建筑信息建模与结构分析软件： 数据交换的场景和成功因素

3D模型创建已经二十多年了（例如在钢结构中），它们被用于自动导出二维工程数据，或者直接通过NC数据访问和控制生产设备。 同样，在3D模型中进行结构计算也是最新技术。 由于数字化模型的产生，施工软件面临的主要挑战是数据交换问题，以及如何在不同的技术计划人员的软件中以高效的方式使用这些模型。 几何模型和物理模型不仅仅在结构模型中起作用，而且在其他模型中不仅包含了物理上可见的构件信息， 结构模型或分析模型就是其中之一，其中包含材料的机械属性，边界条件或荷载假设。这是不能从纯粹的物理建筑模型中立即读取的内容。 这些差异给结构工程中的BIM模型数据交换带来了困难。 BIM在结构分析中的期望值很高。 对于建筑软件制造商来说，它的任务同样艰巨。 在本文中，我们将介绍数据交换的基本问题，并根据实际情况提供经过验证的解决方案。

BIM-结构设计

建筑信息模型是基于结构生命周期的整体视图来创建的。其中包括最初的想法和设计规划（建筑师，建筑物的拥有者），详细的设计和最后的规划（工程师），以及建筑物的使用和拆除。 除其他事项外，目的是在结构的整个生命周期内优化成本。 结构设计本身只是BIM的一小部分，它对结构成本的影响通常是次要的。 因此，BIM的巨大“革命性”具有更多的建筑师控制力。 然而，结构设计在最终设计的相对较短的时间内仍然发挥着重要作用。 设计计算确定了特定结构概念的可行性，并且是在规划过程中的一个里程碑，因为在不进行适当设计的情况下其他服务项目可能会被延误。 这也对进一步的计划可靠性和因此必要的变更的相关成本有很大的影响。 - 简而言之: 结构分析（包括任何后续更改）必须高效可靠。 现有的三维BIM模型可以提供有价值的数据输入或通信手段，以及更好地了解结构工程。

结构工程中 BIM 的典型数据交换方案

BIM模型和结构模型

BIM模型通常包含关于建筑物的几何形状，材料和半成品的信息。 它们描述了建筑物的用途，并且例如提供了装配时间的信息。 BIM-模型适用于建筑结构设计的各个方面都可以作为可视化的交流通信工具。它们可以作为确定材料和成本的工具，并且可以避免由于单个构件或子部分的碰撞而导致的设计错误。 数据交换主要是对精确的建筑物几何参数进行描述。 通过边界面模型或产生实体的挤压区域描述结构构件。

相反，结构模型的重点是支座结构的机械正确投影。 几何图形被简化并简化为与结构分析相关的那些构件。 详细的几何说明只在必要时使用，从而不可避免地增加了计算时间。 柱子和梁计算为杆件（一维单元），墙和天花板计算为板和板（二维单元）。 这些杆件和面单元也可以在3D结构模型中相互组合。 为了对这些理想化模型进行数值计算，必须将所有结构构件连接在一起并验证过渡条件。 但是，由于零件从实体到中心线（在杆件的情况下）和中间平面（在面的情况下）的简化，自动相交并不总是可用。

结构模型的其他重要组成部分包括：

• 支座和铰链定义
• 材料和截面的力学性能
• 外部荷载（风荷载、雪荷载、强制荷载等）和荷载组合
• 地震作用或其他偶然作用的影响
• 设计规范
• 线性和非线性计算方法和分析

没有专业工程师的干预，由BIM模型的纯几何信息就可以得出结构模型。 几何相同的建模在结构工程中也需要表示为实体模型。 但是，即使具有当前可用的计算能力，也无法将建筑物作为实体模型进行计算。

与实践相关的BIM交换方案

可以区分同一专业和不同专业的软件应用程序之间的数据交换。 如果在建筑软件和建筑软件之间交换数据，那么对象相同，并且信息内容及其数据模型在两个程序中将非常相似。 不同的软件可以直接处理信息，并将其转换为特定于软件的智能对象。 这也称为水平数据交换。

如果要将数据传递到另一个学科领域，例如从建筑软件到结构分析软件，那么焦点将集中在数据的不同视图上，并且将仅考虑柱子，墙，桁架或板等支座构件。 仍然缺少所需的附加信息，例如结构作用线的位置，单元连接的弹性或材料和截面的精确力学细节。 这也称为垂直数据交换。 如果您属于同一学科，则可以轻松避免数据丢失或解释错误。 建筑结构设计软件BIM经常使用垂直数据交换的方法，因为建筑模型通常是由建筑模型生成， 但是，从一种结构分析软件转换到另一种结构分析软件也需要对结构计算进行验证。

水平和垂直数据交换

最重要的情况可以总结如下：

• 建筑→结构分析→施工
• 结构分析→结构计算后的数据同步更新
• 结构分析→静力学分析
• 可选导出整个结构或子结构
• 可选更新材料，厚度和截面（双向）以及返回计算结果

BIM-Szenario: Modellübergabe BIM-Software zu Statik-Programm, Update von Querschnitten und Übergabe von Ergebnissen der Berechnung (Schnittgrößen) an BIM-Modell

数据交换文件格式有多种选项。 作为全球标准的IFC格式起着特殊的作用。 它分为不同的观点，每个学科都有自己的观点。 主视图是协调视图，可以对各个软件产品进行认证。 在不指定各个视图的情况下考虑IFC格式时，默认情况下通常使用坐标视图。 大多数体系结构程序都支持此功能。 相比之下，结构工程的结构分析视图包含对结构模型，荷载和荷载组合的描述。 该视图目前无法验证，只有部分结构分析程序支持该视图。 虽然IFC格式是一种标准格式，但通常可以按照不同的方式进行解释。因此必须检查数据的格式，以便成功进行数据交换。

IFC-Coordination-View-Modelle in RFEM, Visualisierung und selektive Umwandlung in natives, intelligentes RFEM-Objekt

除了IFC格式外，还可以使用已建立的文件格式，例如DXF/DWG，钢结构产品接口或其他基于文本的应用程序。 直接接口也很重要。 它们没有交换文件，因为各个程序都通过应用程序接口（API）直接通信。

成功进行数据交换的关键因素

基本的问题是弄清楚哪种交换方案是可行的。 如果您熟悉各个软件产品，那么您可能还需要熟悉软件支持的接口。 考虑到这一点，有必要使用易于管理的模型进行有针对性的交换测试。 材料和截面特性通常需要进一步关注。 每一种软件通常都会提供一个独立的结构工程数据库，该数据库包含所有与规范相关的参数。 这些数据库在“映射文件”中相互关联，“映射文件”是具有相应描述的简单表格。 这些映射文件部分由软件开发人员提供。 我们建议您根据应用中的程序统一和集成这些文件。

BIM软件已经包含在建筑模型中。 此软件的优点是两个模型相互重叠，相互参照，可以快速有效地进行模型分析。 除了系统数据外，还可以定义荷载。 当使用该软件时，您必须准确地建立两个模型。 各方之间必须进行适当的协调。 模型的编辑和编辑的人通常不在同一个工程部门， 必须事先安排。 BIM毫无疑问是一个巨大的机会，并且继续被知名公司所认可。 如果能够完整地创建整个设计链，则可以尽早优化BIM模型，然后用于结构分析。

支持不同的数据格式是选择合适的软件的一个重要方面。 使用现有数据格式的描述必须导入到该软件的特定对象中。 单纯考虑可视化或数据模型参考不足以进行结构设计，只能进行可视化检查。 如果软件可以导入多个模型并传递到正确的数据对象模型中，则可以极大地提高系统的灵活性，并且可以极大地增加成功和有效进行数据交换的机会。 当在结构分析软件中使用IFC坐标视图文件时，这是一个关键的成功因素。

无论如何工作，一开始都应该考虑使用简单的专有工具进行数据交换。 通过这种方式可以快速有效地传递附加信息，特别是以参数形式。 例如，您可以在BIM软件中显示某个结构模型的各项内容，交流可能的修改，或者实施公司特定的工作流程。 这就要求所有软件产品都具有相应的应用程序接口，可以用传统的简单编程语言（VBA、C#等）进行操作。

成功和有效进行数据交换的关键成功因素如下：

创建用于结构设计的 BIM 模型

• 尽早安排结构工程师，并咨询移交时间和内容
• 设置材料和截面描述的标准（映射表）
• 结构构件的功能和一致建模（柱，梁作为杆件对象，墙，板作为面对象）
• 在截面和平面中建模墙，板和柱

Umfang und Inhalt der Datenübergabe festlegen

• 谁由谁创建理想化的结构模型，他们使用哪些软件（BIM或结构分析软件）？
• 是否会传递几何尺寸和作用线，或者传递其他结构属性，例如支座或铰链？
• 谁负责定义荷载工况，荷载组合和荷载？
• 谁有权进行某些更改： 是否添加或删除了结构构件，或者定义了构件的截面和厚度？
• 如何以及何时进行潜在的模型自动对中？

定义工作阶段

• 谁在什么时候哪个模型空间？
• 尽可能避免同时编辑相同的构件

测试交换方案并使用数据交换格式和接口

• 请问BIM和结构分析软件是否提供相同的接口？
• 使用定义的交换对象对可管理模型进行测试

绑定规则使BIM模型可用

• 最好采用几种格式（IFC，软件专有文件格式，DWG/DXF，SDNF，STEP或其他格式）
• 扩展了数据交换的可能性，并且允许模型的验证和比较

小结

结构工程在建筑信息模型中扮演着重要的角色。 由于越来越多的使用基于BIM的规划方法，新的数字过程链提供了提高效率的机会。 BIM模型和结构模型本质上是不同的，从BIM模型中导出结构模型不是总是自动的并且明确的。 为了快速有效的进行结构设计，您需要结构设计工程师们的参与，并且在创建BIM模型时考虑结构设计和数据交换的各个方面。 所使用的软件应允许通过使用相应的接口来传递软件专用的智能对象的现有参数化几何信息。 最后，一个很好的数据交换策略以及所使用的软件可以使您轻松地将结构设计集成到BIM过程中。