關(guān)設(shè)計參數(shù)的選擇，在輸出 STAAD.PRO之前，ABD依靠OpenSTAAD API來作為一種讀寫STAAD.PRO的方法。在導(dǎo)出分析程序的設(shè)計工具“設(shè)計選項”的設(shè)置中，將設(shè)計代碼數(shù)據(jù)映射成參數(shù)，可在任何時間修改單個構(gòu)件或構(gòu)件選擇集的這些參數(shù)，見圖3。

圖3 修改各參數(shù)對話框

本工程由多個鋼支架組成，且各部分間多數(shù)沒有相互作用。因此采用分別創(chuàng)建、分別導(dǎo)入的方法進(jìn)行工作。由于BIM核心建模軟件對硬件要求較高，對于超大模型可采用“樓層疊加”方法分兩次轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行人工組合。圖4為該項目在ABD中所建的結(jié)構(gòu)模型，圖5為通過數(shù)據(jù)共享導(dǎo)入STAAD.Pro中的分析模型。

圖4 ABD中所建的結(jié)構(gòu)模型

圖5 導(dǎo)入STAAD.Pro中的分析模型

圖6為該工程中較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對于復(fù)雜部位ABD中所見模型不能滿足結(jié)構(gòu)要求的，需要在STAAD.Pro中進(jìn)行修改。該圖為修改、計算后分析模型，圖7為導(dǎo)入ABD中的結(jié)構(gòu)信息模型。

圖6 修改、計算后的STAAD.Pro分析模型

通過本工程實例，在ABD與STAAD.PRO的互導(dǎo)實踐中。我們不難發(fā)現(xiàn)，其互導(dǎo)內(nèi)容包括:分析構(gòu)件、荷載、荷載工況、荷載組合、構(gòu)件約束、邊界條件，甚至像構(gòu)件偏移這樣的物理屬性也應(yīng)能夠被轉(zhuǎn)化。這意味著這兩者之間不僅能實現(xiàn)物理模型間的互導(dǎo)，同樣能實現(xiàn)分析模型的互導(dǎo)。并且對于常規(guī)模型基本能實現(xiàn)無縫連接，對于特殊結(jié)構(gòu)需要人為的干預(yù)、修改，以滿足結(jié)構(gòu)計算要求。

圖7 導(dǎo)入ABD中的結(jié)構(gòu)信息模型

Bentley開發(fā)的另一種ISM數(shù)據(jù)格式，其支持第三方應(yīng)用，且提供ISM平臺可供管理和修改模型。但是創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型時，用于生成計算模型的梁柱等一定要附加分析特性，否則將不能被輸出為ISM模型對象。在STAAD.Pro模型中因設(shè)計需要修改模型時，如還需后續(xù)更新ISM模型，就只能修改桿件的截面尺寸;不能新建，移動和刪除模型，否則會造成ISM模型同步錯誤。新建、移動和刪除模型的工作可以回到Structure Modeler完成，然后更新ISM模型，再由STAAD同步更新計算模型。目前版本分析特性的意義只限于帶截面的幾何模型，即物理模型。不包含用于計算的桿件端部約束釋放和荷載，在ABD中建立這些屬性是徒勞的。因此本文沒有將這種數(shù)據(jù)格式作為重點探討。

4 BIM核心建模軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件鏈接的實現(xiàn)方式及技術(shù)需求

BIM核心建模軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件無縫鏈接的實現(xiàn)能解決結(jié)構(gòu)工程師在BIM設(shè)計中重復(fù)建模問題，從而使整個結(jié)構(gòu)設(shè)計模型統(tǒng)一，以便于修改和管理。

4.1 二者鏈接的實現(xiàn)方式

BIM核心建模軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件的鏈接的實現(xiàn)其實就是對二者信息的提取和過濾，從而實現(xiàn)二者的映射和聯(lián)動。BIM模型提供大量的信息，將其中的結(jié)構(gòu)信息篩選出來較為困難。而分析模型導(dǎo)入BIM模型中相對簡單。例如:ABD與STAAD.Pro的鏈接主要通過截面映射、國家代碼分配、設(shè)計規(guī)范和設(shè)計參數(shù)等步驟完成。

4.2 技術(shù)需求分析

雖然上述工程案例基本實現(xiàn)了BIM模型與分析模型的轉(zhuǎn)化，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計中本土化較好的分析軟件與BIM核心建模軟件的鏈接多數(shù)只停留在物理模型的轉(zhuǎn)化階段，二者不能實現(xiàn)完全的無縫鏈接。不考慮設(shè)計階段我國特有的平法出圖問題，單從結(jié)構(gòu)設(shè)計階段考慮，根據(jù)切身的BIM工程經(jīng)驗和反饋，列出表1中的技術(shù)需求。

表1 鏈接需求功能統(tǒng)計

5 總結(jié)和建議

(1)BIM核心建模軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件主要通過多個文件映射實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。盡量加入少量的工作量實現(xiàn)簡單結(jié)構(gòu)的互導(dǎo)。

(2)復(fù)雜結(jié)構(gòu)單元的定義要制定標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范參變量的名稱和涵義，以便不同軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享，實現(xiàn)BIM技術(shù)價值最大化。

(3)BIM核心建模軟件與國內(nèi)主流結(jié)構(gòu)有限元計算軟件連接問題，亟待解決。

[1]張人友，王珺.BIM核心建模軟件概述[J].工業(yè)建筑，2012年S1期.

[2]北京盈建科軟件有限責(zé)任公司，YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件幫助文檔.

[3]奔特力軟件公司(北京)，ABD核心建模軟件幫助文檔.

[4]龍輝元.BIM技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討案例[J].土木建筑工程信息技術(shù)2010，2(4):89-93.

[5]何關(guān)培.BIM總論[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011:9.

[6]張曉龍，夏緒勇，馬恩成.BIM在鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件開發(fā)中實踐[J].土木建筑工程信息技術(shù)2012，4(2):104-107.

[7]何清華，錢麗麗，段運(yùn)峰等.BIM在國內(nèi)外應(yīng)用的現(xiàn)狀及障礙研究[J].工程管理學(xué)報，2012(9):15.

[8]張建平.基于IFC的建筑工程4D施工管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[J].中國建設(shè)信息.2010(04):52-57.

[9]初克建，王華瑜.土木工程有限元程序發(fā)展和現(xiàn)狀[J].山西建筑.2011(21):255-256.

[10] Eastman，C.The Use of Computers Instead of Drawings[J].AIA.1975(03):46-50.