| 基于IFC 标准的建筑结构模型的自动生成(二) | ||
| 来源：土木工程学报; 作者：邓雪原; 发布时间：2010-06-24; 本文点击量： | ||
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基于IFC 标准的建筑结构模型的自动生成 3 基于XML 的通用结构有限元模型的一般表达
结构工程师依据建筑师所提供的建筑模型, 建立安全可靠的结构模型进行结构分析与设计是结构设计中的一个重要环节。当前任何一个结构设计单位都有两种或更多的结构分析软件, 如PKPM、ETABS、SAP2000、STAADPro 等。在结构模型中, 所有的结构构件的几何信息, 如墙、板、梁、柱的几何定位必须以建筑设计为依据, 大多数情况下, 结构构件的截面尺寸应满足建筑设计的功能要求, 尽可能与建筑设计保持一致。通过上节介绍的从建筑模型中输出的IFC 文件模型, 可以提取相应的结构构件, 如墙、板、梁、柱等, 及其相关的几何信息、截面信息、材料信息, 然后组合形成结构分析与设计所需要的结构模型。
 各种结构分析与设计软件内部都有各自的数据结构, 这些数据结构通常是不相同的, 然而所有的结构分析与设计软件都是基于有限元分析原理, 所以这些结构分析与设计软件的数据结构又是相似的。通过定义一种通用建筑结构有限元模型的一般表达方法, 如图6 所示, 一方面可以实现从建筑模型中输出的IFC文件模型中自动生成通用建筑结构有限元模型, 另一方面又可以实现通用建筑结构有限元模型与各种结构分析与设计软件的结构模型的接口, 从而最终实现从任意符合IFC 标准的建筑模型生成任意结构分析与设计软件可接受的结构模型。
建立通用建筑结构有限元模型的优点在于: 1) 无须修改各种结构分析与设计软件的内部数据结构, 保持现有结构分析与设计软件的完整性; 2) 通用建筑结构有限元模型的一般表达方法采用XML 格式, 公开、透明, 它与各种结构分析与设计软件之间的双向接口容易实现; 3) 从建筑模型中输出的IFC 文件不和各种不同数据结构的结构分析与设计软件进行数据交换, 只与通用建筑结构有限元模型进行数据交换,易于维护管理。
 4 基于IFC 标准的建筑结构模型自动生成
4.1 结构模型自动生成的基本方法
图7 给出了如何将基于IFC 标准的建筑模型, 自动转换成各种结构分析与设计软件所需要的结构模型的基本流程。通过在IFC 结构模型服务器中嵌入IFC标准库的实现, 就可输入和输出符合IFC 标准的建筑模型文件, 同时在IFC 模型服务器中嵌入可用来提取结构构件信息, 并组装结构模型的功能模块, 就能过滤掉建筑模型文件中的非结构构件信息, 本文4.2 节详细描述了这个功能模块的具体内容。然后通过定义基于XML 格式的通用建筑结构有限元模型表达文档,将从符合IFC 标准的建筑模型中自动提取的结构构件信息组装成为一个通用的适合结构有限元计算的、标准的XML 文件。最后通过这个XML 文件与其他结构分析或设计软件的有限元模型接口, 而生成可修改、编辑的整体结构模型。
 4.2 从建筑模型中所能提取的信息及所需添加的信息
在当前的计算机辅助建筑设计中, 建筑模型与结构模型包含了可以共享的结构构件信息, 还包含了各自所特有的信息, 如图8 所示。建筑师在建筑模型中放入了结构构件与非结构构件的几何信息、截面信息、材料信息等; 结构工程师的结构模型中包含为保证结构安全、传递各种荷载的结构构件, 除了结构构件外, 结构模型还需包括在建筑使用生命周期中可能承受的各种荷载信息及其组合, 还需包括假定的几何约束条件, 结构构件的几何、截面、材料等信息。
 通过图8 可以看出, 从建筑模型中所能自动提取的信息是结构构件的几何信息、截面信息和材料信息; 其他的荷载信息, 如静荷载、活荷载、地震荷载、风荷载等则是建筑模型中所没有的, 需要结构工程师依据相应的荷载设计规范, 在自动生成的结构模型中通过所应用的结构分析与设计软件添加; 建筑结构有限元模型中的几何边界条件也是建筑模型中所没有的, 结构工程师需要根据工程经验和设计要求在自动生成的结构模型中添加; 在结构分析与设计的工程中, 结构工程师有时需要修改原建筑模型中结构构件的布置、增加或删除部分受力构件、修改已有结构构件的截面尺寸。
基于IFC 标准的建筑结构模型自动生成的一个关键技术是结构单元连接节点的提取。虽然基于相同的IFC 标准, 但各种建筑CAD 软件产生的IFC 模型表达还有差异, 所以理论上还不能保证完全准确地将建筑模型转化为通用结构模型。不过, 结构单元可以通过IFC 模型中梁柱单元的两端节点坐标和墙板单元的角部节点坐标的提取建立几何定位; 进而通过比较节点坐标值, 将相同或设定误差范围内的坐标值的节点定义为结构单元的连接节点。值得注意的是本研究所完成的从基于IFC 建筑模型自动生成结构模型的工作并不能替代结构工程师在结构设计方面的经验与知识, 而是辅助建筑师与结构工程师进行高效的无纸化的信息共享与交换, 从而促进建筑结构集成化设计的发展。
4.3 例题与讨论
图9 显示了一个在Autodesk 公司的ADT 平台下构建的一个12 层的双幢塔楼的建筑模型。当建筑师完成建筑模型后, 输出符合IFC 标准的建筑模型文件, 然后通过本文研究的IFC 结构模型服务器, 输入这个符合IFC 标准的建筑模型文件, 自动提取建筑模型中的结构构件及其相关的几何信息、截面信息、材料信息。
 在此例中, 这些结构构件包括混凝土梁、柱、墙、板构件, 还包括了型钢梁与型钢柱构件。将提取的结构构件先转换成为基于XML 格式的通用结构有限元模型表达, 然后通过通用结构有限元模型表达与ETABS 软件、SAP2000 软件的结构模型间的数据接口, 自动生成ETABS、SAP2000 软件的结构模型,如图10、图11 所示。可以看到这个自动生成的结构模型具有结构构件的几何定位、截面尺寸, 结构构件通过构件端点或角点的节点单元实现连接关系。
  这个从IFC 标准的建筑模型文件自动生成ETABS、SAP2000 结构模型的过程只需十分钟左右。
结构工程师所要做的工作是用相应的结构分析与设计软件输入自动生成的结构模型, 进行必要的模型检查工作, 然后输入几何约束条件、基本荷载和组合荷载信息, 最后校核模型、修改模型, 进行结构分析与设计。
在大量建筑工程的建模、分析与设计过程中, 结构工程师要花大部分的时间在建模的准备和输入上,而在模型检查、优化和修改的工作中却因为工期紧张而只花了较少的时间。如何将结构工程师在设计方案比较中从繁琐的、重复性的工作中解脱出来, 一直是一个重要的工程实践问题。通过基于IFC 标准的建筑结构模型的信息转换、自动生成, 可以有效地利用计算机解决繁琐的、重复性工作的优势, 而发挥结构工程师的专业技能, 评估设计、优化设计, 进而提高工程设计水平与质量。
5 当前的结论与需要进行的工作
本文通过研究IFC 标准, 开发IFC 结构模型服务器, 建立了从基于IFC 标准的建筑模型自动生成结构模型的基本方法。尽管IFC 标准及其结构分析与设计扩展模块仍在不断完善中, 依据现有IFC 标准的定义是能够实现自动提取如梁、柱、墙、板, 及洞口等建筑结构构件的信息, 并可以自动组装成为结构模型,其中包含结构构件的几何定位、截面尺寸及材料信息。
通过定义通用的开放式的建筑结构有限元模型的一般表达方法, 使得各种基于有限元的结构分析与设计软件可以很好地利用本文的研究成果, 搭起各种结构分析、设计软件与符合IFC 标准的建筑设计软件之间的桥梁, 从而实现各种建筑与结构设计软件之间无纸化信息的共享与交换。
采用IFC 标准描述建筑结构模型为多种建筑业CAD 软件模型间的信息共享与交换提供了数据标准,为建筑企业真正实现集成化建筑设计奠定了基础。不过当前的IFC 标准依然还在不断改进和完善的过程中, 例如结构模型连接节点、构件单元偏心的描述欠缺, 表达缺乏唯一性。另外大型高层建筑IFC 模型文件较大, 处理速度较慢, 也是今后研究需要解决的问题。
在结构有限元模型中, 采用线单元、面单元分别描述建筑结构中的梁柱、墙板构件, 要求各单元之间通过节点建立几何连接关系。在当前的研究中, 需假定建筑模型输入时采用精确捕捉功能来确定结构构件间的连接关系, 如何处理在非精确捕捉情况下的结构构件的连接将是一个值得研究的课题。结构荷载信息与约束信息在本研究中需要结构工程师的分析与判断来进行输入。从理论上讲, 结构荷载信息, 如静荷载是可以在模型的自动生成中完成的, 但由于结构工程师可能在原有建筑模型的基础上增加或删除一些结构构件, 而使得结构荷载的自动倒入更加复杂多变, 这里有待发展更灵活友好的方法。
今后, 在总体上, 如何将现有的结构模型应用IFC 标准的结构分析与设计扩展模块也是要研究的课题。也就是说, 如何将已修改或变更的结构模型再转化成为其对应的符合IFC 标准的建筑模型同样是值得期待的研究方向。
致谢: 本研究获得上海现代建筑设计集团有限公司资助。
参考文献
[ 1] 刘西拉. 结构工程学科的现状与展望[ M] . 北京: 人民交通出版社, 1997 (Liu Xila. The status and prospects ofstructural engineering[ M] . Beijing: China Communications
Press, 1997 (in Chinese))
[ 2] Smeallie P H. Furthering a computer-integrated approach forfacilities[ J] . Construction Specifier,1989, 42 (6): 96- 99
[ 3] Peichoiz P, Fischer M. Strategy for computer integrated construction
technology[ J] . Journal of Construction Engineeringand Management,1994, 120 (1): 117- 131
[ 4] 江亿, 洪天真. 集成化建筑设计系统[ J] . 暖通空调,1995,(6): 专题研讨8- 14 ( Jiang Yi, Hong Tianzhen. Integratedbuilding design system[ J] . Journal of HV&AC,1995, (6):
8- 14 (in Chinese))
[ 5] 高佐人, 吴炜煜, 房轻舟. 建筑设计协同工作模型设计与实践[ J] . 清华大学学报(自然科学版), 2004, 44 (9):1244 - 1248 ( Gao Zuoren, Wu Weiyu, Fang Qingzhou.CSCW model and system for cooperative building design
[ J] . Journal of Tsinghua University (Science & Technology),2004, 44 (9): 1244- 1248 (in Chinese))
[ 6] 黄涛. 建筑协同设计与Internet 的潜力[ J] .新建筑, 2004,(2): 66- 68 ( Huang Tao. Collaborative design in architectureand the potentials of internet [ J] . New Architecture, 2004,(2): 66- 68 (in Chinese))
[ 7] 潘伟辉, 华成, 胡玉兰. 协同设计技术在土木工程设计中的应用前景探讨[ J] . 工程建设与设计, 2004, (8): 87-88 (Pan Weihui, Hua Cheng, Hu Yulan. Discussion of theapplication of collaborative design in civil engineering[ J] .Engineering Construction and Design, 2004, (8): 87- 88,(in Chinese))
[ 8] Tarandi V. Editorial: IFC-product models for the AEC arena[ J] . ITcon, 2003, 8, Special Issue IFC-Product models forthe AEC arena: 135- 136, http://www.itcon.org/2003/11
[ 9] Chen P H, Cui L, Wan C, et al. Implementation of IFC-basedweb server for collaborative building design between architects and structural engineers [ J] . Automation in
Construction, 2005, 14 (1): 115- 128
[ 10] Cui L, Yang Q Z, Chen P H, et al. Development of an IFCbased
information server for collaborative building design[ C] //Proceeding of The Ninth East Asia-Pacific Conferenceon Structural Engineering and Construction (EASEC-9).Bali, Indonesia, 2003: CEM188- 194
[ 11] Wan C, Chen P H, Tiong R L K, et al. A Framework for theIntegration of Architectural Design and Structural Design[ C] //Proceeding of the Ninth East Asia-Pacific Conferenceon Structural Engineering and Construction (EASEC-9).Bali, Indonesia, 2003: CEM1- 6
[ 12] Deng X Y, Chang T Y P, Wang G J. IFC based designintegration between architectural and structural models[ C] //Proceeding of the Sixth International Conference on Tall
Buildings. Hong Kong, 2005: 552- 556
[ 13] 邱奎宁. IFC 标准在中国的应用前景分析[ J] . 建筑科学,2003, 19 ( 2) : 62 - 64 ( Qiu Kuining. The ApplicationForeground Analysis of IFC Standard in China[ J] . BuildingScience, 2003, 19 (2): 62- 64 (in Chinese))
[ 14] 邱奎宁, 王磊. IFC 标准的实现方法[ J] . 建筑科学,2004, 20 (3): 76- 78 ( Qiu Kuining, Wang Lei. ImplementationMethod of IFC Standard [ J] . Building Science,2004, 20 (3): 76- 78 (in Chinese))
[ 15] 方立新, 周琦, 董卫. 基于IFC 标准的建筑全息模型[ J] . 建筑技术开发, 2005, 32 (2): 98- 99, 109 ( FangLixin, Zhou Qi, Dong Wei. IFC-based building informationmodel[ J] . Building Technique Development, 2005, 32 (2):98- 99 (in Chinese))
[ 16] ISO 10303-11-2004. Industrial automation systems and integration-product data representation and exchange-Part 11:Description methods: The EXPRESS language reference
manual [ S] . International Organisation for Standardisation,ISO TC 184/SC4, Geneva
[ 17] ISO 10303-21-2002. Industrial automation systems and integration-product data representation and exchange-Part 21:Implementation methods: Clear text encoding of theexchange structure[ S] . International Organisation for Standardisation,ISO TC 184/SC4, Geneva12
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