基于IFC 标准的建筑结构模型的自动生成Pyn中国BIM门户 - ChinaBIM.com
邓雪原 张之勇 刘西拉Pyn中国BIM门户 - ChinaBIM.com
( 上海交通大学, 上海200030)
摘要: 当前, 在各种商业软件盛行的环境下, 设计单位最紧迫的问题是要解决本单位各专业之间的信息交互, 而在这些信息交互中, 建筑与结构专业的信息交互最为急需。针对这一需要, 本文介绍了现今国际上建筑信息模型的数据共享与交换的IFC 标准, 分析了建筑模型与结构模型信息的组成与特点, 研究了通用建筑结构有限元模型的表达方法, 建立以IFC 标准为基础, 通过建筑模型自动生成符合多种结构分析与设计软件的结构模型的基本方法。通过实例验证本研究方法的实用性与可行性, 结果表明本方法为各种设计软件间信息的共享与交换提供了一种通用解决方案, 为企业内部实现建筑设计集成化提供了技术保障。最后, 文章讨论了该研究方向中基于IFC 标准的建筑模型的结构构件偏心、节点连接、荷载处理等方面的问题和后续研究方向。Pyn中国BIM门户 - ChinaBIM.com
关键词: 计算机辅助建筑设计; 建筑结构模型; 集成化建筑设计; 有限元模型; 数据交换; IFC 标准
应用计算机辅助建筑设计( CAAD) , 解决建筑设计过程中的建模、空间表达、数据计算、优化分析、工程制图等, 提高工作效率, 给建筑业带来了巨大的经济效益。市场上出现了大量的建筑绘图软件( AutoCAD、天正、理正等) 、结构分析与设计软件( PKPM、ETABS、SAP2000、STAAD 等) 、给水排水、暖通空调及工程概预算等软件。由于这些应用软件都是针对设计过程中的某一阶段或某一专业独立研制的, 尽管各应用软件都基于同一个建筑模型, 却因为缺乏共同的数据标准, 而不能交换与共享数据模型,成为建筑工程集成化设计技术发展的瓶颈。集成化建筑设计系统( Integrated Building Design System, 以下简称为IBDS) 曾经在20 世纪80～90 年代是计算机辅助建筑设计领域一个十分活跃的课题。为了克服在结构设计、施工中大量数据交换的低效率和部门之间的分隔, 美国斯坦福( Stanford) 大学从1988 年开始进行的CIFE 计划是一个突出的代表[1]。他们当时准备投资2.5 亿美元、历时10 年建成一个将设计、工艺和施工联成整体的集成工程[2-3]。我国有学者于1995 年详细介绍了IBDS 的背景和相关的概念, 讨论了实施IBDS 的相关技术, 并指出了发展我国IBDS 的重要性及研究中应注意的问题[4]。然而在这之后的7、8 年间, 我国IBDS 的发展却鲜有报道。近几年我国有关应用各种计算机新技术进行建筑业协同、集成化设计的探讨又逐渐多了起来[5-7], 不过在这方面更深入的研究依然少有报道。
以建筑设计中最重要的建筑与结构专业为例, 建筑师构造建筑模型后, 应用AutoCAD、天正、或理正等应用软件, 通过图纸将设计意图传递给结构工程师。结构工程师在理解建筑师的设计意图后, 应用PKPM、或ETABS 等结构分析与设计软件输入结构模型, 进行结构初步分析与设计,然后用AutoCAD 软件通过图纸将修改后的设计意图传递给建筑师。这样的设计过程往往要经历好几个、甚至十几个来回, 需要建筑师与结构工程师多次重复劳动。如何将建筑师构造的建筑模型自动转换成结构工程师的结构模型是建筑结构集成化设计的重要一步。有些研究者曾试图通过提取DWG 或DXF 图形来生成结构模型, 但却因为DWG 或DXF 文件描述中的线性对象不含有杆件截面属性和材料特性等参数而无实质进展。APM软件是少数表明能实现上述建筑结构集成化设计的平台之一, 遗憾的是APM软件系列的数据无法与其他建筑行业软件进行数据交换与
共享。
工业基础分类( Industry Foundation Classes, 以下简称IFC 标准) [8] 是现今国际上建筑业正广泛关注且接受的产品数据交换与共享的标准。国际上虽然有一些学者[9-12]正在尝试应用IFC 标准进行建筑与结构工程师协同设计的研究工作, 但却缺乏将建筑师的建筑模型与任意结构分析软件所需要的结构模型相联系的解决方案。本文的目的就是介绍如何以IFC 标准为基础, 将建筑师构造的符合IFC 标准的建筑模型自动转换生成任意结构分析与设计软件的结构模型。
1 IFC 标准
1.1 IFC 标准的形成
近几年来, 我国的一些学者对IFC 标准作了一些介绍[13-15]。IFC 标准是由国际协作联盟( InternationalAlliance for Interoperability, 以下简称IAI 组织) 集中了包括美国、英国、德国、法国、芬兰、瑞典、挪威、新加坡、日本、韩国、澳大利亚等多个国家的研究人员共同研究制定的关于建筑、工程、施工与设备管理( 以下简称AEC/FM) 各种专业应用软件在共享建筑模型的前提下进行数据交换的标准。图1 显示了在IFC 标准产生前后, 建筑业各专业软件之间数据交换与共享模式的转变。由于获得建筑业各专业人士的广泛支持, IFC 标准现已被国际标准组织( International Standards Organization, 以下简称ISO)正式认可成为国际标准, 其标准号为ISO/PAS16739。国际建筑业最著名的三大计算机辅助设计软件商Autodesk 公司、Bentley 公司和Graphisoft 公司分别推出了其支持IFC 标准的新一代建筑模型设计软件Architectural Desktop( ADT) 、Microstation TriForma 和ArchiCAD v9.0。这些支持IFC 标准的新型建筑模型不仅表达了空间的三维建筑实体, 而且还记录了各建筑实体所包含的材料、截面、体量等各种特性, 甚至还包括了各建筑实体之间的各种连接与包含的关系。
1.2 IFC 标准的内容
IFC 标准采用Express 语言[16]作为数据描述, 定义所有用到的数据。Express 语言是ISO 10303工业自动化系统与集成———产品数据表达与交换的一部分, 它是一种面向对象的、规范化的数据描述语言。符合IFC 标准的建筑模型的物理文件格式通常参考ISO 10303 Part 21 所表达的中性文件格式[17]。
IFC 标准的结构层次如图2 所示。
从下到上可分为: a) 资源层, 描述标准中可能用到的基本信息, 作为信息描述的基础应用于整个建筑信息模型; b) 核心层, 描述建筑工程信息的整体框架, 将信息资源层的内容用一个整体框架组织起来, 使其相互联系和连接, 组成一个整体, 真实反映现实世界的结构; c) 共享协作层, 描述各专业领域信息交互的问题, 在这个层次上, 各个系统的组成元素细化; d) 专业领域层, 描述各个专业领域的专门信息, 如建筑学、结构构件、结构分析、给水排水、暖通、电气、施工管理和设备管理等。IFC 标准的所有结构层次又可以细分成为多个独立的子模块, 如图3 所示。
2 基于IFC 标准的建筑模型的表达
在建筑设计的初步设计阶段, 建筑师将满足所有使用功能的设计方案构造成为建筑模型。在IFC 标准的基础上, 建筑师所使用的建筑软件首先要支持IFC标准, 如Autodesk 公司生产的ADT 软件。在建筑师完成建筑模型的初步方案后, 需将相应的建筑模型存成符合IFC 标准的IFC 文件。事实上, 这个IFC 文件就是一个完整的建筑信息模型, 它不同于目前工程中常用的二维的平面图, 它包含了这个建筑模型中的所有相关信息, 如几何信息、截面信息、材料信息、以及各构件间的相关信息, 它实际上是一个虚拟的三维建筑实体模型。通过这个建筑模型, 任何支持IFC 标准的应用软件就可以查找和提取相关的信息。
图4 显示了在IFC 标准中, 基于楼层管理的建筑模型表达方法。可以看到一个IFC 文件表达的建筑模型通常对应于实际工程中的一个项目; 这个项目会有一个相关的施工现场; 而这个施工现场与其相关的建筑相连; 各个建筑与其相关的楼层相连; 而所有的楼层与其相关的建筑构件相连。图5 给出了当前IFC标准所支持的所有建筑构件, 如墙、板、梁、柱、门、窗, 等等, 所有这些建筑构件的几何、材料、属性、及其相互之间关系的信息都包含在这个IFC 文件表达的建筑模型中。只要掌握了基于IFC 标准的建筑模型的表达方法, 就可以应用支持IFC 标准的应用软件来实现信息交换与共享。
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