楊黨輝 蘇 原 孫 明

(1.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢430074;2.武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會設(shè)計處，武漢430050)

1 引言

BIM技術(shù)的基礎(chǔ)是建筑全壽命周期過程中的信息共享和轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)設(shè)計作為建筑物設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用成熟度對信息共享的實現(xiàn)有著重要的影響。與BIM技術(shù)在建筑設(shè)計中相對成熟的應(yīng)用相比[1]，結(jié)構(gòu)設(shè)計中的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析與配筋設(shè)計帶來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等問題極大的影響了BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用與推廣。

BIM技術(shù)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一般包含三種形式:直接轉(zhuǎn)換、中間文件轉(zhuǎn)換、公共轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。目前，Revit Structure與結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件之間多以中間文件和公共轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)IFC實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[2]指出，Revit物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型的鏈接障礙是數(shù)據(jù)交換的難點之一，要實現(xiàn)“無縫”數(shù)據(jù)交換，需要有成熟的交換標(biāo)準(zhǔn)或數(shù)據(jù)接口。文獻(xiàn)[3～5]分析了IFC標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的開發(fā)工作及相關(guān)評估，認(rèn)為在理論上，IFC標(biāo)準(zhǔn)基本滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)據(jù)需求。但實際應(yīng)用中，在不同的軟件間進(jìn)行IFC文件互相交換時，各大軟件商都使用自己的數(shù)據(jù)庫與其顯示平臺進(jìn)行對接，由于數(shù)據(jù)庫并未按照IFC標(biāo)準(zhǔn)的格式構(gòu)建，不可避免的出現(xiàn)IFC文件輸入、輸出時造成信息缺失與錯誤等結(jié)果;基于IFC的數(shù)據(jù)交換在真正運用于工程實踐之前，尚需要進(jìn)一步的發(fā)展[6～11]。

筆者認(rèn)為，一個良好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，應(yīng)滿足以下三點:①轉(zhuǎn)換過程的公開透明性，包括轉(zhuǎn)換內(nèi)容的可選擇性和轉(zhuǎn)換過程的錯誤、警告等信息的記錄;②轉(zhuǎn)換結(jié)果的可利用性，轉(zhuǎn)換后的模型不僅要與原模型幾何尺寸上吻合，而且構(gòu)件的內(nèi)在屬性應(yīng)滿足下一步分析的要求;③轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)(接口)的穩(wěn)定性，不應(yīng)出現(xiàn)因轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)丟失或其它原因?qū)е罗D(zhuǎn)換出現(xiàn)中斷。

因此，本文將在對不同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法測試的基礎(chǔ)上，總結(jié)各接口(標(biāo)準(zhǔn))的成熟度和可行性，提出相應(yīng)的解決方案。

2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換測試

目前，基于Revit Structure的BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的數(shù)據(jù)交換主要通過三種方式進(jìn)行:一是采用IFC標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)各軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞和更新;二是基于Revit API二次開發(fā)，以插件的形式顯示在Revit面板上;三是其他形式的交換，如基于中間文件Excel的數(shù)據(jù)交換。

2.1 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換

IFC標(biāo)準(zhǔn)的最新版本是在2012年發(fā)布的IFC4版本，然而，軟件開發(fā)商支持的版本主要為2009年發(fā)布的 IFC2×3版本[12]。IFC2×3可有效地支持梁、柱、板、墻以及鋼筋等構(gòu)件或圖元的交換，其支持的截面類型主要為圓形、圓環(huán)形、工字形、L形、矩形、箱形、T 形以及組合截面[12]。

通過IFC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，好處是與BIM軟件無關(guān)，因為該標(biāo)準(zhǔn)是公開的建筑工程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可用于異構(gòu)系統(tǒng)交換和共享數(shù)據(jù)[13]。因此，理論上不管是用什么BIM軟件建立的模型，導(dǎo)出來的IFC數(shù)據(jù)都是標(biāo)準(zhǔn)的，所以只要做好一個讀取IFC數(shù)據(jù)的模塊就可以讀取識別各種不同BIM軟件建立的模型。但是，由于不同的軟件采用不同的數(shù)據(jù)庫與顯示平臺，在與IFC標(biāo)準(zhǔn)的對接上存在各自的差異。

目前，已有數(shù)十多種軟件通過IFC標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織buildingSMART的認(rèn)證，其中針對結(jié)構(gòu)工程專業(yè)的主要有Revit Structure、Tekla Structures、SDS/2 等。國內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件中，SAP2000、ETABS同時支持IFC文件的導(dǎo)入和導(dǎo)出，midas gen、3D3S支持IFC文件的導(dǎo)出?？紤]到3D3S在導(dǎo)出IFC文件時，軟件易出現(xiàn)錯誤性中斷，該測試采用的軟件為 Revit Structure(2013)、SAP2000(V16)、ETABS(2013)、midas gen(2013)、Solibri Model Viewer(V8.1)等。其中，Solibri Model Viewer為 IFC模型查看器，是為了檢查IFC文件的可讀性和模型以IFC格式導(dǎo)出時，數(shù)據(jù)是否丟失或出現(xiàn)錯誤，以便進(jìn)行模型之間的對比。

測試思路為將Revit、SAP2000、ETABS以及midas gen四種軟件中的結(jié)構(gòu)模型以IFC2×3版本導(dǎo)出，生成IFC模型，然后將該IFC模型導(dǎo)入到Solibri模型查看器，對比導(dǎo)出前后模型的異同;然后將各IFC模型導(dǎo)入到Revit后，比較導(dǎo)入前后的異同。為了體現(xiàn)測試模型結(jié)構(gòu)體系的多樣性，采用的模型如下:4層框架結(jié)構(gòu)(圖1(a))，8層框剪結(jié)構(gòu)(圖1(b))，簡單空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)(圖1(c))，復(fù)雜空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(圖1(d))，復(fù)雜空間框架結(jié)構(gòu)(圖1(e))和框架-核心筒結(jié)構(gòu)(圖1(f))。測試的截面類型包括矩形、圓形、T形、工字形、圓環(huán)形、工形勁型鋼混凝土等結(jié)構(gòu)設(shè)計中常用的截面類型。轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)分析模型見圖2。

經(jīng)過多次測試，發(fā)現(xiàn)目前基于IFC的數(shù)據(jù)交換現(xiàn)狀如下:1)同一個模型，采用不用的軟件導(dǎo)出，在Solibri模型查看器中結(jié)果存在差別，主要表現(xiàn)為:midas gen默認(rèn)梁構(gòu)件的側(cè)向中心線與該層標(biāo)高對齊，即使在建模時通過調(diào)整使梁構(gòu)件的側(cè)向頂部與層標(biāo)高對齊，當(dāng)將其以IFC格式導(dǎo)出時，IFC模型中梁構(gòu)件的側(cè)面頂部標(biāo)高恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)，忽略了調(diào)整，同時，其IFC導(dǎo)出接口將空心構(gòu)件映射為實心構(gòu)件;SAP2000和ETABS的IFC導(dǎo)出接口會將模型中截面自定義構(gòu)件(如組合構(gòu)件)丟棄，不予導(dǎo)出;2)IFC模型與導(dǎo)入Revit后生成的結(jié)構(gòu)物理模型，兩者基本保持一致，但在Revit中基本未形成結(jié)構(gòu)分析模型(僅原始模型采用Revit建模的模型，其剪力墻構(gòu)件有結(jié)構(gòu)分析模型)。其中物理模型指結(jié)構(gòu)三維實體模型，分析模型指結(jié)構(gòu)分析模型，為點、線、面模型。在Revit中，采用三維實體建模，形成的模型為物理模型，結(jié)構(gòu)分析模型依賴于物理模型;在結(jié)構(gòu)分析軟件中，首先建立的是結(jié)構(gòu)分析模型，而相對應(yīng)的物理模型是將分析模型三維拉伸、實體化后形成的模型;3)導(dǎo)入Revit后模型的構(gòu)件屬性定義改變(指原始模型采用Revit建模)或紊亂(指原始模型采用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件建模)，尤其是作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的固有屬性丟失、改變或紊亂，如混凝土構(gòu)件屬性中的“保護(hù)層厚度”項丟失或出現(xiàn)“栓釘數(shù)”等鋼構(gòu)件特有的屬性，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件交換成了不具備結(jié)構(gòu)分析功能的構(gòu)件;4)導(dǎo)入Revit后構(gòu)件的類型、族類型及屬性定義的改變，包括部分構(gòu)件由實體模型(SolidModel)變?yōu)楸砻婺Ｐ?SurfaceModel)，由可載入族變?yōu)閮?nèi)建族以及族類型參數(shù)中的尺寸驅(qū)動參數(shù)丟失，即由參數(shù)化構(gòu)件變?yōu)榉菂?shù)化構(gòu)件。其中可載入族為參數(shù)化定義族，內(nèi)建族不具備參數(shù)化編輯功能，只能在原位進(jìn)行拉伸和縮放。

這些問題導(dǎo)致的結(jié)果如下:導(dǎo)入Revit后的模型由于存在大量的內(nèi)建族構(gòu)件，可編輯性差，模型難以利用;導(dǎo)入后的模型基本無結(jié)構(gòu)分析模型，難以導(dǎo)入結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中重復(fù)利用;部分構(gòu)件由實體模型轉(zhuǎn)為表面模型，不能進(jìn)行實體配筋，鋼筋工程量統(tǒng)計以及施工模擬受到限制。

對上述現(xiàn)象進(jìn)行分析，其主要原因為:1)部分軟件廠商的IFC交換接口的功能不完善，存在模型導(dǎo)出時，構(gòu)件丟失或截面映射錯誤的現(xiàn)象;2)各軟件廠商IFC交換接口的構(gòu)件映射方式不同:midas gen將圓形(含圓環(huán)形)構(gòu)件的幾何形狀以GeometricSet(點、線、面集合)的方式導(dǎo)出，其結(jié)果如圖3(a)所示;其余軟件以實體模型的方式導(dǎo)出，結(jié)果如圖3(b)所示;Revit Structure將框架結(jié)構(gòu)模型以及框剪結(jié)構(gòu)模型四角的柱以表面模型的方式導(dǎo)出，如圖3(c)所示，而其余軟件將相應(yīng)位置的構(gòu)件以實體模型的方式導(dǎo)出，如圖3(d)所示;3)各軟件之間、各軟件與IFC標(biāo)準(zhǔn)之間對構(gòu)件的屬性定義方式不同:IFC以ifcGUID(全球唯一標(biāo)識碼)對構(gòu)件進(jìn)行區(qū)分和追蹤管理，Revit以族的方式對構(gòu)件分類、定義，結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件多以截面類型對構(gòu)件區(qū)分，各方在構(gòu)件屬性上定義的不完全匹配導(dǎo)致了交換前后的構(gòu)件實例屬性和類型屬性的改變或紊亂;結(jié)構(gòu)分析模型作為Revit物理模型的一個實例屬性，其產(chǎn)生嚴(yán)格依賴于物理模型中構(gòu)件屬性項定義是否正確，而采用IFC交換引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件屬性定義的改變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失了特定的“結(jié)構(gòu)”屬性，從而無法形成結(jié)構(gòu)分析模型。

2.2 基于Revit API的二次開發(fā)

目前，基于Revit API二次開發(fā)的數(shù)據(jù)交換接口有以下系列:1)實現(xiàn)Revit和PKPM數(shù)據(jù)交換的Rstar CAD、P-Trans接口;2)實現(xiàn)Revit和SAP2000/ETABS之間的CSIXRevit;3)實現(xiàn)盈建科和Revit之間的YJK-Revit交換接口;4)實現(xiàn)Revit與STAAD、midas GEN等軟件之間的交換接口。

各交換接口的簡單介紹如表1所示。交換主要分兩種情況:1)僅交換分析模型:將Revit中的結(jié)構(gòu)分析模型轉(zhuǎn)入到結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中時，首先要在Revit中調(diào)整分析模型，實現(xiàn)板、梁、柱、墻等構(gòu)件之間準(zhǔn)確的約束關(guān)系，然后將該模型導(dǎo)入分析軟件，形成結(jié)構(gòu)分析模型，與Revit中物理模型相比，分析軟件中的物理模型忽略了梁柱的軸線偏心等情況，因此在分析時，忽略了梁上荷載對柱產(chǎn)生的偏心彎矩等情況，分析結(jié)果存在一定的偏差;2)交換物理模型的同時交換分析模型，與上一種情況對比，此種交換不存在簡化情況，既能保證交換的模型可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，又可以解決梁柱偏心引起的問題，保證結(jié)構(gòu)計算的精度。

交換采用的模型與2.1節(jié)相同。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)相對比較成熟的接口軟件為YJK和ETABS，其測試結(jié)果如表2所示。

表1 數(shù)據(jù)交換接口介紹

表2 Revit API 結(jié)構(gòu)模型測試結(jié)果

2.3 基于EXCEL的轉(zhuǎn)換

目前，支持 Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)出的常用軟件有3D3S、SAP2000、ETABS、midas Gen 等。由于 Revit中構(gòu)件沒有明確的空間三維坐標(biāo)，因此目前的轉(zhuǎn)換是將設(shè)計軟件的模型導(dǎo)入到Revit中，轉(zhuǎn)換過程為:將設(shè)計軟件中結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出為Excel文件格式，經(jīng)過處理，實現(xiàn)各構(gòu)件編號、節(jié)點號、節(jié)點坐標(biāo)、截面類型、材質(zhì)信息等一一對應(yīng)，并將其進(jìn)一步整理成Revit擴(kuò)展插件可以識別的格式，然后利用基于Excel的模型生成器加載Excel文件。

2.4 轉(zhuǎn)換方法的對比分析

轉(zhuǎn)換原理:采用IFC標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換是模型全部信息的轉(zhuǎn)換，包括幾何信息(空間位置、長度、節(jié)點約束、框架桿端彎矩釋放等)，荷載信息(荷載方向、類型、組合等)，材料信息(材料種類、自重等)以及截面信息(回轉(zhuǎn)半徑、截面類型等)，可以保證信息在流動過程中的一致性;Revit API和Excel轉(zhuǎn)換一般基于截面類型的匹配，構(gòu)件空間位置、截面類型可以得到有效的保證，框架桿端彎矩釋放信息一般不會傳遞，其它信息會因接口的不同而受到不同程度的限制。

轉(zhuǎn)換結(jié)果:由于不同軟件對構(gòu)件屬性定義方式不同，IFC的轉(zhuǎn)換結(jié)果存在諸多問題，僅支持結(jié)構(gòu)物理模型的轉(zhuǎn)換，后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析或?qū)嶓w配筋受到限制;與IFC交換相比，Revit API和Excel交換以截面類型匹配為原則，避免了不同軟件對構(gòu)件屬性定義方式不同帶來的問題，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析軟件中構(gòu)件類型與Revit族類型之間的一一匹配，其好處在于交換結(jié)果可以用來做結(jié)構(gòu)分析設(shè)計或?qū)嶓w配筋等，但Revit API存在接口的穩(wěn)定性不能得到保證、容易出現(xiàn)錯誤性中斷等問題，且兩者的交換均受到包括接口局限性引起的截面類型的限制以及不規(guī)則構(gòu)件無法交換等問題的限制。

3 解決方案

根據(jù)前文探討，在實際應(yīng)用可采用Revit API接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其思路如下:對于混凝土結(jié)構(gòu)，考慮到構(gòu)件水平偏心是混凝土結(jié)構(gòu)最常見的情況，因此支持物理模型的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)接口是優(yōu)先選擇，其解決思路如圖5(a)所示，其中箭頭指向表示數(shù)據(jù)的傳遞方向;對于如網(wǎng)架、網(wǎng)殼形式的空間鋼結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件偏心較少，考慮到3D3S在空間結(jié)構(gòu)建模上的優(yōu)勢和ETABS對鋼構(gòu)件截面數(shù)據(jù)庫的支持，其解決思路如圖5(b)所示。

4 總結(jié)與建議

(1)BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題主要是不同軟件之間數(shù)據(jù)交換時出現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯誤、丟失以及結(jié)構(gòu)三維物理模型向分析模型簡化的問題;

(2)實際運用方面，混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)交換，建議使用YJK;空間網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，建議使用ETABS;對于復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)，亦可采用3D3S建模分析，然后將模型導(dǎo)入到Revit中;

(3)IFC標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)交換上的成熟運用，須解決三個問題:軟件自身對結(jié)構(gòu)設(shè)計所需IFC數(shù)據(jù)的成熟支持;IFC標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)物理模型、分析模型交換的模型簡化、節(jié)點處理等問題;IFC標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果(內(nèi)力、變形、配筋等信息)的數(shù)據(jù)支持與傳遞;

(4)基于Revit API的交換應(yīng)保證物理模型和分析模型同時轉(zhuǎn)換，確保結(jié)構(gòu)分析的精確度。

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