BIM结构模型转换工程应用的现实与追求

BIM的实施使企业项目设计流程和内容发生变化，在这个效率质量优先的时代，BIM在项目设计阶段的实施可将各设计阶段和不同专业的建筑信息模型整合到一起，提高了设计协同效率并且促进了各专业间信息的共享和交流。但通过具体BIM项目的工程实践看，项目各阶段模型（设计模型、算量模型和施工模型）还是难以有效集成、协同设计的理念没有得到很好的运用，各软件平台远没有达到OpenBIM倡导的方法理念。


结构设计主要包括计算分析和结构设计两部分内容，在实现结构专业的BIM正向设计中如何将建筑物理模型和结构分析计算模型的数据关联映射成了亟待解决的问题。虽然目前已有较多软件提供模型间的互导方法，遗憾的是只解决了映射关联的可能性，并未解决结构设计中计算假定和结构设定的支座条件等信息传递的具体问题。

建筑物理模型和结构计算分析模型对比

一般民用建筑BIM模型包括了所有的建筑信息，结构基础模型为建筑物理模型的一部分。建筑信息模型中包含了结构构件和非结构构件，其中梁、板、柱和剪力墙等受力构件为结构构件，门窗、管线、隔墙和装饰层等为非结构件，因此建筑物理模型和结构计算分析模型有共享信息部分就是结构构件信息（如下图所示），结构构件信息为结构构件的几何信息、构件的截面信息和材料信息等。


建筑模型和结构模型的转换

结构计算分析与BIM设计建模各有不同的软件，结构计算应用的软件都有多种如PKPM、YJK(盈建科)、Midas、Spa2000等，这些软件对模型的描述都有着不同的数据结构，要实现模型转换的信息无损传递更是有一定的难度。从目前结构工程分析设计的实际需求看，建筑模型和结构模型间的转换主要有两种使用需求情形：

1、BIM正向设计普通结构需要建立结构模型和建筑模型的映射关系

常规结构设计分析过程中，结构布置的修改和构件截面的变动是造成设计反复的主要原因。采用BIM进行正向设计往往在修改之下既要修改BIM模型又要修改结构计算模型，因此就需要建立BIM模型和结构计算模型之间的映射关系。这种映射关系的建立就需要有完善的BIM设计软件和结构分析计算软件。

完善的BIM软件集的建立要遵循统一的技术实施标准体系。目前各软件对开放性、统一性和可扩展性均有一定的推动，但苦于商业软件模型数据结构的不统一和数据接口的封闭，模型的互导在信息数据传递层面都是没有底层基础的。如果单就某两个软件间开发一个模型互导的接口，不仅对用户来讲具有推广应用的局限性也不利于行业BIM实施方法手段的普及。所以从更高的层面和最底层的数据结构方面提出统一的标准更具实际意义。2008年由中国建筑科学研究院、中国标准化研究院等单位共同起草了工业基础类平台规范(国家指导性技术文件)。此标准相对于IFC在技术和内容上保持一致，并根据我国国家标准制定相关要求，旨在将其转换成国家标准。清华大学软件学院BIM标准研究课题组于2009年3月正式启动，旨在完成中国建筑信息模型标准(即CBIMS，ChinaBuilding Information Modeling Standard)的研究并已有一定的研究成果。


凭借这些底层数据标准的研究成果，各种结构分析与设计软件虽然内部都有各自的数据结构，但是这些结构分析设计软件都是基于有限元分析原理在数据结构上又有相似性，只要软件体系的开发遵循统一的中间数据格式文件，实现结构模型和建筑模型的互导和构件信息的无损传递是可行的。目前PKPM、YJK(盈建科)和TSSD（探索者）等结构设计分析软件都是按固有的数据结构格式进行模型的导入和导出，虽然已经实现了荷载信息、墙体荷载导算等功能但在通用性和数据共享角度看都是不符合现有需求的。


若这种紧密的模型映射关系满足不了设计需求还可以通过IFC中间文件的方式来完成两个模型之间的关联。PKPM软件从研发模型信息数据交换时就确定了利用IFC中间文件的方法。


PKPM模块软件SpaSCAD建立的三维模型形成的数据格式*.PZD都可以用现有的REVIT中PKPM插件导入到BIM模型中，这个模型的数据内容基本上涵盖了所有的结构信息如：材料信息、截面信息、节点位置信息、层信息、构件交接节点信息、窗洞信息等。

2、复杂结构设计分析需要参数化建模抽取结构线框模型导入结构分析软件

空间关系较复杂的结构往往是通过AUTOCAD软件建立结构的线框模型，利用结构计算软件（SAP2000、MIDAS GEN）等软件导入*.dxf线框模型，然后赋予线框截面属性和材料属性等方式建立复杂空间结构的结构计算模型。


对于更复杂的空间结构往往用以上方法不能满足需求，需要应用参数化建模或软件丰富的样条曲线才能建立空间模型。结构专业常用的分析软件如Sap2000和MIDAS等对于结构空间构件关系的描述采用的是直线线框模型，利用Rhino建立的空间曲线和曲面的BIM模型往往不能直接导入结构计算软件。IFC4 中强化了几何资源层，扩展了建筑服务和结构领域，比如增加了异形截面形式等，但对复杂空间曲线的描述和定义尚不明确。通过IFC中间数据格式文件可以很便利的将空间直线线框模型导入到能够读取IFC文件的结构计算分析软件中。所以中间IFC数据格式文件和结构有限元分析软件固有特性都需要对空间复杂结构进行简化，Rhino建模导入结构计算软件前需要对空间三维曲线和曲面进行等分分割，利用直线段和平面拟合三维空间曲线和曲面。


导入到结构计算分析软件后对直线线框模型同样赋予材料属性和截面属性，设定支座条件和节点属性，输入各种作用荷载和工况等，由此看出建筑方案的修改都需要重新完成这些步骤。转换数据格式和结构有限元计算本身都决定了复杂空间结构BIM模型和结构模型之间转换的困难程度。

总结：结构专业BIM正向设计出图质量效率的提高有赖于建筑物理模型和结构分析模型的关联映射。复杂空间结构计算分析模型的建立需要寻求更加便利的途径方法，以便更加真实精确的模拟计算复杂空间结构。BIM模型在不同软件下的导入导出都需要BIM数据定义与交换标准的不断完善。

最后向在国内研究推广IFC标准、IDM标准和MVD标准三大BIM数据标准的学者、研究机构和软件厂商表达由衷的敬意！