陸海燕 鐘鐵夫 王秀文

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870；2.遼寧正大工程造價事務(wù)所有限責(zé)任公司，沈陽 110002)

基于BIM的框架結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計研究

陸海燕1鐘鐵夫1王秀文2

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870；2.遼寧正大工程造價事務(wù)所有限責(zé)任公司，沈陽 110002)

本文分析了建筑結(jié)構(gòu)平法施工圖及BIM模型中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的對象類型和描述方式，結(jié)合框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點，提出了一種基于BIM技術(shù)的框架結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計模型。通過對Autocad 及BIM軟件二次開發(fā)，并以Excel作為數(shù)據(jù)儲存及補充輸入工具，實現(xiàn)了二維圖形中Satwe計算結(jié)果及結(jié)構(gòu)施工圖中結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息的提取，完成了框架結(jié)構(gòu)配筋的優(yōu)化設(shè)計及BIM三維自動建模與交互式設(shè)計，在 Catia上進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn)，并將其應(yīng)到實際工程中。

BIM；框架結(jié)構(gòu)；參數(shù)化；二次開發(fā)；Catia

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2015.05.19

引言

目前框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，普遍采用建筑結(jié)構(gòu)施工圖平面整體設(shè)計方法(平法)表達(dá)，它將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋、定位和尺寸等直接表達(dá)在二維平面布置圖上，改變了傳統(tǒng)的將各個構(gòu)件逐個繪制詳圖的繁瑣制圖方法，極大地提高了設(shè)計效率[1]，但平法施工圖采用以Autocad 為代表的二維圖形文件作為設(shè)計手段，其存在著信息表達(dá)不直觀、鋼筋定位信息不全、特別是節(jié)點部位鋼筋信息設(shè)計深度不夠等缺點。二維設(shè)計的實質(zhì)是將復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)分解成簡單的二維平面圖、立面圖和剖面圖形加以設(shè)計，然后通過人的思維建立起完整的模型，這種二維設(shè)計思想不僅制約了設(shè)計人員的創(chuàng)造力，而且也是造成設(shè)計不合理或者錯誤的根源[2]。因此，有必要進(jìn)行更為精確的三維優(yōu)化設(shè)計。

BIM技術(shù)具有強大的三維設(shè)計功能，使得設(shè)計不但具有三維可視化和協(xié)同的特性，而且可做到設(shè)計信息自動存儲和提取。BIM模型中所有的結(jié)構(gòu)件都是具有一定意義的三維實體，提供的信息量完整，且三維顯示直觀并可實時觀察，使結(jié)構(gòu)設(shè)計者能夠準(zhǔn)確地把握結(jié)構(gòu)布置的合理性及結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造特征，能很好地提高設(shè)計的深度和準(zhǔn)確性。本文結(jié)合工程實踐、提出框架結(jié)構(gòu)基于BIM的參數(shù)化設(shè)計模型，通過對Autocad和Catia 二次開發(fā)，在Catia上進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn)，并將其應(yīng)到實際工程中。

1 BIM與參數(shù)化設(shè)計

1.1 BIM

BIM模型是一種全新載有信息的圖形模型，其基本單位不再是簡單的、沒有明確含義的點、線、面和體，而是具有明確建筑意義的、數(shù)字化的實體對象。BIM采用對象模型來描述和表現(xiàn)現(xiàn)實世界中紛繁復(fù)雜的建筑構(gòu)件，BIM模型除了幾何數(shù)據(jù)外，更有大量的工程信息數(shù)據(jù)，因此BIM模型中的三維模型與那些用于表現(xiàn)視覺效果的三維模型或Autocad二維設(shè)計模型，有著本質(zhì)的區(qū)別，具體表現(xiàn)在可視化設(shè)計、各專業(yè)協(xié)同設(shè)計和建筑信息化方面。BIM技術(shù)的應(yīng)用，可大幅度減少設(shè)計失誤，提高設(shè)計質(zhì)量，可解有效的設(shè)計中的碰觸問題。更為重要的是BIM中的信息化，可以將建筑相關(guān)的專業(yè)有效的結(jié)合在一個平臺下，如建筑設(shè)計中立項審批、建筑設(shè)計、施工、監(jiān)理、造價和管理部門的竣工驗收等均可在BIM平臺下進(jìn)行，這對于促進(jìn)行業(yè)的規(guī)范發(fā)展、提高建筑業(yè)的信息化管理水平具有重要意義[3-4]。

1.2 參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計的歷史悠久，在機(jī)械制造、電子和航空工業(yè)等方面得到了廣泛應(yīng)用，其核心思想是把設(shè)計對象模型化和數(shù)字化。就建筑設(shè)計而言，在參數(shù)化設(shè)計中，整體建筑是一個大的對象，它是由若干基本對象組成，如梁、板、門、窗等建筑元素均可作為基本對象。若把建筑抽象成一個類，則組成建筑物的基本對象也可以抽象為基類，這樣我們就可以用數(shù)字化的模型來描述特定建筑對象，形成一個數(shù)字化的建筑模型。可見參數(shù)化設(shè)計和BIM模型是統(tǒng)一的，可以用各種參數(shù)來對BIM模型進(jìn)行約束，從而達(dá)到快速建立BIM模型，也可以通過參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和模型中各種信息的提取等。

參數(shù)化設(shè)計包含參數(shù)化模型和對模型的操作兩層意思[5]，在參數(shù)化設(shè)計中，模型可視為類，而模型的實體可視為對象。在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想中，對象的參數(shù)可分為屬性參數(shù)和行為參數(shù)，對象的行為參數(shù)是對對象實體自身和對象之間關(guān)聯(lián)的響應(yīng)[6]，對象的屬性參數(shù)是對對象自身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性有效的描述，參數(shù)化設(shè)計可以實現(xiàn)類和對象之間的動態(tài)設(shè)計，即模型類參數(shù)的修改，會引起對應(yīng)的實體對象做相應(yīng)的聯(lián)動修改，極大地提高了工作效率。參數(shù)化設(shè)計作為一種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，建筑模型的數(shù)據(jù)不再是孤立的，更注重模型內(nèi)部及模型之間的拓?fù)潢P(guān)系。通過這種拓?fù)潢P(guān)系，不同的對象得以組合得到建筑實體，從而為采用計算機(jī)程序?qū)ㄖ误w和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計提供了可能。

2 框架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

參數(shù)化建模的變量是參數(shù)而不是簡單的數(shù)值，參數(shù)可以是幾何數(shù)值和材料屬性等，通過改變模型中的參數(shù)而驅(qū)動模型的變化。Catia參數(shù)化建模的思想主要是先進(jìn)行模型的設(shè)計，然后把限定構(gòu)件模型屬性的坐標(biāo)、尺寸、材料等信息定義成參數(shù)，通過給參數(shù)賦值驅(qū)動Catia內(nèi)部對象完成模型的設(shè)計，賦值不同的參數(shù)，得到不同的參數(shù)化模型實例?？蚣芙Y(jié)構(gòu)中梁柱設(shè)計主要是節(jié)點區(qū)域和非節(jié)點區(qū)域(梁柱自身)配筋的設(shè)計，由于規(guī)范構(gòu)造要求繁多，除要滿足承載力要求所需要的鋼筋面積外，還有更為繁雜的工程中梁柱布置的多樣性，因此框架結(jié)構(gòu)中梁柱的配筋是千變?nèi)f化的。通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范有關(guān)條文的深入理解，并充分考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的可行性與方便，結(jié)合以往的工程設(shè)計經(jīng)驗和參數(shù)化設(shè)計思想，我們對框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出將梁柱構(gòu)件的建模分成為節(jié)點區(qū)域和非節(jié)點區(qū)域兩個階段分別建模的參數(shù)化設(shè)計模型。

(1)非節(jié)點區(qū)域的參數(shù)化設(shè)計模型

如圖1和圖2所示。在這一階段，梁柱按照自身受力需求進(jìn)行鋼筋配筋設(shè)計，而不考慮節(jié)點部位的連接情況，即把梁柱看作是“光頭光腳”單個桿件進(jìn)行設(shè)計。

圖1 梁非節(jié)點域參數(shù)化模型

圖2 柱非點節(jié)域參數(shù)化模型

(2)節(jié)點區(qū)域的參數(shù)化設(shè)計模型

在這一階段，主要解決梁柱端點處鋼筋分布及錨固情況，將節(jié)點設(shè)計成參數(shù)化模型，由節(jié)點的關(guān)聯(lián)函數(shù)將節(jié)點區(qū)域與非節(jié)點區(qū)域連接起來。對常用的梁柱節(jié)點連接情況，我們構(gòu)造處如表1所示節(jié)點區(qū)域的參數(shù)化設(shè)計模型。

(3)參數(shù)化設(shè)計的兩階段實施策略

第一階段是不考慮節(jié)點的實際連接情況，完成梁柱非節(jié)點區(qū)域的設(shè)計。首先根據(jù)設(shè)計要求確定出梁柱截面尺寸參數(shù)[7]；再根據(jù)計算需求確定出配筋參數(shù)；最后根據(jù)梁柱端點坐標(biāo)，在Catia中繪出實體模型，進(jìn)而形成框架結(jié)構(gòu)含有配筋的設(shè)計模型。

第二階段是節(jié)點設(shè)計。提取第一階段形成的框架模型的梁柱節(jié)點，以此進(jìn)行遍歷，確定出每個節(jié)點的參數(shù)化設(shè)計模型，通過關(guān)聯(lián)函數(shù)完成節(jié)點的配筋優(yōu)化設(shè)計。

將上述兩個階段結(jié)合在一起，即可完成框架結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計。

3 Catia軟件二次開發(fā)

Catia是由法國達(dá)索公司(Dassault Systems)研究開發(fā)的基于BIM的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，由于其具有強大的曲面造型能力，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)，汽車，機(jī)械等領(lǐng)域。隨著國內(nèi)對BIM研究和應(yīng)用的深入，Catia也被廣泛的應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域。二次開發(fā)是對軟件用戶化和專業(yè)化的有效方法，在提高軟件的應(yīng)用效率和專業(yè)性方面有著非常重要的作用[8]。目前Catia開發(fā)主要有兩種方式，即進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序方式和進(jìn)程外應(yīng)用程序方式[9-10]。本文采用進(jìn)程外應(yīng)用程序方式對Catia二次開發(fā)，具體開發(fā)過程祥見流程圖4，代碼如下。

'提取EXCEL中信息

Set xlapp = CreateObject("Excel.Application")′Excel對象

Set xlbook = xlapp.Workbooks.Open("C:aaa.xlsx")′工作簿

Set xlsheet = xlbook.Worksheets(1)′工作表

xlapp.Visible = True ′設(shè)置EXCEL對象可見(或不可見)

xlapp.Quit

′創(chuàng)建梁柱實體

Set shapeFactory1 = oPart.ShapeFactory

Dim oRib() As Rib

ReDim Preserve oRib(ColNum)

Set oRib(i) = apeFactory1.AddNewRibFromRef()

oPart.Update

′創(chuàng)建選擇集

Dim Selection As Selection

Set Selection =oPartDoc.Seclection

′在當(dāng)前選擇集中查找Rib

Dim FindObjectAsAnyObject

Set FindObject=Seclection.FindObject(”CATIARib”)

′獲取點坐標(biāo)

Set TheSPAWorkbench

=CATIA.ActiveDocument.GetWorkbench("SPAWorkbench")

Set reference1 = oPart.FindObjectByName("p_2")

Set measureObj = TheSPAWorkbench.GetMeasurable(reference1)

measureObj.GetPoint Coordinates1

圖4 Catia二次發(fā)流程

圖5 實施方案流程圖

4 實施方案

為了實現(xiàn)梁柱參數(shù)化設(shè)計，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，分別對Autocad 及Catia進(jìn)行二次開發(fā)，以Excel表格作為數(shù)據(jù)儲存及補充輸入工具，并結(jié)合參數(shù)化模型，在Satwe、Autocad、Excel和Catia多平臺軟件上完成梁柱設(shè)計。實施方案見流程圖5，具體步驟如下：

圖6 框架結(jié)構(gòu)平面布置圖

(1)通過圖形識別方法對二維框架結(jié)構(gòu)平面布置圖進(jìn)行識別，得到框架信息，結(jié)合梁柱參數(shù)化模型

形成梁柱節(jié)點信息，結(jié)果存入到Excel中；

(2)將Satwe軟件的框架結(jié)構(gòu)中梁柱計算結(jié)果轉(zhuǎn)成CAD文件，通過圖形識別得到梁柱計算的配筋需求，結(jié)果存入到Excel中；

(3)通過框架結(jié)構(gòu)中梁柱參數(shù)化模型得到各梁柱的實際配筋方案，并將結(jié)果存入到Excel中。通過Catia二次開發(fā)，讀取Excel的梁柱信息，在Catia軟件上完成梁柱建模；

(4)采用人工交互式方式在Catia中對梁柱配筋進(jìn)行調(diào)整和碰幢檢驗，；

(5)讀取Catia中梁柱信息，生成二維CAD 框架梁柱配筋平面圖，并提取梁柱工程量信息。

5 某框架結(jié)構(gòu)梁柱設(shè)計

某12層辦公樓，框架結(jié)構(gòu)，抗震等級為三級，設(shè)計中采用HRB400鋼筋，混凝的強度等級為C30，其結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖6所示。結(jié)構(gòu)計算采用PKPM軟件，BIM采用Catia。采用本文提出的參數(shù)化設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，框架配筋結(jié)果見圖7，由于引入優(yōu)化選筋算法和BIM可視化設(shè)計，梁柱配筋量明顯較小，據(jù)業(yè)主方統(tǒng)計鋼筋損耗小于1.5%，而成本核算中的鋼筋損耗值為2%，可見采用本文提出的方法是可行的。

圖7 Catia框架配筋結(jié)果

6 結(jié)語

本文對Autocad及Catia進(jìn)行二次開發(fā)，并結(jié)合參數(shù)化設(shè)計模型，在Satwe、Autocad、Excel和Catia多平臺件上完成了梁柱參數(shù)化設(shè)計。實踐工程應(yīng)用表明，本文提出的梁柱參數(shù)化設(shè)計方法有廣泛的適應(yīng)性，可大大提高設(shè)計質(zhì)量，節(jié)省工程成本。通過本文的研究可得出如下結(jié)論：

(1)參數(shù)化設(shè)計是BIM模型實現(xiàn)的重要方法，通過參數(shù)建模方式既可以解決建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中復(fù)雜力學(xué)要求和規(guī)范構(gòu)造要求，也可以解決BIM建模效率低的問題。參數(shù)化模型可作為BIM解決工程中各種實體對象的一種手段。

(2)BIM技術(shù)不只是一個軟件的使用問題，而是一門技術(shù)。BIM具有多平臺的特性，僅僅依靠一兩個軟件來完成所有的設(shè)計還不現(xiàn)實。

(3)BIM采用參數(shù)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計由二維點、線、面的組合問題轉(zhuǎn)變?nèi)S實體組合問題，這樣可以減少設(shè)計的工作量、提高設(shè)計質(zhì)量。

(4)利用Catia 提供的API函數(shù)對Catia 二次開發(fā)可以更好地完善和拓展Catia的功能， 以適應(yīng)實際工程復(fù)雜多樣的特點。

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Research on Parametric Design of Frame Structure based on BIM Technology

Lu Haiyan1, Zhong Tiefu1, Wang Xiuwen2

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,China; 2.LiaoningZhengdaEngineeringFirmLimitedLiabilityCompany,Shenyang110002,China)

In this paper, the flat method construction drawing of building structure and the object type and description mode of the structural members in the BIM model are analyzed. Based on the design features of the frame structure, it proposes a parametric design model of frame structure based on BIM technology. with the secondary development of AutoCAD and BIM software and with Excel as the data storage and additional input tool, it achieves the information extraction of Satwe calculation results in the two-dimensional graphics and structural members in the structure construction drawing, accomplishes the optimization design of frame structure reinforcement and automatic three-dimensional BIM modeling and interactive design, carries out the program implementation on CATIA, and applies it to the practical engineering.

BIM; Frame Structure; Parameterization; Secondary Development Technology; Catia

陸海燕(1970-)，男，博士，講師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。主要研究方向：建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及BIM軟件的應(yīng)用與開發(fā)研究。

TU17；TU375.4

A

1674-7461(2015)05-0107-06