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基于 IFC 标准的建筑结构模型的自动生成

2017-12-31 23:18| 查看: 1708| 评论: 0|作者: 邓雪原 张之勇 刘西拉|来自: 土木工程学报

          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。
          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。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 。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。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, 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)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 。IFC 标准是由国际协作联盟 ( International Alliance 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/PAS 16739。
           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。

图 1 建筑业从无共享建筑模型到有共享建筑模型数据交换模 式的转变
          1.2 IFC 标准的内容 IFC 标准采用 Express 语言作为数据描述, 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。
           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。

图 2 IFC 标准的内部层次结构

图 3 IFC 标准的框架模块
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