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BIM专题


    注:本专题并非是对国内外BIM技术研究和应用的综述,其内容全部来源于清华大学土木工程系张建平教授团队(包括本人)十多年的研发成果,是我们团队对BIM的概念、技术和应用的思考,所列举的应用也是我们团队的实际工作。


BIM在结构设计阶段的应用

【基于BIM的面向安全性能协同设计】

    随着现代建筑体型越来越复杂,结构设计的要求也越来越高,其中包括如下几点。
    1.结构设计需要应用多种结构计算分析软件进行联合分析和对比
    当前各种软件间的模型信息不能相互兼容,因此需要在各个软件中分别建立各自的结构分析模型,从而暴露了建模效率低下以及结构分析模型无法统一的问题。而且,结构工程师不一定擅长多种结构分析软件,可能是不同结构工程师在不同的软件中分别进行建模和计算分析,而他们之间的交流基本只能通过文档的方式,哪怕已经有个别结构工程师针对自己需求开发了一些软件间的接口,限于技术不先进等原因,也难以完全互相转换。这种沟通障碍以及模型共享的缺失,同时会暴露出针对同一个工程,所建立的分析模型不同,并造成分析结果差异,结构工程师不知该取信于哪个软件的结果。总而言之,结构工程师迫切需要一个能统一不同结构计算分析软件间分析模型的工具,实现模型信息的全面共享。
    2. 在结构设计阶段考虑施工动态过程具有非常重要的意义
    目前仅针对部分重要的建筑,其结构设计阶段进行了施工过程模拟,以计算各个施工阶段的结构应力应变。然而,难以做到对整个施工过程进行连续动态的分析,同时其人工参与量过大,导致考虑施工过程模拟的结构分析工作量巨大,也制约了其推广应用。因此,假如以BIM作为信息源,借助其强大的信息量和信息处理能力,研究其自动演化成结构分析模型的机制和方法,则能根据已经建立的结构分析模型,结合模拟的施工进度,实现施工过程动态分析,大大提高了设计阶段施工过程力学分析的可应用性,具有现实意义。
    3. 设计阶段与施工阶段的信息无法实现集成与共享,跨阶段的集成应用困难
    结构设计流向施工阶段的信息仅仅是二维的施工图。一方面,施工单位和工人仅能通过三维形象思维的方式在脑中生成结构的三维模型;另一方面也制约了施工阶段获取设计信息进行时变结构安全分析的进行。信息的丢失已经成为了阶段间集成应用的瓶颈问题。实际上,在设计阶段,已经有众多工程案例,尤其是大型重要项目,均实现了部分三维建模。假如这些设计阶段积累的信息,能顺利地传递到施工阶段,对于建筑全生命期的综合管理具有很重要的意义。
    引入BIM技术,可以使建筑师和结构工程师共享一个统一的模型,他们各自从中获取所需的信息并建立起自己所需的模型,将模型调整后再反馈回到统一模型中。这样既能避免信息冗余、重复建模,更能避免建模过程中的人为差错导致模型不一致的情况发生。
    因此,针对上述问题,一方面为加强设计阶段的协同设计,另一方面也为搭建结构设计和施工管理信息流和工作流沟通的桥梁,实现建筑项目设计和施工阶段的信息化管理,需要从以下四个方面着手:1)设计阶段建立一个sub-BIM,用于统一存储和管理这两个阶段间产生的所有信息,并实现其共享和集成。设计和施工阶段所需要的相关信息,都从该信息模型中获取,既减少了数据的冗余度,提高了数据获取的效率,也保证了数据的一致性和连贯性,可为设计阶段和施工阶段的集成应用提供基础数据的良好支撑平台。基于此模型,实现2)与多种有限元软件的模型接口,以统一各种软件的结构分析模型,并大大提高模型的生成效率;3)在设计阶段添加施工信息,应用结构分析模型自动生成的技术,实现施工过程模拟和动态连续的结构分析,并可以此为依据为施工方案的制定提供参考;4)在施工阶段结合设计信息,实现时变结构连续动态的结构分析,为其安全性能提供分析、支持和保障。
    这一过程最关键的是要实现建筑模型和结构模型之间的相互转换。事实上,尽管建筑模型与结构模型之间存在着一些差异,但正如结构分析是根据建筑设计结果而进行的一样,结构模型本质上是从建筑模型演化而来的计算模型。因此,通过BIM对建筑物完整的描述,理论上是可以实现建筑模型到结构模型的双向转化。其中,当从建筑模型生成结构模型时,需要识别各个构件之间的协同工作区,并转换成统一的共用节点,使其计算时拥有协同的变形。相反,从结构模型生成建筑模型时,则主要提取结构模型中的拓扑信息,将点、线、面及其共用的节点映射回建筑模型中,再根据截面和轴线属性,反算出建筑构件的整个外形轮廓。
    建筑模型与结构模型表现着同一个三维空间坐标系中的同一建筑实体,描述了该建筑中各个组成部分的功能、尺寸、材料及行为等,它们紧密相关,并在一定程度上可以互相转化。

    建筑表现与结构表现的区别
    需要说明的是,尽管看上去上述两个过程是互逆的,然而计算机程序毕竟难以完全取代人的思考,因此在一个闭环转换过程中,难免会出现需要建筑师或结构工程师手工微调模型的情况。
    基于上述研究,我们研发了一个Web-BIM系统(bim.zhenzhong.net),可实现在浏览器端(Web端)上传结构分析软件所建立的模型文件后在线浏览、在线管理和在线转换,目前支持Etabs/ANSYS/Sap 2000之间的互转,在后续的开发中,将会继续支持IFC、Marc、Satwe等其他格式的相互转化。

    Web-BIM系统主界面