使用 BIM 软件工作的软件接口和重要功能

技术文章

本文将重点阐述经常使用的重要的 BIM-接口。 通常在数据文件导入到结构分析专业模型之后需要进行适当调整。 下文将讲解如何快速并有效使用相关方法和软件功能进行调整工作。

BIM 软件接口

为了将从 BIM-模型中的数据能够在结构设计与分析软件中继续使用,必须使用相关的接口将其对应的数据分别逐项按照相应的结构构件分别对应导出。 一般类型的软件接口仅能导出结构体系的对象(例如杆件、板、面和实体单元等)。 而对应于结构设计所需要的软件接口则须包括力学计算所需要的例如:支座条件、铰接点、荷载、荷载工况和荷载组合等。 这类力学分析对象通常只具有虚拟的视图和数值,并按比例显示在结构的几何图形上,而且与附加模块中所使用的规范直接相关联。

结构工程师根据计算需要确定, 例如支座、铰点分别按照刚性、柔性或者完全为铰接点来处理。 如果BIM模型的物理属性按照其定义的几何关系非常明确(可视性),而且已经建立了结构的力学模型(理想静力计算模型),那么就可以完全满足直接按照静力计算的条件。 计算时将不会使用BIM模型,而是是直接使用静力计算所需要的结构模型。 下列软件接口包括静力计算所需要的对象:

  • IFC 结构分析视图
  • SDNF-格式
  • 钢结构产品接口
  • CIS/2

此类软件接口的发展首先是在 1990 年代后期在国家层面所倡导提出。 随后在工程领域很快发现,必须有一个更加国际化、标准化的的进程才可能继续发展。 因此在后期的发展都是依据于国际协同工作联盟开发出了 Industry Foundation Class (IFC 工业基础分类) 数据模型。 因此所有新的技术都是依据 IFC 结构分析视图的基础上进行发展。

BIM 软件和结构设计类型的软件除了可以与上述基于类似文本数据格式的接口建立耦合之外还可以通过 API 类型(应用程序编程接口)进行数据共享。 该类型接口是一些预先定义的函数,目的是提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件得以访问一组例程的能力,而又无需访问源码。 Dlubal Software 已经研发了与下列软件的 API 类型用程序编程接口:

  • Tekla Structures
  • Autodesk Revit and AutoCAD
  • Bentley ISM
  • AVEVA Bocad

图 01 – Revit 设计 - Dlubal RFEM 有限元计算 - Tekla Structures 结构

除了上述介绍的接口之外,最重要的就是 DXF-数据格式的文件接口,但是这种接口不具备传输对象的属性。 该接口不可以导出结构模型的力学属性,因此只能导出 BIM 模型的物理属性。 鉴于此原因,基于IFC 2x3 的IFC-Coordination View 2.0 (协同视图)成为最重要的接口。 2017年最新一代 IFC 4 Reference View – buildingSMART 提倡的、软件开发企业可以继续集成的标准接口获得导入认证。 如果需要导出坐标-视图或者参照系统-视图-模型,那么结构设计软件必须能够创建力学结构模型。 这类设计工作必须要求软件包含某些下列工具,下文重点介绍部分功能。

结构设计软件 BIM 重要功能

IFC-兼容性
IFC-协同视图模型为结构设计和力学计算模型的模本。 IFC 对象必须在相应的结构设计软件中转换为自身的对象(梁、面和实体单位)才能继续计算。 也就是说仅仅是参考视图(模型可视化)是不能满足结构计算的需求。

图 02 – RFEM-转换 IFC-对象为结构计算模型的对象

材料和截面映射
结构设计和计算时需要考虑材料和构件截面的属性(例如弹性模量、安全系数、惯性矩等)。 对于另外一些类型的BIM 软件,诸如主要功能为建筑学和计算工程量的软件,并不需要此类参数,或者显的不是特别重要。 因此结构计算类软件由于计算结果的要求必须设置自己的数据库。 材料属性和截面属性必须通过映射-表格将导入的数据转换为结构设计软件自身数据。 数据转换必须较为灵活,通过参数映射可以将截面的基本形式和尺寸任意定义和转换(任意矩形、I-,或者 U 形等截面)。

调整和连接
此外建模要求各个单元建立正确的联系,确定铰接点以及支座边界条件等。 导入对象必须按照要求进行平移和重新设置等操作。

图 03 – 延长杆件自由端、合并相同节点

因此需要软件只需操作几步就可以将大量的节点以及相连接的对象任意移动到相应的平面位置。 为了避免在网格划分时出现问题,还需要注意不能存在重复或者近似相同的节点。

图 04 – 竖直方向墙体投影到屋楼面平面

真实性检查
结构模型中存在问题的区域必须尽早发现并且使用软件的各种功能进行修改。 真实性检查可以发现例如重复节点或者距离非常接近的节点、重合直线、短线或者单独存在的单个节点等。

清除和合并节点
软件最根本的功能包括例如合并多个节点,并且可以自动按照相关的对象进行设置。 尤其有用的功能是当在图形视图环境下使用拖放功能进行建模修改。

图 05 – 识别判断/清除相同节点

物理构件和意义
由于在软件中将相交线或者相交杆件截断,结构的物理构件例如梁或者柱被分为多个有限元单元。 其后果是可能导致丢失部分在计算或者用于升级原始 BIM 数据文件的重要信息,例如柱子的实际长度与相关长度。 因此必须在结构设计类软件中必须具备相应的解决方法用于获取构件的原始长度和计算长度等。

图 06 - RFEM-多杆件功能用于组合多个单个杆件, 将原有的 BIM 模型中的物理构件对应结构计算模型

修改检查
如果计算中需要导入/导出大量的数据将原有的模型进行修改,那么就要求软件具有显示各个单独的修改状态下的模型或者至少将当前操作步骤下的修改进行过滤的能力。

图07 – 有限元软件 RFEM 通过图形显示和操作将修改过程可视化

结构模型偏移、调整工具
对于简单类型的参考模型(部分模型情况),其特征是容易抓取对象并且比较容易进行后期建模。 此外当使用工具,例如以墙的中线为参考,偏移半个墙厚度进行建模的方法等非常简便。 建模工具必须包括直线相对于其他直线进行延长或缩短(修剪/延伸)的功能。

图 08 - DXF-背景层:通过抓取外部边缘使用偏移功能创建墙的中心线

唯一标识代码
当软件需要交互性往返导入导出或者模型更新升级需求的情况下必须要求每个对象有一个全局唯一标识码ID。 因此软件须具备保存此唯一标识码ID 的功能。 另外还需要有能够导入其他软件数据或者数据库中唯一标识码 ID 的功能。

复制& 粘贴
例如在改扩建体育场馆的 BIM 软件以及结构模型中需要大量的建模工作。 因此必须确保当前的操作不会覆盖原有以及存在的结构模型。 鉴于上述原因,新建杆件或者面等修改模型的建模操作仅仅通过复制& 粘贴就可以实现,将会极大简化建模工作。 软件用户可以按照需求精确的选定修改和修改、复制那些构件和单元。

BIM 模型中的结构分析计算结果
BIM 软件的一项重要的优点是优化的数据交换方式。 结构分析软件可以输出计算结果、内力值、截面变化或者钢筋等。 上述对象的信息必须以某种数据形式保存,以便于其他特殊的应用程序可以在其基础上进行编辑处理。 最简单的情况时例如使用DXF- 基本格式的计算结果模块为参考,建立 BIM-结构设计体系的钢筋图或者节点详图。

图 09 – RFEM 导出钢筋列表并在 Revit 中显示钢筋三维模拟视图

依据 BIM 软件所提供的数据库,各个软件之间的数据交换能力提高到一个非常高的水平,并且各种其他应用软件可以在其基础上根据特殊软件功能API 自动进行数据交换。

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RFEM 主程序 RFEM
RFEM 5.xx

主程序

结构设计与有限元­分析软件(FEA)可以用于建立平面与空间结构模型,适用于由杆件、面、板、墙、折板、膜、壳、实体以及接触单元等的建模与分析计算。

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RSTAB 主程序
RSTAB 8.xx

主程序

空间结构设计与分析软件,主要用于框架、梁与桁架等空间结构的建模与计算。可以输出内力、变形与制作反力的线性与非线性的计算结果。

首个许可价格
2,550.00 USD