摘要: 为研发我国具有自主知识产权的高层钢结构建筑信息模型 (B I M )软件并全面应用 B I M ,选用 O b ject ARX技术在 A u toCAD平台上进行二次开发.建立高层钢结构 B I M 软件,实现了 B I M与高层钢结构结构工程各个阶段的数据接口,并在上海中心项目中应用该软件系统.软件实现高层钢结构有限元计算、 规范校核等功能,并可以读入相关有限元软件的计算模型,基于设计结果完成 B I M 的三维实体的数字拼装技术;组织节点数据结构,完成复杂钢节点的参数化造型和编辑技术;实现基于 B I M 的结构材料信息等的建筑工程数据管理,以及 B I M 与施工图、 加工图的实时、 一致性关联.上海中心项目应用说明,该 B I M 软件实现了建筑信息模型的理念,将对我国建筑业信息化进程起到推动作用.

关键词: 建筑信息模型;高层钢结构;上海中心;计算机辅助设计

高层钢结构是建筑工程中重要的结构形式.高层钢结构信息化进程中主要存在的问题为大量的项目信息存储在高层钢结构生命周期各个阶段的信息产生与提供者自己的信息系统中;由于各个阶段分别使用各自的“ 模型 ” 而导致的“ 信息孤岛 ” 现象已经成为高层钢结构生产效率提升的障碍.目前,建筑业针对上述问题提出的解决方案是建筑信息模型 ( build ing inform a tion m ode ling, B I M ). B I M 的思想是基于三维实体数据库,实现建筑生命周期各种相关信息的集成. 由于信息量庞大,一个包含所有建筑、 结构、 水暖电行业统一的建筑信息模型暂时不可能实现.本文依托 B I M 思想,建立高层钢结构结构工程领域 B I M 解决方案的系统模型,研究钢结构 B I M 三维可视化信息、 分析信息、 施工图与加工图信息等工程信息的集成技术,研发实现集成上述工程信息的高层钢结构 B I M 软件.

目前,建筑信息模型 (B I M )方面的文献绝大部分为对 B I M 的综述性文章. 对于 B I M 软件技术与架构,文献介绍了 B I M 概念以及 B I M 软件应具有的共性;文献从结构工程领域的视角讨论了 B I M的现状,提出了结构 B I M 应具有的一些重要特点.

国际上 B I M 软件主要有 Rev it及 B ente ly等,这些软件处于刚刚起步阶段. B I M 在建筑专业中的应用相对较多,而在结构工程领域的研发与应用非常有限,结构 B I M 作为建筑全寿命周期的一个阶段,对建筑工程信息化的影响极其重要.文献介绍了 Revit系列的 B I M 软件 Revit S tructu re对结构 B I M 流程的架构与部分关键技术,认为结构 B I M 理念与传统的结构专业领域设计的本质区别为是否应用惟一的信息模型.国内对 B I M 软件的研究均为 B I M 综述以及概念性文章,讨论的热点在于 B I M 软件应具有的共性与特点,以及 B I M 对建筑工程信息化具有的影响.

选用 Object ARX技术在 AutoCAD平台上进行二次开发,建立高层钢结构结构工程领域的 B I M 软件,即高层钢结构设计信息模型软件,实现了 B I M 与高层钢结构结构工程各个阶段的数据接口,并在上海中心项目中应用该软件系统.软件实现高层钢结构有限元计算和规范校核等功能,并可读入相关的有限元软件计算模型,基于设计结果完成 B I M 实体模型的数字拼装技术;组织节点数据结构,完成复杂钢节点的参数化造型和编辑技术;实现基于 B I M 的结构材料信息等建筑工程数据管理,以及 B I M 与施工图、 加工图的实时、 一致性关联.
 

2　 高层钢结构设计信息模型软件系统的技术与架构

2 . 1　 结构 B I M 的工程数据核心

B I M 技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库.高层钢结构设计信息模型的三维实体的数字拼装技术包括 3D建模技术以及 3D实体计算技术,首先 B I M 的数据应是可运算的系统,能像人脑一样知晓各构件之间空间关系;其次要用大规模布尔算法.

从面向对象的思想出发,所有的结构部件都以对象的方法来表达.实体模型由杆件与连接节点这 2类对象组成.由可以进行三维布尔运算的 O b jec t ARX提供的 A cD b3dSolid类派生出抽象的杆件类 B ar ,再以该类作为基类,派生出具有不同功能的结构对象 — — — 梁、 柱、 支撑等,如图 2 ( a)所示.每一种连接节点可以拆分成多个基本连接,如当 H形钢梁与 H形钢柱连接时,可以拆分为梁的上翼缘、 腹板和下翼缘 3个基本连接.基本连接的派生关系如图 2 ( b)所示.每个基本连接由若干个零件组成,以抽象对象作为基类派生出各种连接件对象 — — — 板件、 螺栓、 锚栓和焊缝等,如图 2 ( c)所示.

2 . 2　 结构有限元计算、 结构设计与 B I M 接口

2 . 2 . 1　 软件的结构分析以及规范校核功能

高层钢结构 B I M 软件提供高层钢结构完整的建模、 计算和设计功能,包括线性与非线性有限元分析以及结构的地震周期振型分析,满足结构全寿命周期的有限元建模及计算需求.图 3为上海中心有限元模型.软件系统嵌套了与钢结构相关的国家规范以及部分地方规程,实现了构件的验算、 校核和优选等功能,并将最终结果信息保存并提供给建筑信息模型.

2 . 4　B I M 钢节点实体模型的参数化造型与编辑技术

建筑信息模型的核心技术是参数化建模.由于使用参数化技术的实体模型,复杂的钢结构节点具有在真实世界的行为和属性,则参数化模型“ 知道 ” 所有构件的特征及其之间的相互作用规则,因此对模型操作时会保持构件在真实世界的相互关系.

结构 B I M 解决方案软件系统采用分解、 分层、 组合的方法来组织节点的三维实体数据结构.节点是钢结构中构造最复杂的部分.基于 B I M 理念的高层钢结构参数化软件系统,能够完全反应钢结构节点零件的空间位置,为建筑施工提供数字化的真实节点,方便了施工前的预观察.同时,还具有全自动交互式的设计、 校核以及编辑的特点,图 7为上海中心某梁柱节点参数化编辑图.软件系统节点三维模型的造型与装配流程如图 8所示.