劉照球,李云貴,呂西林,張漢義

(1.同濟大學土木工程學院,上海 200092;2.中國建筑科學研究院,北京 100013)

建筑信息模型BIM(building information modeling)技術是對建筑物理和功能特征的數字式表達,從建筑物誕生開始,為建筑物整個生命周期提供可信賴的信息共享知識資源[1].BIM的理念是建立涵蓋工程全生命周期的信息庫,實現各個階段、不同專業(yè)之間的信息集成和共享[2].但由于涉及領域面廣,信息建模和模型維護時間跨度長,導致信息數據多而雜,且不同階段不同專業(yè)對于數據信息的需求也不同,現有的技術很難實現整體建模的一步到位.因此,分階段建立基于BIM的信息子模型較為合理,也有助于解決信息集成過程中的關鍵技術[3].

隨著工程信息交換標準IFC(industry foundation classes)和BIM技術在土木工程領域應用的推廣和普及,有關工程生命周期設計信息集成技術的研究已經越來越多[4].比如,支持協同工作的計算機集成建造CIC系統(tǒng)[5],用于提高建筑業(yè)信息交流的分布式虛擬空間DIVERCIT Y項目[6],基于Web的IFC項目數據共享環(huán)境WISPER[7]系統(tǒng),基于IFC標準的集成設計信息管理DIMS體系[8],共享計算機輔助結構設計模型SCASD框架[9]等.由于建筑和結構兩個設計階段是工程整個設計過程的中心,如何實現建筑和結構專業(yè)信息的有效集成,已經成為工程設計模型集成框架開發(fā)的核心問題.國內這方面的研究比較少,上海交通大學鄧雪原等曾提出一種從IFC建筑模型自動提取信息生成 ETABS和SAR2000結構模型的基本框架[10],清華大學張建平、胡振中等提出一種將建筑設計、結構設計以及施工管理統(tǒng)一的基于4D的施工安全信息模型,可以用于施工期間建筑結構安全分析研究[11-12].筆者構建的基于BIM的建筑結構設計模型集成框架是在國內應用廣泛的PKPM系列軟件平臺下,通過建筑模型信息與結構模型信息的轉換,首先實現建筑和結構設計信息的集成和共享.其中,轉換的建筑模型是基于 IFC格式,結構模型是基于 PKPM中的PMCAD格式.

1 BIM信息集成過程和特征

BIM的信息集成的最終要求是涵蓋建筑全生命周期所有數據信息.但數據信息的積累是和工程項目建設的不同過程緊密相連的,從工程勘察設計開始到產品運營管理,直至建筑報廢,是一個漫長的過程.每個過程都會產生相應的數據信息,隨著過程的推進,數據信息也在不斷積累,保持螺旋式上升,最終形成全信息模型,如圖1所示[13].

圖1 BIM信息集成過程Fig.1 Information integrated process of BIM

為了形象地說明BIM信息集成的特征,用圖2對傳統(tǒng)的工程生產過程和集成生產過程進行比較[14].圖2a為傳統(tǒng)的工程生產過程,各個階段和參與專業(yè)的工作并不是并行的,最先參與的是開發(fā)商和政府審查部門,咨詢、規(guī)劃以及設計緊接其后,工程承包公司則在工程的施工方案確定以后方才參與.這種過程的特點是各階段比較分散,過程斷層明顯.后續(xù)階段的被動參與不僅不利于對工程早期設計階段的理解和管理,也不利于解決后續(xù)施工過程中的問題,且問題解決越晚,造成的附加成本越高.

圖2b為基于BIM的工程集成生產過程.集成生產可以使各專業(yè)工種更早地參與工程的設計活動,進行較早的并行工作.比如,在方案評定階段,規(guī)劃設計公司、工程承包公司等后續(xù)專業(yè)工作過程的前移,有利于協調各方的矛盾在早期階段解決,對于工程項目的平滑設計和建造,減少非必要的資金浪費,具有極重要的意義.由于各參與專業(yè)之間不存在明顯的過程斷層,信息的交流也較傳統(tǒng)技術更流暢.

圖2 傳統(tǒng)、集成生產過程對比Fig.2 A comparison between traditional construction process and the integrated construction process

2 建筑結構模型的復雜性

2.1 基本對象表達的區(qū)別

由于專業(yè)不同,建筑模型和結構模型對同一建筑對象的信息表達側重點也有區(qū)別.建筑模型著重于表達建筑產品的各個基本對象(墻、柱、梁、板等)的空間拓撲關系、空間分配關系、外觀真實表現等;結構模型側重于從力學角度對建筑產品和建筑對象以及各對象之間的連接關系進行分析和計算,以便確定基本對象以及整個建筑的承載能力.

圖3 基本對象信息的不同表達Fig.3 Different representation of design components

圖3為開有門和窗的一段墻體,對于建筑模型來說,需要表達的信息有：①門或窗的寬度、高度、類型等信息;②墻的類型、寬度、高度、長度、面積、開洞的數量、洞口面積等.對于結構模型來說,需要表達的信息有墻截面的高度和寬度、墻材料類型、受力鋼筋和分布鋼筋的數量,墻梁布置方式、施工方法等.從這個實例可見,由于專業(yè)不同,所關注的信息也不同[8].

還如,對于建筑對象之間節(jié)點信息的表達,比如圖4的梁柱節(jié)點和梁板節(jié)點,在建筑模型中,梁和柱、板和梁是分開表達的不同對象,只是組合在一起而已,組合的方法等信息不重要;而在結構模型中,梁柱節(jié)點、梁板節(jié)點被視為共同承受不同方向荷載的協同工作區(qū),從而是一個整體單元[13,15].

盡管建筑模型和結構模型之間在信息表達上存在一定的差異,但結構模型的形成卻是建立在建筑模型基礎之上、從建筑模型演化而來的計算模型.通過集成建筑模型中的結構信息,使得結構設計師可以隨時訪問這些數據,從而形成結構分析模型.

圖4 節(jié)點信息的不同表達Fig.4 Different representation of nodes information

2.2 模型數據構建的反復

圖5表示各個設計階段的數據信息的傳輸和流動[16].建筑模型居于頂端的支配地位,由其產生的數據信息分別被結構設計、節(jié)能設計、水暖電等其他設計所繼承和提取;然后,節(jié)能設計、水暖電等其它設計階段又繼承和提取結構模型產生的數據信息,對建筑進行二次建模設計.整個建筑工程的設計過程就是這樣反反復復,直至達到設計要求.

圖5 模型數據傳輸的反復Fig.5 Repeated transmission of data model

3 建筑結構信息模型ASIM集成框架

3.1 ASIM上層模型流程設計

圖6對建筑結構信息模型ASIM(architectural and structural information model)上層模型(建筑和結構)建模流程進行了設計.通過基于DXF的建筑設計軟件(比如AutoCAD),或基于BIM 的建筑設計軟件(比如 Auto-desk的 Revit,Bentley的Archirecture,Graphisoft的ArchiCAD等),對建筑產品進行設計,并基于IFC標準數據模型格式表達建筑對象,不僅包含基本的繪圖信息,還應包含建筑對象的材料、造價等方面的信息,形成完整的建筑產品數據模型.

圖6 建筑和結構建模流程Fig.6 Flow of architectural and structural modeling

應用開發(fā)接口(模型信息轉換平臺)為模型轉換的中間環(huán)節(jié),通過程序語言(C++或FORTRAN)解析IFC標準的EXPRESS語言表達類,提取建筑基本對象(構件)信息以及對象之間拓撲關系信息,在PKPM圖形顯示平臺CFG上顯示提取的建筑對象,并形成結構模型;根據相關的結構設計軟件(比如AutoCAD或PMCAD)對提取的模型進行修改和荷載布置,并使用相關的結構分析軟件(SATWE,ABAQUS,SAP2000,ETABS等)在遵循結構規(guī)范的基礎上對結構模型進行分析、計算等設計工作;后續(xù)的模型數據庫用于存儲、更新和管理建筑結構設計階段的數據信息,并為下游的工作提取和利用.建筑產品模型和結構分析模型之間的聯系通道是雙向的,表明其間的工作是反復的和不斷更新的.

3.2 ASIM集成框架

結合上述建筑結構建模流程特點,對建筑結構信息模型ASIM集成框架體系進行構建,如圖7所示.縱向代表不同的設計階段,橫向代表不同的體系.設計階段主要分為建筑階段、結構階段、節(jié)能階段以及其他設計階段;體系主要有應用體系、模型體系、轉換體系、數據庫體系等四個層次,其中,應用體系為設計者使用相關軟件的操作層,建筑設計階段所形成的建筑模型和數據庫為體系的頂端資源,通過轉換平臺提取的建筑基本對象數據是其他工作階段的信息模型基礎.圖中的箭頭示意整個體系運轉的過程,各體系隨著工作階段的發(fā)展,信息不斷積累,且相互繼承,最終形成BIM設計階段子信息模型.

圖7 ASIM集成框架體系Fig.7 Integrated framework system of ASIM

ASIM是主要面向建筑設計和結構設計過程的BIM信息子模型,除了繼承一般BIM信息模型的特點,諸如建筑對象的參數化表達、建筑對象之間的關聯性、信息轉換的一致性等,還具有階段性、可擴展性、兼容性三個特征.階段性是指目前的功能僅可以實現建筑和結構設計階段的信息集成,未來的擴展將包含節(jié)能、設備等其他設計階段;可擴展性指通過模型信息轉換平臺提取形成PMCAD格式結構模型,并形成底層建筑基本數據信息,其他下游設計專業(yè)在PKPM平臺下可以提取所需信息,形成各自專業(yè)的數據模型(圖7箭頭方向),不再重復開發(fā)或構建與IFC格式建筑模型連接的單獨通道,并通過信息的不斷積累,整個ASIM框架可以擴展為覆蓋范圍更廣、涉及階段更長的基于BIM技術的信息子模型;兼容性是指ASIM的建立可以在建筑生命周期多個階段被應用和擴展,比如,其建立的建筑基本對象(構件)數據信息不僅包含對象的幾何信息,也包含對象之間的空間幾何拓撲關系、造價和材料信息等,可以為建筑節(jié)能設計、施工管理、運營維護各階段提取和應用.也就是說,基于ASIM框架的各階段子模型可以兼容并用.

4 ASIM信息轉換平臺

4.1 轉換平臺開發(fā)流程

在ASIM集成框架體系中,模型信息轉換平臺對于整個體系的順利運轉起著重要的作用.模型信息轉換平臺(或稱為數據信息應用開發(fā)接口)通過對建筑模型的底層建筑基本對象(梁、柱、板、墻、洞等)及其關系屬性信息的提取和映射,為其他過程模型的發(fā)展構建了底層數據信息.因此,開發(fā)一個高效的信息轉換平臺或軟件接口,對于ASIM各過程順利的運轉起著決定性的作用.

圖8為模型信息轉換平臺的開發(fā)流程.轉換平臺的開發(fā)思路是在Visual C++環(huán)境下,創(chuàng)建與IFC標準最新版本EXPRESS實體類相一致的包含結構荷載描述的100多個C++類,并為每一個類編寫Add()函數、轉換功能函數、Construct()函數等;在Visual Fortran環(huán)境下,編寫main()主函數,實現轉換平臺主程序的執(zhí)行功能[17].Add()函數作用是將IFC文件中的實例讀入到內存,并將IFC文件數據流中的字符解析為類所能理解的臨時參數.Construct()函數則是按照臨時參數的索引,提取內存中與對象相對應的地址,并分別賦予屬性值.

4.2 模型信息轉換實例

當前的模型信息轉換平臺是結合國內結構分析軟件PKPM系列的PMCAD結構建模軟件開發(fā)的,初步目標是實現IFC標準建筑模型與PMCAD結構模型的信息轉換.具體來說,可以實現兩方面信息的轉換：一是讀入IFC數據信息,形成PMCAD結構分析模型;二是讀出PMCAD的數據信息,形成IFC格式的工程文件.由于IFC數據模型描述的復雜性,其中第一方面信息的轉換為平臺開發(fā)的重點,主要分為四個過程：①識別并讀取IFC格式文件中梁、柱、斜桿、板、墻等基本對象信息以及墻上門、窗等洞口的幾何信息、三維空間位置坐標信息、材料信息等;②判斷梁、柱、斜桿、板、墻以及墻上的門窗等洞口樓層所屬關系的信息;③分析并判斷梁、柱、斜桿、板、墻以及墻上的門窗等洞口的連接關系;④對象之間的相交分析和節(jié)點歸并簡化處理.

圖9為由IFC標準官方網站提供的IFC Engine Viewer軟件打開的IFC格式的一棟小型結構建筑模型[18],圖10為由筆者開發(fā)的模型信息轉換平臺所提取的這棟小型建筑的結構信息模型.當前的轉換平臺可以順利提取規(guī)則建筑的梁、柱、板、墻、斜撐、洞口等基本對象(構件)的幾何信息、材料信息、截面信息、對象之間關系屬性信息,為結構設計階段提供基本的數據信息,未涉及荷載、不規(guī)則構件等信息的轉換.

圖9 IFC格式建筑模型Fig.9 IFC-format architectural model

圖10 提取的結構模型Fig.10 An extracted structural model

5 結語

通過分析建筑信息模型BIM技術的信息集成過程和特征,構建了一種面向工程設計階段的建筑結構信息模型ASIM體系.分別對ASIM體系的運轉流程和上層模型(建筑和結構)建模流程進行設計,通過開發(fā)的基于ASIM模型信息轉換平臺,轉換建筑結構設計模型,驗證了該體系的適用性,可以為基于BIM的協同設計和集成建筑工程軟件的開發(fā)提供技術支持.

[1] Smith Deke.An introduction to building information modeling[J].Journal of Building Information Modeling,2007,1(1)：12.

[2] 劉照球,李云貴.建筑信息模型的發(fā)展及其在設計中的應用[J].建筑科學,2009,25(1)：96.

LIU Zhaoqiu,LI Yungui.T he development of BIM and its application in design of project[J].Building Science,2009,25(1)：96.

[3] 張建平,張洋,張新.基于IFC的 BIM及其數據集成平臺研究[C/CD]∥唐錦春.第十四屆全國工程設計計算機應用學術會議論文集.北京：中國建材工業(yè)出版社,2008：227-232.

ZHANG Jianping,ZHANG Yang,ZHANG Xin.Study on BIM and its data integrated platform based on IFC[C/CD]∥TANG Jinchun.T he 14th national conference fo r computer application in engineering design field.Beijing：China Building Material Industry Publishing House,2008：227-232.

[4] LI Yungui,LIU Zhaoqiu,QIU Kuining.Studieson IFC standard and itsapplication in China[C/CD]∥World EngineeringConvention 2008.Brasilia：[s.n.],2008：434-443.

[5] Yusuf Arayici,Vian Ahmed,Ghassan Aouad.A requirements engineering framework for integrated sy stems development for the construction industry[J].Journal of Information Technology in Construction(IT con),2006,11(3)：35.

[6] A rayici Y,Aouad G.Divercity：distributed virtual workspace for enhancing communication and collaboration within the construction industry[C/CD]∥European Conferenceon Product and Process Modelling in the Building and Construction Industry(ECPPM).Istanbul：[s.n.],2004：415-422.

[7] Faraj I,Alsh M,Aouad G,et al.An industry foundation classes web-based collaborative construction computer environment：WISPER[J].Automation in Construction,2000,10,(1)：79.

[8] Lee Keunhyong,Chin Sangy oon,Kim Jaejun.A Core system for design information management using industry foundation classes[J].Computer-aided Civil and Infrastructure Engineering,2003,18(4)：286.

[9] Serror M Hassanien,Inoue Junya,Adachi Yoshinobu,et al.Shared computer-aided structural design model for construction industry(infrastructure)[J].Computer-aided Desig n,2008,40(7)：778.

[10] 鄧雪原,張之勇,劉西拉.基于IFC標準的建筑結構模型的自動生成[J].土木工程學報,2007,40(2)：6.

DENG Xueyuan,CHANG Tseyung,LIU Xila.Automatic generation of structural model from IFC-based architectural model[J].China Civil Engineering Journal,2007,40(2)：6.

[11] 張建平,胡振中.基于4D技術的施工期建筑結構安全分析研究[J].工程力學,2008,25(增刊Ⅱ)：204.

ZHANG Jianping,HU Zhenzhong.4D technology-based safety analysis ofstructure during construction[J].Engineering Mechanics,2008,25(Sup.Ⅱ)：204.

[12] HU Zhenzhong,ZHANG Jianping,DENG Ziyin.Construction process simulation and safety analysis based on building information model and 4D technology[J].Tsinghua Science and Technology,2008,13(S1)：266.

[13] Weise Matthias,Katranuschkov Peter,Liebich Thomas,et al.Structural analysis ex tension of the IFC modeling framework[J].Journal of Information Technology in Construction(IT con),2003,8,(14)：181.

[14] AIA/AIA CC.Integrated project delivery：a guide(Version 1)[R].Sacramento：AIA National/AIA California Council,2007：20.

[15] 劉照球,李云貴.建筑結構信息模型的研究[C/CD]∥唐錦春.第十四屆全國工程設計計算機應用學術會議論文集.北京：中國建材工業(yè)出版社,2008：219-226.

LIU Zhaoqiu,LI Yungui.Study on architectural and structural information model[C/CD]∥T hefourteenthnational conference for computer application in engineering design field(Hangzhou,China).Beijing：China Building Material Industry Publishing House,2008：219-226.

[16] 周玉石.結構設計的虛擬原型技術與應用研究[D].上海：同濟大學土木工程學院,2007.

ZHO U Yushi.T he virtual prototy ping on building structure design and its application[D].Shanghai：Tongji Unversity,College of Civil Engineering,2007.

[17] 劉照球,李云貴,呂西林,等.建筑結構信息集成的程序實現[J].沈陽建筑大學學報：自然科學版,2009,25(3)：467.

LIU Zhaoqiu,LI Yungui,LU Xilin,et al.Program realization for integrated information in architectural and structural design field[J].Journal of Shengyang Jianzhu University：Natural Science,2009,25(3)：467.

[18] Miedema Henk,Schmidt Dick,Bracht Mart Van,et al.IFC engine viewer[EB/O L]∥T NO BuiltEnvironmentand Geosciences,the Netherlands.[2009-09-10].http：∥www.ifcbrowser.com/