張繼鋒 廖澤邦 張 昕 汪叢軍

(上海凱德數(shù)值信息科技有限公司 200080)

1 引言

建筑設(shè)計(jì)是建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電各專業(yè)相互配合、協(xié)同工作完成項(xiàng)目的過(guò)程,而 CAD軟件在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)得到了普及應(yīng)用。建筑 CAD的發(fā)展趨勢(shì)是專業(yè)化、智能化和集成化。建筑設(shè)計(jì)企業(yè)及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在集成化設(shè)計(jì)領(lǐng)域均花費(fèi)了巨大的精力,本文基于 ACA這一建筑專業(yè) CAD軟件,研究了建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集成的可能性。

ACA是 AutoCAD Architecture的簡(jiǎn)稱,是一款在 AutoCAD軟件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的采用了 BIM[1]技術(shù)的建筑設(shè)計(jì)與繪圖軟件。它的建模方式是從兩維生成三維,與傳統(tǒng)的兩維方式比較接近。但其采用了面向?qū)ο蟮募夹g(shù),即:構(gòu)件在 ACA軟件中都是對(duì)象(如圖1所示),并且可在對(duì)象上添加屬性,使得每個(gè)構(gòu)件都可以有很多不同的屬性,如:截面屬性、材料屬性等。而這些屬性都是跟構(gòu)件緊密結(jié)合在一起的,即結(jié)構(gòu)屬性成為了構(gòu)件屬性的一部分。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IFC致力于為建筑信息模型(BIM)提供一致的描述,國(guó)際上也有相應(yīng)的基于 IFC集成各專業(yè)設(shè)計(jì)的研究。然而,筆者認(rèn)為,各專業(yè)模型有其獨(dú)特性,如建筑與結(jié)構(gòu)模型在墻、柱等構(gòu)件部位相互重疊,結(jié)構(gòu)分析模型又須考慮計(jì)算對(duì)模型的要求,因此,結(jié)構(gòu)工程師實(shí)際上是參考建筑師的設(shè)計(jì)成果建立結(jié)構(gòu)模型。本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊開(kāi)發(fā)原則即是能夠直接參照建筑模型建立結(jié)構(gòu)模型。

圖1 ACA軟件中的對(duì)象

ACA中建模更加直觀,可以減少錯(cuò)誤并提高工作效率。而與 AutoCAD軟件的無(wú)縫連接使得熟悉AutoCAD軟件的建筑師和結(jié)構(gòu)工程師上手也比較容易。但因?yàn)槠渲饕嫦蚪ㄖ?缺少結(jié)構(gòu)上的建模功能,所以,為了能使結(jié)構(gòu)工程師也能充分的利用ACA軟件,減少重復(fù)勞動(dòng),實(shí)現(xiàn)建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的集成化,我們開(kāi)發(fā)了 ACA軟件的結(jié)構(gòu)模塊。結(jié)構(gòu)模塊菜單的形式如圖2所示。

圖2 ACA結(jié)構(gòu)模塊菜單

2 結(jié)構(gòu)模塊功能概覽

ACA軟件的結(jié)構(gòu)模塊是在充分利用 ACA現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上采用 DOT NET API開(kāi)發(fā)的[2-5],使其更加適合結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。其主要功能有:

(1)以表格數(shù)據(jù)形式建立軸網(wǎng)系統(tǒng),以及顯示和隱藏軸線編號(hào);

(2)自動(dòng)生成樓板;

(3)提取構(gòu)件結(jié)構(gòu)信息的功能,并添加了一些構(gòu)件的額外結(jié)構(gòu)屬性;

(4)添加構(gòu)件材料信息;

(5)添加構(gòu)件荷載以及荷載隱藏和顯示;

(6)根據(jù)層高更新樓層構(gòu)件;

(7)導(dǎo)出 ETABS格式模型文件。

下面按照結(jié)構(gòu)建模的基本步驟對(duì)此模塊的結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行較詳細(xì)的介紹。

2.1 軸網(wǎng)功能

根據(jù) ACA軟件自帶的軸網(wǎng)功能,我們添加了通過(guò)表格形式輸入軸線數(shù)據(jù)的功能,使得軸網(wǎng)的建立更加直觀和方便,如圖3。添加軸線編號(hào)以后,還可根據(jù)需要顯示和隱藏軸線的編號(hào)。

2.2 構(gòu)件布置和定義

2.2.1 構(gòu)件布置

通過(guò)自動(dòng)在軸線上添加輔助線的方法,可以直接在軸線上布置梁和墻構(gòu)件。柱布置則通過(guò)直接點(diǎn)選軸網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)生成柱。結(jié)合 ACA軟件的項(xiàng)目功能,我們實(shí)現(xiàn)了柱的長(zhǎng)度和墻的高度自動(dòng)同當(dāng)前層的層高一致,而且梁自動(dòng)生成在當(dāng)前層的層高位置。樓板的生成基于軸網(wǎng),以軸網(wǎng)的格子為模板(包括位置和形狀),同樣自動(dòng)生成在層高的位置。

圖3 軸網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入表格

圖4 通過(guò)樣式列表給構(gòu)件設(shè)置具體的樣式

2.2.2 構(gòu)件樣式

構(gòu)件布置時(shí)構(gòu)件樣式會(huì)自動(dòng)采用 ACA軟件中默認(rèn)定義的“Standard”樣式。通過(guò)方便的獲取 ACA軟件提供的“結(jié)構(gòu)桿件目錄”或“結(jié)構(gòu)桿件樣式向?qū)А苯o梁和柱構(gòu)件添加截面樣式。“目錄”中已經(jīng)提供了很多標(biāo)準(zhǔn)的截面,但沒(méi)有提供中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的截面尺寸,可以通過(guò)“向?qū)А眮?lái)自定義截面尺寸。

在定義了樣式以后,就可以選擇樣式,并賦給構(gòu)件。可以一次把一個(gè)樣式多次賦給多個(gè)構(gòu)件。樣式設(shè)置的菜單如圖4所示。

2.2.3 構(gòu)件的結(jié)構(gòu)屬性

對(duì)于柱構(gòu)件,我們定義了其起點(diǎn)和終點(diǎn)的偏移距離,以及是否需要傳遞剛度的屬性。對(duì)于墻,則定義墻的結(jié)構(gòu)形式,即是剪力墻(1.PIER),還是連梁(2.SPANDEL)。對(duì)于樓板和墻,還需要定義面的類型,即是殼 (1.SHELL),還是膜 (2.MEMBRANE)。

注:所有的材料和類型定義(包括后面的荷載定義)都可以在構(gòu)件“特性”的“擴(kuò)展數(shù)據(jù)”選項(xiàng)卡中找到,并可直接對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。在材料和類型定義之前,要先布置結(jié)構(gòu)桿件、墻和樓板等。圖5給出了墻構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特性對(duì)話框。

圖5 墻的特性輸入

2.2.4 構(gòu)件的材料定義

材料定義首先對(duì)每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)定義,即對(duì)構(gòu)件定義材料模板。每次打開(kāi)模型只能對(duì)材料預(yù)定義一次,默認(rèn)生成混凝土材料。在進(jìn)行具體構(gòu)件的材料定義時(shí),可以按照構(gòu)件的類型(如:梁、柱、墻和樓板等)進(jìn)行構(gòu)件的材料定義。

注:材料名稱的命名規(guī)則與 ETABS相同,如:混凝土(CONC),鋼材(STEEL),Q235,C40等。構(gòu)件材料定義的對(duì)話框如 6。

圖6 構(gòu)件的材料定義

2.3 荷載定義及布置

荷載的輸入采用先定義、布置,再更新的方式。包括各種荷載形式(點(diǎn)荷載、線荷載、面荷載等)和荷載工況(恒載和活載)的定義以及顯示。荷載在布置以后,將作為構(gòu)件屬性的一部分。

2.3.1 荷載定義

定義各種荷載形式,包括點(diǎn)荷載、線荷載、面荷載等,同時(shí)以示意圖的形式顯示荷載。

荷載形式包括恒點(diǎn)荷載、活點(diǎn)荷載、恒線荷載、活線荷載、柱的豎向恒載、柱的豎向活載、恒面荷載和活面荷載。面荷載定義后會(huì)直接在所有樓板上顯示荷載的值。其中點(diǎn)荷載和線荷載采用 ETABS的形式輸入。即:每次都需給出四個(gè)位置點(diǎn)及其上的荷載值和荷載的方向。圖7給出了恒點(diǎn)荷載定義時(shí)的輸入表格。

圖7 點(diǎn)荷載恒載輸入表格

2.3.2 荷載布置

選擇定義的一種荷載形式,可以把其中的定義荷載值布置到任意多的構(gòu)件上,并且會(huì)直接在圖形中顯示荷載。與荷載定義對(duì)應(yīng),在修改荷載值之后(選中構(gòu)件,在右鍵菜單中選擇“特性”,在“特性”的“擴(kuò)展數(shù)據(jù)”選項(xiàng)卡中可以修改施加荷載的位置和荷載值),可以隨之更新荷載的顯示。構(gòu)件荷載數(shù)據(jù)的屬性位置如圖8所示。荷載顯示方式為:點(diǎn)荷載以箭頭的形式顯示,線荷載以尾端相連的箭頭形式顯示,面荷載則直接在樓板上顯示荷載值。

2.3.3 荷載顯示控制

實(shí)現(xiàn)了各類荷載的隱藏和顯示功能。可以顯示和隱藏恒載、活載、點(diǎn)荷載、線荷載、面荷載或全部荷載。

圖9 ACA中樓層組裝的實(shí)例

圖10 從ACA軟件導(dǎo)入到 ETABS軟件的實(shí)例

2.4 生成 ETABS文件

樓層的組裝和顯示直接由 ACA軟件的項(xiàng)目管理功能實(shí)現(xiàn)。圖9給出了一個(gè)顯示荷載的樓層組裝圖。左圖為平面圖,右圖為組裝之后的三維顯示圖,右圖中的紅色部分表示荷載。

2.4.1 更新樓層

若某些樓層類似,可以通過(guò)復(fù)制構(gòu)件到層的方法直接得到新的層構(gòu)件。復(fù)制層時(shí),若復(fù)制層與目標(biāo)層的層高不同,可以根據(jù)目標(biāo)層的層高對(duì)柱的長(zhǎng)度、梁的位置和墻的高度進(jìn)行自動(dòng)更新。

2.4.2 生成 ETABS文件

通過(guò)按照樓層的標(biāo)高從小到大的順序獲取各個(gè)樓層的構(gòu)件信息和荷載信息完成樓層組裝,生成ETABS文本文件。生成的 ETABS文件擁有默認(rèn)的分析選項(xiàng),可以直接導(dǎo)入到 ETABS中進(jìn)行恒載和活載工況的結(jié)構(gòu)計(jì)算。圖10給出了圖9所示模型在導(dǎo)入到 ETABS中以后的 ETABS模型圖。

3 結(jié)語(yǔ)和展望

對(duì)國(guó)內(nèi)的建筑行業(yè)來(lái)說(shuō),ACA軟件因其從二維到三維的特性,是一個(gè)很好的部署 BIM的平臺(tái)。本文在 ACA建筑軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模塊的開(kāi)發(fā),建立了 ACA的結(jié)構(gòu)建模的基本功能和模型導(dǎo)出功能,實(shí)現(xiàn)了基本的結(jié)構(gòu)建模及與ETABS結(jié)構(gòu)分析軟件的接口。在 ACA中建立結(jié)構(gòu)模型,材料、樣式和荷載都作為構(gòu)件的屬性,因此可以很方便的得到結(jié)構(gòu)模型信息。接下來(lái)我們將進(jìn)一步完善 ACA軟件的結(jié)構(gòu)建模功能,以使其能完成更加復(fù)雜的建模工作。同時(shí)我們也在考慮,把結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果重新導(dǎo)入到 ACA中,把構(gòu)件的內(nèi)力信息也作為屬性添加進(jìn)來(lái),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在 ACA中直接出施工圖的功能。

[1]Autodesk BIM,http://www.autodesk.com.cn

[2]Autodesk系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)培訓(xùn)教程,秦洪現(xiàn),崔惠嵐,孫劍等編,化學(xué)工業(yè)出版社,2008

[3]http://through-the-interface.typepad.com/

[4]Autodesk ADN網(wǎng)絡(luò),http://adn.autodesk.com/

[5]AutoCAD DOT NET討論組,http://discussion.autodesk.com/