建筑信息模型 BIM 与结构设计软件:数据交换的专业方案和有利因素

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建筑信息模型描述了建筑软件行业中最重要的问题之一。这不是个新鲜问题,众所周知,项目初始阶段的有效计划对项目的总成本有着显著的积极影响。二十多年来例如在钢结构行业的 3D 模型已经被使用,可以自动生成 2D 生产文件,或者通过相关的数控数据直接发送到自动生产。同样 3D 模型的结构计算也被认为是最先进的。对于建筑软件来说,数字模型引发了一个关于数据交换的重要问题,以及这些模型如何有效地被用于各种工程软件中。不仅纯几何物理模型非常重要,而且考虑包含其它结构构件的许多模型。这些模型由结构模型或者分析模型组成,其中包括机械的材料属性、边界条件或者不能用纯物理建筑模型轻易识别的荷载。在结构工程中使用 BIM 数据交换时,这些差异可能导致出现问题,在 BIM 和结构分析方面会产生很高的期望值,这些问题状况也为工程软件开发者带来了巨大的挑战。本文讲述一下数据交换的基本问题,并提供了在实践中测试的适用的解决方案。

在 BIM 流程中的结构设计

建筑信息模型是基于对总共建筑物生命周期的整体构想,从最初对结构的构想和设计规划(建筑师、建筑业主),到结构施工(工程师),以及延伸到运营阶段和拆除。目标是在建筑生命周期中优化成本,建筑设计本身只是 BIM 的一个部分,对建筑成本的影响通常是次要的。因此 BIM 的伟大“革命”更多的发生在建筑师的任务范围。然而结构设计在结构规划中相对短时间内起着重要作用,它决定了特定的结构理念的可行性,并是在规划过程中的一个里程表,没有完成它不能进行其它流程,它还对下一步的规划可靠性和其必要改变的相关成本产生重大影响。总之:结构设计以及包括后续的更改都必须高效并且精确。目前三维 BIM 模型能够提供有价值的数据输入或者交流工具,更好地了解结构工程。

图 01 - Typical Data Exchange Scenario for BIM in Structural Engineering

BIM 模型和结构模型

一般来说 BIM 模型包括建筑物的几何尺寸、材料说明和建筑物半成品的信息。它们描述了建筑物的功能,还提供了关于时间流程的信息,例如安装时间。BIM 模型适合作为参与施工各方的视觉交流工具,它们可用作材料和成本确定的工具,最后它们有助于避免由于各个构件或各作业的冲突而造成的规划错误。数据交换主要涉及精确的建筑物几何尺寸的参数描述,建筑构件通过由边界面模型或者挤出面描述形成一个实体而得出。

与之不同的结构模型的重点在于支撑结构的力学的准确的描述。几何形状被简化并且简化为与结构分析相关的结构构件。几何形状的详细描述仅在必要时使用,并且不可避免地增加了计算时间。柱子 和梁作为杆件(1D 元素)、墙和楼板作为面或者板(2D 元素)计算。杆件单元和面单元能够在 3D 结构模型中相互结合。为了数值分析这些理想化模型,有必要将所有结构构件连接在一起,验证过渡条件。通过从实体到中线(杆件)和中间面(面)上构件的减少,不是总是能用自动交叉。

结构模型的其它重要组件包括以下内容:

  • 支座定义和铰定义
  • 材料和截面的力学属性
  • 外部荷载(风、雪、使用荷载等)和荷载组合
  • 地震活动或者其它偶然作用的影响
  • 设计准则
  • 线性和非线性计算方法和分析

没有专业的工程师辅助无法从 BIM 模型的纯几何信息中推导出结构模型。一个几何上相同的建模在结构工程中也需要图形作为实体模型。可是即使使用当前可用的计算能力,将建筑物的计算作为实体模型也是不可想象的。然而,即使使用当前可用的计算能力,将建筑物的计算作为实体模型也是不可想象的。

实践相关的 BIM 交换方案

基本上可以区分为相同体系和不同体系的软件应用程序之间的数据交换。如果要在建筑学软件和结构软件之间交换数据,考虑相同的对象,信息的内容和其数据模型将在两种程序中非常相似。不同的软件应用程序可以直接处理信息并将其转换为特定于软件的智能对象。这也是水平数据交换。

如果数据要传递给其它体系,如建筑学软件传递到结构分析软件,那么重点就放在数据的不同视图上(仅承重构件,如柱子、墙、梁、板),必要的附加信息,如结构作用线的位置、单元连接的柔性或者精确的力学说明,仍然会丢失。这就是垂直数据交换。如果在相同的体系内,则可以轻松避免可能的数据丢失或者解释说明的错误。对于结构工程的 BIM,通常使用垂直数据交换,因为建筑模型通常从结构模型生成的,从一个结构分析软件到另一个结构分析软件的转换也需要力学计算的验证。

图 02 - Horizontal and Vertical Data Exchange

最重要的场景可以总结如下:

  • 建筑学 -> 结构分析 -> 建造
  • 结构分析 -> 在结构计算之后建筑学数据更改同步
  • 结构分析 -> 力学验证
  • 整个结构或者子结构的可选导出
  • 可选更新材料、厚度和截面(双向),并返回计算结果

图 03 - BIM Scenario: Transferring Model from BIM Software to Structural Engineering Software, Update of Cross-Sections and Transfer of Calculation Results (Internal Forces) to BIM Model

数据交换文件格式有多种选择。IFC 格式是一种全球性标准,它分为不同的视角,每个体系都有自己的视角。主要的视角是协调视图,其中可以对各个软件产品进行认证。考虑 IFC 格式时没有指定视图的情况下,通常默认使用协调视图,这点大多数的建筑软件都支持。相反,结构工程的结构分析视图包括结构模型、荷载和荷载组合,该视图目前没有被认证,只限于部分结构分析程序支持。虽然被定义为标准,但 IFC 格式通常可以用各种方式解释。因此有必要检查相关软件数据的格式以实现成功的数据交换。

图 04 - IFC Coordination View Models in RFEM, Visualization and Selective Conversion to Native Intelligent RFEM Object

除 IFC 格式外还可以使用已经建立的文件格式如 DXF/DWG、Steel Construction 产品接口、或者其它基于文本的应用程序。直接接口也有重要的作用,它没有任何交换文件,各个程序通过应用程序编程接口 (API) 直接交流。

成功数据交换的重要因素

根本上要清楚解释存在哪些场景。如果了解各个软件产品,则可能熟悉其支持的接口。考虑到这一点有必要使用可检测大小的模型来执行目标交换测试。材料和截面属性经常需要进一步关注。每个软件通常都提供标准相关参数的个性化结构工程数据库,这些数据库与相关描述的简单表格的“映射文件”中的相关联,这些映射文件部分由程序开发人员提供,建议根据各自使用的应用程序统一和集成这些文件。

还有 BIM 软件在建筑模型中已经包含了一个分析模型(结构模型),该软件的优点是两种模型都相互重叠和相互参照,因此很容易高效地分析这些模型。除了系统数据,也可能是荷载说明。该软件的用户必须准确建立两种模型。此外,各方参与之间相应的协调是必要的。进行模型编辑的工作人员不是来自一个公司,那么问题就变成了谁来解决跨界模型的成本问题,以及谁来负责模型的精确性和准确性。这都必须提前安排。毫无疑问 BIM 有很大的机会,并且得到知名公司的认可。如果能够创建整个计划链,则可在早期阶段以最佳方式准备 BIM 模型,并在稍后用于结构分析。

选择正确软件的一个重要方面是支持各种数据格式。现有的数据格式必须传输到软件特有的对象中。仅考虑可视化或者数据模型参考不足以用于结构设计,只能用于可视化检查。如果导入多个模型到软件中并将其转换到自己的数据目标模型中,这就显著增强了灵活性,并增加了成功的和有效的数据交换机会。在结构分析软件中使用 IFC 协调视图文件是成功的关键因素。

看起来付出很多,从一开始就不排除用于数据交换的简单自有的工具的编程,这使得可以用参数形式轻松传递附加信息,例如,可以在 BIM 软件中显示力学的位置规划、传递更改或者在软件中反应公司的特定工作流。这就要求参与的软件产品具有相应的 API,可以通过众所周知的简单编程语言进行操作 (VBA、C# 等等)。

成功有效的数据交换的关键成功因素包括以下几点:

基于结构设计的 BIM 模型生成

  • 早期结合结构工程师并协调交接时间和内容
  • 确定材料和截面描述(映射表格)的标准
  • 结构构件(柱子、梁作为杆件对象,墙、板作为面对象)功能性的和一致性的建模
  • 墙、板、柱的建模分段和分层

数据传输范围和内容的确定

  • 谁创建了理想的结构模型以及他们使用什么软件(BIM 或者结构分析软件)?
  • 仅传递几何尺寸、力学作用线或者其它力学信息,如:支座或者铰?
  • 谁定义的荷载工况、荷载组合和荷载?
  • 谁被授权进行更改,如:移动结构构件、添加结构构件或者删除、确定截面和结构厚度?
  • 如何以及何时进行自动模型调整?

定义工作阶段

  • 谁在什么时候在哪个模型工作?
  • 尽量避免同时在相同的建筑部分工作

测试交换场景并使用数据交换格式和接口

  • BIM 和结构分析软件是否支持相同的接口,在哪些范围内?
  • 实行对可检测的模型的测试使用定义的交换对象

使用 BIM 模型的强制性规则

  • 尽可能使用更多的格式(IFC、软件自己的文件格式、DWG/DXF、SDNF、STEP或者其它格式)
  • 扩展数据交换的可能性并允许验证和比较模型

总结

结构工程是建筑信息模型中的重要组成部分。由于面向 BIM 定向规划方法的应用日益增加,新的数字化进程链提供了提高效率的机会。BIM 模型和结构模型的本质特征是不同的,导出 BIM 模型中的结构模型不是总是自动的和明确可能的。与结构设计相关的规划过程的有效设计需要结构工程师在早期参与,考虑在创建 BIM 模型时的结构设计和数据交换。所使用的软件应允许通过使用相应的接口将参数化几何信息转换为软件特定的智能对象。最后根据使用的软件制定的数据交换策略使结构设计轻松地集成到 BIM 流程中。

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