高層鋼結(jié)構(gòu)bim軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

高鋼結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜過(guò)程中的重要結(jié)構(gòu)形式。高鋼結(jié)構(gòu)信息生產(chǎn)的各個(gè)階段的信息都是通過(guò)大鋼結(jié)構(gòu)生命周期的信息來(lái)源和供應(yīng)商自己信息系統(tǒng)傳播的。由于每個(gè)級(jí)別都使用不同的“模型”，因此“信息孤島”現(xiàn)象已成為提高高層鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率的障礙。目前，基于上述問(wèn)題，本研究提出的解決方案是建筑信息模型（pm）。sim的想法是基于三維實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)，以在建筑生命周期中集成各種相關(guān)信息。由于信息的巨大數(shù)量，我們無(wú)法想象一個(gè)完整的建筑信息模型?；赽iu概念，本文建立了高鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的api解決方案系統(tǒng)模型，研究了鋼結(jié)構(gòu)厚度的可視化信息、分析信息、圖紙和加工信息等技術(shù)信息的集成。目前,建筑信息模型(BIM)方面的文獻(xiàn)絕大部分為對(duì)BIM的綜述性文章.對(duì)于BIM軟件技術(shù)與架構(gòu),文獻(xiàn)介紹了BIM概念以及BIM軟件應(yīng)具有的共性;文獻(xiàn)從結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的視角討論了BIM的現(xiàn)狀,提出了結(jié)構(gòu)BIM應(yīng)具有的一些重要特點(diǎn).國(guó)際上BIM軟件主要有Revit及Bentely等,這些軟件處于剛剛起步階段.BIM在建筑專業(yè)中的應(yīng)用相對(duì)較多,而在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用非常有限,結(jié)構(gòu)BIM作為建筑全壽命周期的一個(gè)階段,對(duì)建筑工程信息化的影響極其重要.文獻(xiàn)介紹了Revit系列的BIM軟件RevitStructure對(duì)結(jié)構(gòu)BIM流程的架構(gòu)與部分關(guān)鍵技術(shù),認(rèn)為結(jié)構(gòu)BIM理念與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)專業(yè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的本質(zhì)區(qū)別為是否應(yīng)用惟一的信息模型.國(guó)內(nèi)對(duì)BIM軟件的研究均為BIM綜述以及概念性文章,討論的熱點(diǎn)在于BIM軟件應(yīng)具有的共性與特點(diǎn),以及BIM對(duì)建筑工程信息化具有的影響.選用ObjectARX技術(shù)在AutoCAD平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),建立高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的BIM軟件,即高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型軟件,實(shí)現(xiàn)了BIM與高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)工程各個(gè)階段的數(shù)據(jù)接口,并在上海中心項(xiàng)目中應(yīng)用該軟件系統(tǒng).軟件實(shí)現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算和規(guī)范校核等功能,并可讀入相關(guān)的有限元軟件計(jì)算模型,基于設(shè)計(jì)結(jié)果完成BIM實(shí)體模型的數(shù)字拼裝技術(shù);組織節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),完成復(fù)雜鋼節(jié)點(diǎn)的參數(shù)化造型和編輯技術(shù);實(shí)現(xiàn)基于BIM的結(jié)構(gòu)材料信息等建筑工程數(shù)據(jù)管理,以及BIM與施工圖、加工圖的實(shí)時(shí)、一致性關(guān)聯(lián).1結(jié)構(gòu)bim軟件,提高高層鋼結(jié)構(gòu)全壽命管理信息化程度由于信息量巨大以及需要多專業(yè)共同合作,在建筑、結(jié)構(gòu)、水暖、電等專業(yè)領(lǐng)域使用單一的完整的BIM暫時(shí)還難以實(shí)現(xiàn).結(jié)構(gòu)工程作為高層鋼結(jié)構(gòu)全壽命管理的重要領(lǐng)域,需要開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)BIM軟件,提高高層鋼結(jié)構(gòu)的全壽命管理信息化程度.結(jié)構(gòu)BIM軟件即設(shè)計(jì)信息模型軟件具有BIM解決方案的全部特征,其核心理念在于創(chuàng)建可以記錄工程實(shí)施過(guò)程中幾乎所有的數(shù)據(jù)建筑信息模型.數(shù)據(jù)一旦與工程信息模型構(gòu)件相關(guān)聯(lián),創(chuàng)建以后就可以被實(shí)時(shí)調(diào)用、統(tǒng)計(jì)分析、管理與共享.高層鋼結(jié)構(gòu)工程的各階段主要包括結(jié)構(gòu)有限元建模和計(jì)算、規(guī)范校核、三維可視化模型、工程造價(jià)信息、施工圖(加工圖)、其他相關(guān)信息明細(xì)表(見(jiàn)圖1).2高層建筑信息模型系統(tǒng)的技術(shù)和結(jié)構(gòu)2.1間空間關(guān)系BIM技術(shù)核心是一個(gè)由計(jì)算機(jī)三維模型所形成的數(shù)據(jù)庫(kù).高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型的三維實(shí)體的數(shù)字拼裝技術(shù)包括3D建模技術(shù)以及3D實(shí)體計(jì)算技術(shù),首先BIM的數(shù)據(jù)應(yīng)是可運(yùn)算的系統(tǒng),能像人腦一樣知曉各構(gòu)件之間空間關(guān)系;其次要用大規(guī)模布爾算法.從面向?qū)ο蟮乃枷氤霭l(fā),所有的結(jié)構(gòu)部件都以對(duì)象的方法來(lái)表達(dá).實(shí)體模型由桿件與連接節(jié)點(diǎn)這2類(lèi)對(duì)象組成.由可以進(jìn)行三維布爾運(yùn)算的ObjectARX提供的AcDb3dSolid類(lèi)派生出抽象的桿件類(lèi)Bar,再以該類(lèi)作為基類(lèi),派生出具有不同功能的結(jié)構(gòu)對(duì)象——梁、柱、支撐等,如圖2(a)所示.每一種連接節(jié)點(diǎn)可以拆分成多個(gè)基本連接,如當(dāng)H形鋼梁與H形鋼柱連接時(shí),可以拆分為梁的上翼緣、腹板和下翼緣3個(gè)基本連接.基本連接的派生關(guān)系如圖2(b)所示.每個(gè)基本連接由若干個(gè)零件組成,以抽象對(duì)象作為基類(lèi)派生出各種連接件對(duì)象——板件、螺栓、錨栓和焊縫等,如圖2(c)所示.2.2計(jì)算結(jié)構(gòu)的等效方法、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和云計(jì)算2.2.1有限元模型建立高層鋼結(jié)構(gòu)BIM軟件提供高層鋼結(jié)構(gòu)完整的建模、計(jì)算和設(shè)計(jì)功能,包括線性與非線性有限元分析以及結(jié)構(gòu)的地震周期振型分析,滿足結(jié)構(gòu)全壽命周期的有限元建模及計(jì)算需求.圖3為上海中心有限元模型.軟件系統(tǒng)嵌套了與鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的國(guó)家規(guī)范以及部分地方規(guī)程,實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的驗(yàn)算、校核和優(yōu)選等功能,并將最終結(jié)果信息保存并提供給建筑信息模型.2.2.2基于etabs的接口設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)BIM軟件支持通過(guò)文本操作進(jìn)行結(jié)構(gòu)的建模、分析、校核等一系列功能,圖4為文本編輯操作應(yīng)遵循的文件格式.軟件可以讀入Sap,Etabs等數(shù)據(jù)文件,實(shí)現(xiàn)與這些通用有限元軟件的接口,圖5為上海中心的Etabs有限元模型,該BIM軟件讀取Etabs數(shù)據(jù)文件,然后轉(zhuǎn)為自身的格式,然后即可建立該BIM的有限元模型,從而實(shí)現(xiàn)建模過(guò)程中資源的共享,使項(xiàng)目管理共享協(xié)同能力得到提高.與Etabs接口的主要功能函數(shù)及流程如下.2.3bim軟件在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)BIM軟件系統(tǒng)的三維實(shí)體信息核心采用參數(shù)化描述建筑單元,以梁、柱等建筑構(gòu)件為基本對(duì)象,而不再是CAD中的點(diǎn)、線、面等幾何元素.如圖6所示,通過(guò)數(shù)字建造技術(shù)模擬建筑物的真實(shí)信息,信息的內(nèi)涵不僅僅是幾何形狀描述的視覺(jué)信息,還包含大量的非幾何信息如物理信息以及分析信息等.對(duì)一個(gè)工程各部位很容易從各個(gè)角度查看,交互效率極高,不易發(fā)生普通二維CAD軟件的理解錯(cuò)誤;實(shí)現(xiàn)“所見(jiàn)即所得”的BIM核心理念.BIM軟件三維實(shí)體模型的數(shù)字建造關(guān)鍵技術(shù)包括3D建模技術(shù)與3D實(shí)體計(jì)算技術(shù).在結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)完成后,由計(jì)算結(jié)果讀取繪制BIM實(shí)體模型所需要的構(gòu)件信息,包括截面信息和方位信息,通過(guò)構(gòu)件實(shí)體類(lèi)的create()函數(shù)繪制結(jié)構(gòu)BIM三維實(shí)體模型.對(duì)于有限元模型與實(shí)際建筑物構(gòu)件位置不一致現(xiàn)象,軟件系統(tǒng)對(duì)計(jì)算模型中的有限單元進(jìn)行了連通和位置調(diào)整等處理,包括同一根構(gòu)件連通為一體;主梁和柱頂連接處,梁的上翼緣和柱頂平齊;次梁的上翼緣和主梁上翼緣平齊等.三維實(shí)體模型在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置上與實(shí)際結(jié)構(gòu)完全一致,實(shí)現(xiàn)了建筑信息模型是對(duì)工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)真實(shí)構(gòu)件實(shí)際空間方位的數(shù)字表達(dá)的核心和基本要求.通過(guò)上述算法,分析設(shè)計(jì)信息完整得存儲(chǔ)到建筑信息模型中,完成BIM的三維實(shí)體模型的數(shù)字建造關(guān)鍵技術(shù).2.4節(jié)點(diǎn)三維模型建筑信息模型的核心技術(shù)是參數(shù)化建模.由于使用參數(shù)化技術(shù)的實(shí)體模型,復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)具有在真實(shí)世界的行為和屬性,則參數(shù)化模型“知道”所有構(gòu)件的特征及其之間的相互作用規(guī)則,因此對(duì)模型操作時(shí)會(huì)保持構(gòu)件在真實(shí)世界的相互關(guān)系.結(jié)構(gòu)BIM解決方案軟件系統(tǒng)采用分解、分層、組合的方法來(lái)組織節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).節(jié)點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)中構(gòu)造最復(fù)雜的部分.基于BIM理念的高層鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化軟件系統(tǒng),能夠完全反應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)零件的空間位置,為建筑施工提供數(shù)字化的真實(shí)節(jié)點(diǎn),方便了施工前的預(yù)觀察.同時(shí),還具有全自動(dòng)交互式的設(shè)計(jì)、校核以及編輯的特點(diǎn),圖7為上海中心某梁柱節(jié)點(diǎn)參數(shù)化編輯圖.軟件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)三維模型的造型與裝配流程如圖8所示.2.5高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型軟件三維建模時(shí)錨點(diǎn)開(kāi)發(fā)的必要性根據(jù)與BIM的關(guān)聯(lián)關(guān)系,可將建設(shè)工程項(xiàng)目中的信息分為建設(shè)工程模型的核心信息、技術(shù)信息、經(jīng)濟(jì)和資源信息、管理及其他相關(guān)信息等.設(shè)計(jì)過(guò)程所產(chǎn)生的設(shè)計(jì)文件和數(shù)據(jù)將構(gòu)成信息模型的核心信息,而技術(shù)經(jīng)濟(jì)、管理及其他信息構(gòu)成核心信息的附屬數(shù)據(jù),但亦為結(jié)構(gòu)全壽命管理過(guò)程的重要方面.高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型軟件三維實(shí)體模型中的構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)等具有真實(shí)世界的行為和屬性,包含真實(shí)構(gòu)件的各種相關(guān)信息,包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及整體結(jié)構(gòu)2個(gè)層次的相關(guān)附屬信息.2.5.1材料信息的顯示查詢軟件系統(tǒng)通過(guò)Bar,Joint類(lèi)存儲(chǔ)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、材料信息、截面信息、方位信息,幾何信息等,通過(guò)對(duì)話框或者文本文檔進(jìn)行顯示和查詢,圖9顯示了材料信息的顯示查詢對(duì)話框;軟件系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)可以自動(dòng)判斷建筑邏輯結(jié)構(gòu)的非圖形數(shù)據(jù),即存儲(chǔ)構(gòu)件的邏輯信息,包括梁柱的定義、梁柱的空間方位以及梁柱截面尺寸的基本要求等.軟件系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別梁、柱等構(gòu)件連接類(lèi)型并配上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)體信息核心的參數(shù)化和智能化.2.5.2高層鋼結(jié)構(gòu)施工信息查詢完整的三維實(shí)體信息模型提供基于虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化信息,將對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的施工提供指導(dǎo),對(duì)施工中可能遇到的構(gòu)件碰撞進(jìn)行預(yù)檢測(cè).圖10為軟件提供的結(jié)構(gòu)用料信息的顯示與查詢.2.6高層鋼結(jié)構(gòu)施工階段BIM的核心之一就是在工程數(shù)據(jù)間創(chuàng)建實(shí)時(shí)的、一致性的關(guān)聯(lián).對(duì)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的任何更改,都可以在其他相關(guān)聯(lián)的地方反映出來(lái),包括提供給施工方的施工圖以及鋼結(jié)構(gòu)工廠的加工圖,這是與傳統(tǒng)二維CAD結(jié)構(gòu)軟件的本質(zhì)區(qū)別.建筑信息模型集成的高層鋼結(jié)構(gòu)施工階段主要信息為基于三維實(shí)體模型的施工圖的自動(dòng)生成;提供給鋼結(jié)構(gòu)加工工廠的信息為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工圖紙.設(shè)計(jì)信息模型軟件系統(tǒng)基于BIM的3D模型上提取所需的幾何信息并加工整理,自動(dòng)完成節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件和板件的歸并,編號(hào),再繪制成二維平面詳圖.對(duì)結(jié)構(gòu)的同一部位通常需要多個(gè)詳圖來(lái)表達(dá),模型的惟一性和正確性保證了各個(gè)詳圖內(nèi)容的一致性和正確性,對(duì)模型的任何更改,都將在平面施工圖和加工圖中實(shí)時(shí)、一致地反映出來(lái).數(shù)據(jù)的提取整理、三維實(shí)體的消隱與投影以及圖形標(biāo)注是圖形繪制的主要內(nèi)容.利用模型中實(shí)體的點(diǎn)線面屬性以及記錄的關(guān)鍵特征幾何點(diǎn),采用空間消隱算法生成二維圖形,最后繪制引注和尺寸標(biāo)注.詳圖繪制的主要流程如圖11所示.圖12為施工圖、加工圖繪制對(duì)話框,圖13為基于BIM自動(dòng)生成的某層結(jié)構(gòu)平面布置圖.3數(shù)字化技術(shù)在高效設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1)高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息模型軟件與Etabs的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)了分析信息的數(shù)據(jù)共享,減少了重新建模的巨大工作量;同時(shí),設(shè)計(jì)的所有剖視圖、施工圖、大樣圖都出自同一個(gè)建筑信息模型,與傳統(tǒng)的人工繪圖相比,極大地提高了工作效率,減少了出錯(cuò)的可能性,模型上的修改可以實(shí)時(shí)反映在圖紙中,保證了設(shè)計(jì)的高質(zhì)量.2)上海中心結(jié)構(gòu)工程信息的數(shù)字化深化了項(xiàng)目參與各方的信息