高层钢结构BIM软件研发及在上海中心工程中的应用_季俊

第39卷增刊(II)2009年11月

东南大学学报(自然科学版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vo.l39Sup(II)Nov.2009

高层钢结构BIM软件研发及在上海中心工程中的应用

季 俊1,2 张其林 杨晖柱 常治国111(1同济大学土木工程学院,上海200092)

(2华东建筑设计研究院,上海200002)

摘要:为研发我国具有自主知识产权的高层钢结构建筑信息模型(BIM)软件并全面应用BIM,选用ObjectARX技术在AutoCAD平台上进行二次开发.建立高层钢结构BIM软件,实现了BIM与高层钢结构结构工程各个阶段的数据接口,并在上海中心项目中应用该软件系统.软件实现高层钢结构有限元计算、规范校核等功能,并可以读入相关有限元软件的计算模型,基于设计结果完成BIM的三维实体的数字拼装技术;组织节点数据结构,完成复杂钢节点的参数化造型和编辑技术;实现基于BIM的结构材料信息等的建筑工程数据管理,以及BIM与施工图、加工图的实时、一致性关联.上海中心项目应用说明,该BIM软件实现了建筑信息模型的理念,将对我国建筑业信息化进程起到推动作用.

关键词:建筑信息模型;高层钢结构;上海中心;计算机辅助设计

中图分类号:TU391 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2009)增刊(II) 0205 07

Researchanddevelopmentofhigh risesteelstructuralBIM

softwareanditsapplicationinShanghaiCenterProject

JiJun ZhangQilin YangHuizhu ChangZhiguo

(1CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

(2EastChinaArchitecturalDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200002,China)1,2111

Abstract:Todevelophigh risesteelstructuralbuildinginformationmodeling(BIM)softwarewithChineseindependentintellectualpropertyrightandfullyapplytheBIMconcep,ttechnicalcharacteristicsofBIMareputforward.Ahigh risesteelstructuresoftwaresystembasedontheBIMconceptisdevelopedwithObjectARXtechnologyandAutoCADgraphicsplatform.Datainterfacebetweenthree dimensionalsoliddatabaseandeachstageofbuildinglifecycleperiodarerealized.ThesoftwaresystemisthenappliedinShanghaiCenterProjec.tThedesignfunctionsofahigh risestructuresuchasfiniteelementcalculation,codecheckingandsoonareaccomplishedandstructuralmodelsfromsomegeneralfiniteelementsoftwarecanbereadin.Assemblyofthethree dimensionalsolidmodelisthenperformedbasedonthedesignresults.Datastructuresofjointsareorganized,

andtheparametersculptsandedittechnologyofcomplicatedsteeljointsareachieved.Constructiondatamanagementincludingmaterialinformationandcostinformationcanbedisplayedandqueriedtotallybasedonthree dimensionalmode.lThereal timeassociationandconsistencyamongconstructiondrawing,processingdrawingandthree dimensionalmodelisfulfilled.ApplicationofShanghaiCenterProjectshowsthattheBIMsoftwaresystemcanrealizetheconceptofBIMandhelpthedevelopmentofinformationprocessinChineseconstructionindustry.

Keywords:buildinginformationmodeling;high risesteelstructure;ShanghaiCenter;computer

aideddesign

高层钢结构是建筑工程中重要的结构形式.高层钢结构信息化进程中主要存在的问题为大量的项目信息存储在高层钢结构生命周期各个阶段的信息产生与提供者自己的信息系统中;由于各个阶段分别

[2]使用各自的 模型 而导致的 信息孤岛 现象已经成为高层钢结构生产效率提升的障碍.目前,建筑业

收稿日期:2009 11 20. 作者简介:季俊(1985 ),男,博士生;张其林(联系人),男,博士,教授,博士生导师,zqlyqk@. 基金项目:上海市科学技术委员会资助项目(08dz0580303).[1]

206 东南大学学报(自然科学版) 第39卷

[3]针对上述问题提出的解决方案是建筑信息模型(buildinginformationmodeling,BIM)

于三维实体数据库,实现建筑生命周期各种相关信息的集成

[5][4].BIM的思想是基.由于信息量庞大,一个包含所有建筑、结构、水暖电行业统一的建筑信息模型暂时不可能实现.本文依托BIM思想,建立高层钢结构结构工程领

域BIM解决方案的系统模型,研究钢结构BIM三维可视化信息、分析信息、施工图与加工图信息等工程信息的集成技术,研发实现集成上述工程信息的高层钢结构BIM软件.

目前,建筑信息模型(BIM)方面的文献绝大部分为对BIM的综述性文章.对于BIM软件技术与架构,文献[6]介绍了BIM概念以及BIM软件应具有的共性;文献[7]从结构工程领域的视角讨论了BIM的现状,提出了结构BIM应具有的一些重要特点.

国际上BIM软件主要有Revit及Bentely等

[9][8],这些软件处于刚刚起步阶段.BIM在建筑专业中的应用相对较多,而在结构工程领域的研发与应用非常有限,结构BIM作为建筑全寿命周期的一个阶段,对建筑工程信息化的影响极其重要.文献[5]介绍了Revit系列的BIM软件RevitStructure对结构BIM流程

的架构与部分关键技术,认为结构BIM理念与传统的结构专业领域设计的本质区别为是否应用惟一的信息模型.国内对BIM软件的研究均为BIM综述以及概念性文章,讨论的热点在于BIM软件应具有的共性与特点[2,4],以及BIM对建筑工程信息化具有的影响[10,11].

选用ObjectARX技术在AutoCAD平台上进行二次开发,建立高层钢结构结构工程领域的BIM软件,即高层钢结构设计信息模型软件,实现了BIM与高层钢结构结构工程各个阶段的数据接口,并在上海中心项目中应用该软件系统.软件实现高层钢结构有限元计算和规范校核等功能,并可读入相关的有限元软件计算模型,基于设计结果完成BIM实体模型的数字拼装技术;组织节点数据结构,完成复杂钢节点的参数化造型和编辑技术;实现基于BIM的结构材料信息等建筑工程数据管理,以及BIM与施工图、加工图的实时、一致性关联.

1 高层钢结构BIM软件特点

由于信息量巨大以及需要多专业共同合作,在建筑、结构、水暖、电等专业领域使用单一的完整的BIM暂时还难以实现[7].结构工程作为高层钢结构全寿命管理的重要领域,需要开发结构BIM软件,提高高层钢结构的全寿命管理信息化程度.

结构BIM软件即设计信息模型软件具有BIM解决方案的全部特征,其核心理念在于创建可以记录工程实施过程中几乎所有的数据建筑信息模型.数据一旦与工程信息模型构件相关联,创建以后就可以被实时调用、统计分析、管理与共享.高层钢结构工程的各阶段主要包括结构有限元建模和计算、规范校核、三维可视化模型、工程造价信息、施工图(加工图)、其他相关信息明细表(见图1)[12]

.图1 结构工程各个阶段与BIM的数据交换

增刊(II)季俊,等:高层钢结构BIM软件研发及在上海中心工程中的应用2072 高层钢结构设计信息模型软件系统的技术与架构

2.1 结构BIM的工程数据核心

BIM技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库[13].高层钢结构设计信息模型的三维实体的数字拼装技术包括3D建模技术以及3D实体计算技术,首先BIM的数据应是可运算的系统,能像人脑一样知晓各构件之间空间关系;其次要用大规模布尔算法.

从面向对象的思想出发,所有的结构部件都以对象的方法来表达.实体模型由杆件与连接节点这2类对象组成.由可以进行三维布尔运算的ObjectARX提供的AcDb3dSolid类派生出抽象的杆件类Bar,再以该类作为基类,派生出具有不同功能的结构对象 梁、柱、支撑等,如图2(a)所示.每一种连接节点可以拆分成多个基本连接,如当H形钢梁与H形钢柱连接时,可以拆分为梁的上翼缘、腹板和下翼缘3个基本连接.基本连接的派生关系如图2(b)所示.每个基本连接由若干个零件组成,以抽象对象作为基类派生出各种连接件对象 板件、螺栓、锚栓和焊缝等,如图2(c)所示

.

图2 派生关系

2.2 结构有限元计算、结构设计与BIM接口

2.2.1 软件的结构分析以及规范校核功能

高层钢结构BIM软件提供高层钢结构完整的建模、计算和设计功能,包括线性与非线性有限元分析以及结构的地震周期振型分析,满足结构全寿命周期的有限元建模及计算需求.图3为上海中心有限元模型.软件系统嵌套了与钢结构相关的国家规范以及部分地方规程,实现了构件的验算、校核和优选等功能,并将最终结果信息保存并提供给建筑信息模型

.

图3 上海中心有限元模型

2.2.2 与有限元软件的数据接口

该结构BIM软件支持通过文本操作进行结构的建模、分析、校核等一系列功能,图4为文本编辑操作应遵循的文件格式.软件可以读入Sap,Etabs等数据文件,实现与这些通用有限元软件的接口,图5为上海中心的Etabs有限元模型,该BIM软件读取Etabs数据文件,然后转为自身的格式,然后即可建立该BIM的有限元模型,从而实现建模过程中资源的共享,使项目管理共享协同能力得到提高.与Etabs接口的主要功能函数及流程如下.

208 东南大学学报(自然科学版) 第39卷

图4 软件系统的文件格式图5 上海中心的Etabs有限元模型

ClassReadEtabsData

{

Public:

获得Etabs有限元的单元、节点、约束等数据

IntReadEtabsStructuralData();

获得Etabs荷载数据

IntReadEtabsLoadData();

Etabs有限元数据转为该BIM软件系统的有限元数据数据

IntStructureHandler();

Etabs荷载数据转为该BIM软件系统的荷载数据

IntLoadHandler();

将转化而来的数据按照该软件格式写至文本文档

IntWRTThisSoftwareFile();

}

2.3 BIM实体模型的数字建造

结构BIM软件系统的三维实体信息核心采用参数化描

述建筑单元,以梁、柱等建筑构件为基本对象,而不再是

CAD中的点、线、面等几何元素.如图6所示,通过数字建造

技术模拟建筑物的真实信息,信息的内涵不仅仅是几何形

状描述的视觉信息,还包含大量的非几何信息如物理信息

以及分析信息等.对一个工程各部位很容易从各个角度查

看,交互效率极高,不易发生普通二维CAD软件的理解错

误;实现 所见即所得 的BIM核心理念[14].

图6 BIM的三维实体模型BIM软件三维实体模型的数字建造关键技术包括3D

建模技术与3D实体计算技术.在结构分析与设计完成后,由计算结果读取绘制BIM实体模型所需要的构件信息,包括截面信息和方位信息,通过构件实体类的create()函数绘制结构BIM三维实体模型.对于有限元模型与实际建筑物构件位置不一致现象,软件系统对计算模型中的有限单元进行了连通和位置调整等处理,包括同一根构件连通为一体;主梁和柱顶连接处,梁的上翼缘和柱顶平齐;次梁的上翼缘和主梁上翼缘平齐等.三维实体模型在结构构件的布置上与实际结构完全一致,实现了建筑信息模型是对工程项目

[15]结构真实构件实际空间方位的数字表达的核心和基本要求.通过上述算法,分析设计信息完整得存储

到建筑信息模型中,完成BIM的三维实体模型的数字建造关键技术.

2.4 BIM钢节点实体模型的参数化造型与编辑技术

建筑信息模型的核心技术是参数化建模.由于使用参数化技术的实体模型,复杂的钢结构节点具有在真实世界的行为和属性,则参数化模型 知道 所有构件的特征及其之间的相互作用规则,因此对模型操[16]

增刊(II)季俊,等:高层钢结构BIM软件研发及在上海中心工程中的应用209

结构BIM解决方案软件系统采用分解、分层、组合的方法来组织节点的三维实体数据结构.节点是钢结构中构造最复杂的部分.基于BIM理念的高层钢结构参数化软件系统,能够完全反应钢结构节点零件的空间位置,为建筑施工提供数字化的真实节点,方便了施工前的预观察.同时,还具有全自动交互式的设计、校核以及编辑的特点,图7为上海中心某梁柱节点参数化编辑图.软件系统节点三维模型的造型与装配流程如图8所示

.

图7

上海中心某梁柱节点的参数化编辑

图8 钢结构节点三维模型造型与装配算法流程图

2.5 设计信息模型软件

根据与BIM的关联关系,可将建设工程项目中的信息分为建设工程模型的核心信息、技术信息、经济

[4]和资源信息、管理及其他相关信息等.设计过程所产生的设计文件和数据将构成信息模型的核心信息,

而技术经济、管理及其他信息构成核心信息的附属数据,但亦为结构全寿命管理过程的重要方面.高层钢结构设计信息模型软件三维实体模型中的构件、节点等具有真实世界的行为和属性,

包含真实构件的各种相关信息,包括结构构件以及整体结构2个层次的相关附属信息.

2.5.1 构件层次相关附属信息

软件系统通过Bar,Joint类存储构件、节点、材料信息、截面信息、

方位信息,几何信息等,通过对话框或者文本文档进行显示和查询,

图9显示了材料信息的显示查询对话框;软件系统在节点设计时可

以自动判断建筑逻辑结构的非图形数据,即存储构件的逻辑信息,包

括梁柱的定义、梁柱的空间方位以及梁柱截面尺寸的基本要求等.软

件系统可以自动识别梁、柱等构件连接类型并配上对应的节点,实现

了三维实体信息核心的参数化和智能化.

2.5.2 结构层次相关附属信息

完整的三维实体信息模型提供基于虚拟现实的可视化信息,将

对高层钢结构的施工提供指导,对施工中可能遇到的构件碰撞进行

图9 构件材料信息的显示、查询对话框预检测.图10为软件提供的结构用料信息的显示与查询.

210 东南大学学报(自然科学版) 第39卷

图10 高层钢结构用料信息

2.6 BIM的实时、一致性关联

BIM的核心之一就是在工程数据间创建实时的、一致性的关联[14].对BIM数据库中数据的任何更改,都可以在其他相关联的地方反映出来,包括提供给施工方的施工图以及钢结构工厂的加工图,这是与传统二维CAD结构软件的本质区别.

建筑信息模型集成的高层钢结构施工阶段主要信息为基于三维实体模型的施工图的自动生成;提供给钢结构加工工厂的信息为钢结构构件加工图纸.设计信息模型软件系统基于BIM的3D模型上提取所需的几何信息并加工整理,自动完成节点、构件和板件的归并,编号,再绘制成二维平面详图.对结构的同一部位通常需要多个详图来表达,模型的惟一性和正确性保证了各个详图内容的一致性和正确性,对模型的任何更改,都将在平面施工图和加工图中实时、一致地反映出来.

数据的提取整理、三维实体的消隐与投影以及图形标注是图形绘制的主要内容.利用模型中实体的点线面属性以及记录的关键特征几何点,采用空间消隐算法生成二维图形,最后绘制引注和尺寸标注.详图绘制的主要流程如图11所示

.

图11 基于BIM的施工图、加工图的自动生成

图12为施工图、加工图绘制对话框,图13为基于BIM自动生成的某层结构平面布置图

.

图12 基于BIM的施工图和加工图的绘图对话框图13 基于BIM自动生成的平面布置图

3 结论

1)高层钢结构设计信息模型软件与Etabs的数据接口实现了分析信息的数据共享,减少了重新建模的巨大工作量;同时,设计的所有剖视图、施工图、大样图都出自同一个建筑信息模型,与传统的人工绘图相比,极大地提高了工作效率,减少了出错的可能性,模型上的修改可以实时反映在图纸中,保证了设计的高质量.,

增刊(II)季俊,等:高层钢结构BIM软件研发及在上海中心工程中的应用211纸交流相比,通过集成各种相关信息的建筑信息模型沟通和数据传输,大大提高了高层钢结构项目参与各方的信息共享程度,在一定程度上解决了BLM所要求的信息整体性问题.

3)上海中心工程为结构形式非常典型高层钢结构,采用巨型框架、外伸刚臂和核心筒体系.上海中心工程在设计信息模型软件系统中的应用表明,该结构BIM软件能够应用于典型的框架、框架 剪力墙、框架 支撑体系等高层钢结构结构体系中,具有重要的推广应用价值.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6xp1.html