基于建筑信息模型的轻钢厂房结构软件

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摘要:为开发建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)软件,阐述BIM的技术特点,选用ObjectARX技术在AutoCAD平台上进行二次开发,开发轻钢厂房结构BIM软件. 该软件直接读入包括SAP和ANSYS等软件的结构模型,根据用户选择的节点类型和设计规范自动完成构件和节点的设计,并进行钢结构三维实体信息模型的拼装;在此基础上,采用分解、分层和组合的方法组织节点的数据结构,实现钢结构节点的全自动交互式设计、编辑及复核,设计结果的图形与文本查询等功能;直接生成供工厂使用的各个零件的制作翻样图、材料表以及结构体系造价等信息;该软件还实现三维实体模型到ERP软件的输出接口.

关键词:轻钢厂房结构; 建筑信息模型; ObjectARX

中图分类号:TU205;TP391文献标志码:A

Structural software of light steel mill building

based on building information modeling

JI Jun, ZHANG Qilin

(College of Civil Eng., Tongji Univ., Shanghai, 200092)

Abstract: To develop the Building Information Modeling(BIM) software, the technical characteristics of BIM is introduced, and the BIM software of light steel mill building structure is developed by the secondary development technology using ObjectARX in AutoCAD. In the software, the structure model such as SAP, ANSYS, and so on can be read directly, the member and joint design can be automatically implemented according to the chosen joint type and design specification, and the 3D solid information model can be assembled. So the data structure of steel joints can be organized by disassembly, layering and reassembling, the automatic interactive design edit and check of the joints of steel structure, and the graphic and text query functions can be implemented. The processing map, material list, project cost, and so on can be generated for users. The exportation interface of 3D solid information model for ERP software is also realized.

Key words: light steel mill building structure; building information modeling; ObjectARX

收稿日期:2008-09-17修回日期:2008-10-22

作者简介: 季俊(1985―),男,江苏阜宁人,博士研究生,研究方向为土木工程计算机仿真,(E-mail);

张其林(1962―),男,江苏海门人,教授,博导,博士,研究方向为结构稳定设计理论、结构非线性数值分析,(E-mail)

0引言

近年来出现的建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)新技术,正引领建筑业信息技术走向更高层次.它的全面应用将对建设工程项目管理产生无可估量的影响,为建筑业发展带来巨大效益,使整个工程质量和效率显著提高、成本降低.[1]

1建筑业信息化趋势

美国《经济学家》杂志刊登的研究报告表明,管理过程的手工操作会给建设工程带来庞大开支:美国建筑业每年约6 500亿美元的成本中,有2 000亿美元由低效、错误和延误造成.在我国,还没有类似的研究,但估计这方面的情况不容乐观.造成建筑业项目管理效率低下的原因很多,但信息流不畅造成的信息丢失是主要原因之一.在工程项目整个建设周期中,信息量应如图1上面那条曲线随时间不断增长;而在目前的建设工程中,项目各阶段的信息实际上并不能很好衔接,使得信息量的增长如图1下面那条曲线在不同阶段的衔接处出现断点,即出现信息丢失现象.应用计算机进行建筑设计,最后提交的成果均为打印好的图纸,作为设计信息流向下游.但是,如概预算、施工等阶段无法从上游获取在设计阶段已经输入到电子媒体中的信息,尚需人工读图才能应用软件进行概预算、组织施工,在这里信息丢失现象明显;虽然现在信息通常借助于数字技术产生,但由于它仍然通过纸张传递,当信息转换为纸介质方式时,许多数字化信息就会丢失.造成这种现象的重要原因之一就是在建设工程项目中没有建立起科学的、能够支持建设工程全生命周期的BIM以及基于信息技术的工程项目集成管理环境.

2BIM简介

2.1BIM的概念

BIM是以三维数字技术为基础、集成建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型,是对该工程项目相关信息详尽的数字化表达.其概念由AutoDesk公司于2002年提出,它为设计和施工中建设项目的建立和使用提供相互协调、内部一致且可运算的信息,是建筑设计和施工领域的创新.BIM的核心技术是参数化建模,其内容都是与参数化相关联的,所以对模型的任何部分进行变更时都能引起相关构件的关联变更,如剖视图、施工图、大样图都会自动变更.[2]参数化建模的目的是推行建设工程设计、施工和管理工作中工程信息的模型化和数字化,以避免信息流失和减少交流障碍,其特点是为设计和施工中建设项目建立和使用互相协调、内部一致及可运算的信息.建立的建筑模型是个各种信息协调一致的整合型数据库,提供极其完整的设计信息,达到必要的详细度和可信度,为设计人员增加许多附加设计能力.参数化建模将成为建筑设计信息化发展的核心.

2.2基于BIM的建筑设计软件应具有的共性

基于BIM的建筑设计软件应具有的共性有:(1)在三维空间建立起数字化的BIM,建筑物的所有信息均出自于该模型,将工程信息以数字形式保存在数据库中,以便于更新和共享.(2)在工程数据之间创建实时的、一致性的关联,对数据库中数据的任何更改都可及时在其他关联的地方反映出来.即只要修改任何1张图纸,如修改平面图,相关修改就可立即在立面图、剖面图、效果图以及其他相关图纸上表达出来,杜绝图纸不一致现象.这样可以减少设计引起的错误,提高项目工作效率并保证项目工程质量.(3)可支持XML,方便在互联网上传输数据.

2.3BIM的技术特点

图2为传统绘图软件和BIM软件进行建筑设计的比较.

(a)传统绘图软件

(b)BIM绘图软件

用BIM软件进行建筑设计时,BIM建模工具不再提供低水平的几何绘图工具,操作对象也不再是点、线、圆这些简单的几何对象,而是墙体、门、窗、梁、柱等建筑构件;在屏幕上建立和修改的不再是没有关联关系的点和线,而是由建筑构件组成的建筑物整体.整个设计就是不断确定和修改各种建筑构件参数的过程,全面采用参数化设计方式.

因BIM包含所代表建筑物的详尽信息,故十分容易生成各种门窗表、材料表以及综合表格.BIM的建立为进行各种可视化分析(空间分析、体量分析和效果图分析等)创造条件.[3]显然,模型中用于描述构件的数据范围非常广,除满足设计和施工需求外,还可满足项目管理的各种需要.图3为BIM在工厂预制中的应用.

在设计阶段应用基于BIM的建筑设计软件建立建设工程项目的模型后,工程项目管理软件利用BIM的数据产生相应工程项目的实施数据.将这些数据整合到初始的BIM中,就成为模型中新的附属数据,使模型更为完善.

2.4BIM技术有效性分析

有效实现BIM需要合适的技术,其中包括,(1)CAD ;(2)面向对象的CAD;(3)参数化建筑模型.图4表达这3种技术在不同努力程度(横轴)上达到的总体有效性(纵轴),水平虚线表示BIM可以带来的最小效用值.

由图可知,CAD技术最早得到应用,但其后期效益问题成为障碍;面向对象的CAD技术介于中间;参数化建模技术则一直保持高效益.但此项技术要求完全采用BIM概念,因而无法在传统的非BIM模式下得到应用.采用该技术可带来巨大的商业利益,同时也意味着与传统工作方式的决裂.[4]从CAD技术转向面向对象的CAD技术是1种增量变化或者演变,而转移到参数化建模技术则可谓一场革命.在设计和施工中应用BIM的优点[5]有:(1)设计效率全面提高;(2)整个工程阶段协调性整体加强;(3)更接近于现实的可建性分析.

3基于BIM的轻钢厂房结构设计软件

针对轻钢厂房这种工程中常用的结构形式,选用ObjectARX在AutoCAD平台上进行二次开发,突破同类CAD软件的图形化瓶颈,其中结构的参数化三维实体模型是整个系统的核心.整个软件系统的架构基于参数化信息模型以及工程数据间的一致性关联的理念,其现有功能的组织和架构见图5.

目前能实现的建筑结构全寿命管理部分流程为:

(1)直接读入SAP和ANSYS等国内外钢结构设计软件的结构模型,根据用户选择的节点类型和设计规范自动完成构件和节点设计并进行钢结构三维实体模型拼装,实现轻钢厂房结构分析设计到三维实体的连通.图6为轻钢厂房包括梁、柱、檩条、支撑等完整的参数化三维实体信息模型,对模型任何部分进行的所有变更都能引起相关构件的关联变更,如剖视图、施工图、大样图都会自动变更.

(2)建筑信息模型的核心技术是参数化建模,软件在三维实体模型基础上,采用分解、分层和组合的方法组织节点的数据结构[6],实现钢结构构造最复杂节点的全自动交互式节点设计、节点编辑和复核、设计结果的图形和文本查询等功能.图7和8为屋脊节点和梁柱节点的参数化编辑.

(3)基于三维实体模型,软件自动完成节点、构件和板件的归并、编号,直接生成供工厂使用的各个零件的制作翻样图和材料表,并包括结构体系造价等信息.图9~10列出三维信息模型包含的一些参数化信息.由于翻样图根据三维实体模型自动和直接生成,具有完全的正确性,所以能够确保精确的工厂预制和顺利的现场安装,实现在工程数据之间创建实时、一致性的关联,对数据库中数据的任何更改,都可以在其他关联的地方及时反映出来.由于三维实体模型的精确和完整性,基于该模型可以指导和调度备料、加工、发货和安装等生产环节.

(4)定义轻钢厂房钢结构构件与零件的层次数据库结构,实现三维实体模型到ERP管理系统的输出接口.软件定义构件物料、零件物料和主材编码规则(主材分为钢板、钢管、型钢和其他等4大类)等,根据三维实体模型自动生成各种材料统计清单,自动输出ERP代码.以轻钢厂房构件为例说明构件物料的编码规则.钢构件定义为由零件或零件部分组成的钢结构基本单元,是钢厂车间加工完最后1道工序的产品,能直接运至现场安装或使用,构件物料编码的基本码元见表1.

4前景与展望

数字地呈现建筑项目整个寿命周期内的所有信息,并可以为整个项目团队所用的共享建筑模型,被公认为建筑业信息技术应用的“下一盛事”.整个建筑行业在BIM支持下也会呈现新的面貌、焕发新的活力.

然而,开发BIM软件以及全面应用BIM将需要很多年的努力.本文以基于BIM的轻钢厂房结构设计软件为例对BIM的实现进行初探,取得阶段性成果,实现参数化三维实体信息模型与分析计算、参数化编辑、构件信息交互式输入以及与工厂ERP管理软件的接口等工作.然而,这只是BIM思想的最初步实现,要实现整个建筑工程信息化管理,基于BIM的软件研发还需要开展非常多的工作,需要更多工作者的关注及参与.

参考文献:

[1]林然, 孙凯莉. 数字化时代的建筑设计――建筑信息模型[J]. 福建建筑, 2007(5): 16-17.

[2]曾旭东, 谭洁. 基于参数化智能技术的建筑信息模型[J]. 重庆大学学报: 自然科学版, 2006, 29(6): 107-110.

[3]SAWYER T. Build it first digitally[J]. Eng News Record, 2005, 255(14): 28-32.

[4]SOLOMON N B. The hopes and fears of design-build[J]. Architectural Record, 2005(11): 167-174.

[5]HEESOM D, MAHDJOUBI L. Trends of 4D CAD applications for construction planning[J]. Construction Manage & Econ, 2004, 22(2): 171-182.

[6]许倩华, 杨晖柱, 张其林. 钢结构节点三维实体技术[J]. 计算机辅助工程, 2007, 16(3): 30-33.