凱爾薩爾·吐爾迪

(新疆維吾爾自治區(qū)交通運(yùn)輸工程質(zhì)量監(jiān)督局，烏魯木齊 830000)

1 引言

建筑信息建模(BIM)因其在信息集成和共享方面的優(yōu)勢， 一直是建筑、 工程和施工行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。 由于BIM 對建筑生命周期的各個(gè)階段都有很強(qiáng)的實(shí)用性，因此在建筑項(xiàng)目參與者之間的有效協(xié)作中， 其使用越來越普遍。然而，由于在設(shè)計(jì)和施工階段合作者之間使用不同的軟件，因此出現(xiàn)了各種問題。 隨著BIM 的不斷改進(jìn)，通過集成系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目所涉及的各種監(jiān)管實(shí)踐需要通過模型來幫助它們簡化多學(xué)科集成相關(guān)的問題[1-3]。

本研究旨在解決建筑模型與結(jié)構(gòu)分析模型之間的整合難題，首先，討論了建筑模型和結(jié)構(gòu)分析模型之間的區(qū)別；其次，提出了基于BIM 的方法及其組成部分，包括基于BIM 的統(tǒng)一信息模型、基于區(qū)域的特征點(diǎn)匹配算法實(shí)現(xiàn)模型集成、 實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果的動(dòng)態(tài)集成機(jī)制；再次，闡述了該方法的實(shí)現(xiàn)過程，包括客戶服務(wù)器平臺(tái)和集成應(yīng)用的工作流程；最后，通過在一個(gè)復(fù)雜的大型實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用來說明集成的作用[4]。

2 建筑模型與結(jié)構(gòu)分析模型的比較

建筑模型主要用于描述建筑物的幾何和外觀， 而結(jié)構(gòu)分析模型由結(jié)構(gòu)工程師指定用于垂直和橫向荷載傳遞的結(jié)構(gòu)元素組成，添加不同的荷載工況和幾何邊界條件。如圖1 所示，Tekla 模型主要包含幾何和零件信息以及軸和截面信息， 而Midas 土木結(jié)構(gòu)分析模型主要包含結(jié)構(gòu)信息，包括接頭、構(gòu)件、材料、截面、荷載、約束條件等，這些信息大多是從建筑模型中提取的由結(jié)構(gòu)工程師定義。主要支持的文件格式分別是*.ifc 和*.mct。 Tekla 建筑模型模型對施工模擬、 工程量計(jì)算和自動(dòng)繪圖具有重要意義， 而Midas 土木結(jié)構(gòu)分析模型對保證施工安全具有重要意義。因此，將這兩個(gè)模型結(jié)合起來創(chuàng)建重要的值是下面幾節(jié)討論的關(guān)鍵問題。

圖1 建筑模型與結(jié)構(gòu)分析模型的比較

3 信息建模與數(shù)據(jù)集成方法

3.1 基于BIM 的統(tǒng)一信息模型

基于BIM 的統(tǒng)一信息模型是一種數(shù)據(jù)模型，用于彌補(bǔ)建筑模型與結(jié)構(gòu)分析模型之間的差距， 并將施工過程中應(yīng)變儀和全站儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成。 該模型組織數(shù)據(jù)元素， 并將數(shù)據(jù)元素的表示方式以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

每個(gè)架構(gòu)組件都是一個(gè)“建筑構(gòu)件”，將每個(gè)建筑構(gòu)件的網(wǎng)格表示劃分為幾個(gè)三角形。 組件的擴(kuò)展屬性也存儲(chǔ)在統(tǒng)一信息模型中。 結(jié)構(gòu)元素包括基本節(jié)點(diǎn)信息及其屬性，如材料和截面信息。結(jié)構(gòu)單元還包含由結(jié)構(gòu)分析軟件計(jì)算的機(jī)構(gòu)計(jì)算結(jié)果， 這些計(jì)算結(jié)果與不同的施工實(shí)例相關(guān)聯(lián)； 結(jié)構(gòu)元素通過建筑構(gòu)件的ID 與建筑組件關(guān)聯(lián)。在施工過程中，將構(gòu)件應(yīng)力等監(jiān)測數(shù)據(jù)和沉降變形等實(shí)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)集成到統(tǒng)一的信息模型中。 這些數(shù)據(jù)被分配給監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)通過“建筑構(gòu)件的ID”與建筑構(gòu)件相連，通過構(gòu)件上監(jiān)測點(diǎn)的精確位置獲得。該模型克服了建筑和結(jié)構(gòu)分析模型之間的語義和信息表示， 動(dòng)態(tài)地集成了項(xiàng)目數(shù)據(jù)，為后續(xù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.2 實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果的動(dòng)態(tài)集成

施工過程中產(chǎn)生了大量的監(jiān)測和理論資料， 必須正確利用這些數(shù)據(jù)，并將其集成到基于BIM 的統(tǒng)一信息模型中。 對于監(jiān)測數(shù)據(jù)，它們通過“北斗”集成到與Tekla 模型相關(guān)聯(lián)的監(jiān)測點(diǎn)中， 通過確定監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)與Tekla 組件的邊界框之間的空間關(guān)系，可以獲得這些數(shù)據(jù)。理論數(shù)據(jù)，特別是單元應(yīng)力結(jié)果，通過“元素ID”集成到Midas 模型中。我們可以從不同的實(shí)例導(dǎo)入計(jì)算結(jié)果，這些實(shí)例與具有相同“元素ID”的相應(yīng)元素相關(guān)聯(lián)。 基于前面提出的模型集成，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和轉(zhuǎn)換(圖2)。 并且具有以下優(yōu)點(diǎn)：(a)可以方便地將實(shí)際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而有助于通過對比分析進(jìn)行決策；(b)提供了收集、管理和查看復(fù)雜施工數(shù)據(jù)的便捷方法；(c) 通過Tekla 模型與進(jìn)度計(jì)劃的關(guān)系， 根據(jù)施工實(shí)例實(shí)現(xiàn)模型同步更新和數(shù)據(jù)可視化；(d)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際監(jiān)測與理論分析的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而將監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)添加到結(jié)構(gòu)分析中， 這將在下一節(jié)中詳細(xì)描述。

4 開發(fā)的集成系統(tǒng)

在上述方法和算法的基礎(chǔ)上， 研究開發(fā)了一個(gè)新的模型和鏈接數(shù)據(jù)集成平臺(tái)4D-BIM 信息集成系統(tǒng)。 基于BIM 的統(tǒng)一信息模型作為中心數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)， 集成應(yīng)用程序的工作流如圖3 所示。 本研究采用Tekla 軟件建立建筑設(shè)計(jì)模型，Midas 土木軟件建立結(jié)構(gòu)分析模型。 這些模型通過適當(dāng)?shù)慕涌?ifc 和*.mct 文件格式)和建議的算法集成到平臺(tái)中， 施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)采用應(yīng)變儀或全站儀采集，這些施工數(shù)據(jù)被動(dòng)態(tài)集成到平臺(tái)中，然后連接到Tekla 模型的監(jiān)測點(diǎn)，考慮到Tekla 模型已經(jīng)與進(jìn)度計(jì)劃相關(guān)聯(lián)，可以根據(jù)案例時(shí)間推導(dǎo)出合適的Tekla 模型。 由于Tekla 模型和Midas Civil 模型的集成， 相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析模型可以從不同的施工案例中導(dǎo)出。 此外，與Tekla 模型相關(guān)聯(lián)的監(jiān)測數(shù)據(jù)也可以轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析模型的荷載或約束信息，從而自動(dòng)生成修改后的實(shí)例模型，供結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行分析和評估。從而實(shí)現(xiàn)了模型集成和信息轉(zhuǎn)換，從而顯著地消除了重復(fù)勞動(dòng)，提高了效率。

5 案例研究

本研究在廣西省南寧市的某大橋工程中進(jìn)行了試驗(yàn)。 大橋采用剛性懸索加固三主桁梁(六車道公路、雙線鐵路橋梁)的大跨度鐵路公路鋼橋。 該橋全長798.3 m，重36249 t，采用三鋼桁梁結(jié)構(gòu)，建筑設(shè)計(jì)模型采用Tekla 軟件，結(jié)構(gòu)分析模型采用Midas Civil 軟件?；谒岢龅姆椒ê推脚_(tái)，2 種不同的模型可以成功地集成并應(yīng)用于各個(gè)方面，從而為項(xiàng)目帶來明顯的效益。

圖2 監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果的動(dòng)態(tài)集成

圖3 集成應(yīng)用工作流程

第一步是信息集成。 基于集成模型(圖4)不僅可以從Tekla 模型中查看關(guān)鍵信息，如幾何、零件和進(jìn)度信息，還可以從Midas Civil 模型中獲取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)信息， 如同一窗口中的節(jié)點(diǎn)、材料、截面和應(yīng)力。 成功導(dǎo)入了不同殼體模型單元的應(yīng)力結(jié)果， 并在開發(fā)的平臺(tái)上顯示了相應(yīng)的應(yīng)力云圖。

第二步是同步模型更新和數(shù)據(jù)可視化?？紤]到Tekla模型與時(shí)間表相關(guān)，它會(huì)隨著時(shí)間不斷更新?；谀Ｐ图珊玩溄訑?shù)據(jù)， 支持更新和可視化集成模型以及施工案例，包括Tekla 模型、相關(guān)監(jiān)測點(diǎn)和相應(yīng)的Midas Civil 模型(見圖5)。 因此，可以方便地查看和分析案例模型和案例數(shù)據(jù)，從而為案例管理的后續(xù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖4 信息集成的應(yīng)用

圖5 集成模型與數(shù)據(jù)信息的同步更新

第三步是案例管理。 結(jié)構(gòu)工程師必須通過重復(fù)的建模工作和手工添加約束信息， 對不同的施工實(shí)例進(jìn)行模型分析?；谇懊婕蓱?yīng)用的工作流，可以自動(dòng)生成不同的案例模型(如圖6 中的案例19-1)。 對于一個(gè)具體的施工案例，通過施工模擬可以得到合適的Tekla 模型。 可以獲得相應(yīng)的相關(guān)元素，從而生成分析模型的基本幾何、材料和剖面信息。然后，將三個(gè)主桁架在不同情況下測得的高差，連接到Tekla 模型的監(jiān)測點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為約束和強(qiáng)迫位移信息，自動(dòng)加入到結(jié)構(gòu)分析模型中。 這樣，工程師可以根據(jù)施工情況得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析模型， 節(jié)省大量的時(shí)間和人力。

圖6 自動(dòng)導(dǎo)出分析模型的應(yīng)用

6 結(jié)論

針對模型整合與資訊轉(zhuǎn)換所面臨的挑戰(zhàn)， 為施工管理與評估帶來顯著效益， 本研究初步比較架構(gòu)模型與結(jié)構(gòu)分析模型的差異，以完成整合的挑戰(zhàn)。 在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于BIM 的統(tǒng)一信息模型，形成了模型和數(shù)據(jù)集成的中心信息層。所提出的模型將這種集成所需的模型實(shí)體和關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)化。 在此基礎(chǔ)上，提出了實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果動(dòng)態(tài)集成的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了Tekla 模型與Midas-Civil 模型的模型集成，包括關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息。 所提出的解決方案在我們自己的平臺(tái)上原型化，以實(shí)現(xiàn)集成應(yīng)用。

以某跨河大橋?yàn)楣こ虒?shí)例， 對該方法和平臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。盡管實(shí)際項(xiàng)目的規(guī)模和復(fù)雜性很大，但測試的場景還是成功地執(zhí)行了。 一方面，在集成模型的基礎(chǔ)上，可以看到各種信息，包括Tekla 信息、Midas 信息、應(yīng)力云圖信息等。 另一方面，集成模型可以隨進(jìn)度進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)不同施工情況自動(dòng)導(dǎo)出結(jié)構(gòu)分析模型， 減少了重復(fù)建模工作，提高了效率。