基于BIM的建筑结构协同设计关键问题研究
蒋慧 李希胜
摘 要：为促进BIM技术在建筑结构协同设计中的应用，本文基于BIM技术、协同设计原理与LOD理论，采用系统分析方法建立基于BIM-Revit的建筑结构施工图协同设计流程，分析协同设计过程中结构信息数据传递存在的问题，借助Revit二次开发平台和Export/Import Excel插件解决BIM模型转换过程中信息提取与转换的问题，并提出建立符合结构施工图出图标准以及BIM交付标准的结构标准族库的建议，以实现在Revit中出具结构平法施工图。研究成果有助于结构设计信息的有效传递及应用，提高建筑结构设计的质量和效率。
关键词：BIM-Revit;建筑结构;协同设计;关键问题
中图分类号：TU0201.4文献标识码：文章编号：1006-8023（2018）06-0102-07
Key Problems Research on Building Structure Collaborative
Design Based on BIM
JIANG Hui， LI Xisheng*
（College of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）
Abstract： In order to promote the application of BIM technology in the collaborative design of building structure， based on BIM， collaborative design principle and LOD theory， the system analysis method is used to establish a collaborative design process of building structure construction drawing based on BIM-Review， and analyze the problems of structure information data transmission in collaborative design process. Using Revit secondary development platform and Export/Import Excel plug-in to solve the problem of information extraction and transformation in BIM model transformation process. It is proposed to establish a structural standard design family and library that conforms to the structural construction drawing standard and the BIM standard， in order to realize the structural leveling drawing in Revit. The research results are helpful to the effective transmission and application of structural design information， and to improve the quality and efficiency of structural design.
Keywords：? BIM-Revit; building structure; collaborative design; key problems;
0 引言
BIM（Building Information Modeling）以三維数字技术为基础，集成建筑全生命周期的工程数据信息，已经被建筑界视为节约成本、缩短工期的有力工具[1]。目前，建筑设计正处在从传统设计到BIM协同设计的过渡阶段，亟需解决的主要问题集中在协同设计流程、信息数据流转以及结构施工图出图3个方面。尽管一些设计单位已经完成了设计成果从二维图纸到三维模型的转换，但是结构设计过程中结构分析和施工图设计仍然是两个相互独立的环节[2]。不少学者应用RevitAPI二次开发平台对模型信息进行转换，研究了Revit软件和MIDAS、ETABS、ANSYS等常用的结构分析软件之间的交互操作，但仍存在信息丢失、遗漏等问题[3-7]。另外，Revit自带的族无法满足模型设计深度要求，出具的施工图也不完全符合我国的出图标准[8-10]。本文基于协同设计和LOD理论，以Revit为建模工具，建立了基于BIM协同设计流程，研究了建筑模型与结构分析软件的协同数据处理以及相关结构标准族创建问题，有助于解决结构设计过程的“信息孤岛”问题，进而提高设计效率和质量。
1 BIM协同设计与传统设计模式对比
1.1 BIM协同设计概念
协同设计即是通过建立网络服务器，集成建筑、结构和MEP等不同专业的设计数据信息，在同一个BIM平台下，各专业的设计信息通过链接协同方式被其它专业人员查看调用，相同专业间通过工作集协同方式同步更新设计模型，以便及时进行高效准确的信息流转和共享[11]。协同设计首先应该明确各专业模型设计深度和要求，确保设计信息数据高效传递和处理。
1.2 传统结构设计与BIM协同结构设计对比
传统的建筑结构设计通常采用“线性”模式，从建筑设计开始，结构和MEP等专业围绕二维建筑图纸展开，不同专业之间信息交换只能通过定期或者节点式的提供资料来实现。并且，结构分析和施工图设计是两个互相独立的环节，利用结构分析计算得到的结果对施工图设计提供指导，最终确定结构构件尺寸和配筋情况。这种设计模式缺乏有效的协作交流，建筑师传递给结构工程师的指令以及结构工程师反馈的设计信息容易发生混乱、迟滞，影响工作效率。
BIM协同结构设计是基于同一个三维参数化模型的闭合“环形”，各专业可以通过中心服务器实现同步设计，结构专业的设计信息可以在上下游专业之间无缝传递和共享，且结构分析和施工图设计是一个整体，二者通过BIM模型实现信息共享和联动变更，大大缩短了各专业之间的协调时间，可以更高效、高质量的完成设计任务。
两种设计模式流程分别如图1和图2所示，具体差异见表1。经比较，BIM协同设计为各专业建立了良好的协作机制，摒弃了传统、封闭的交流模式，能有效提高设计效率及质量。表1总结了两种设计模式在信息载体、信息传递、交付内容等方面的主要区别。
2 基于LOD的建筑结构BIM协同设计流程
2.1 组织及实施
（1）人员组织。一个完整的BIM协同设计团队主要由BIM项目负责人、BIM专业负责人以及BIM 设计师组成，他们在项目进行过程中协同配合，各司其职，以BIM项目负责人为核心形成直线式组织结构，如图3所示。
协同小组人员根据《建筑工程设计信息模型交付标准》明确各个阶段的设计深度和具体职责。BIM项目负责人负责制定BIM相关工作计划以及标准规范并统筹管理整个工作流程;专业负责人基于BIM协同平台执行项目计划并监管整个计划实施过程;设计师则依靠设计经验以及BIM软件操作技术为项目提供技术支撑。具体的工作职责见表2。
（2）协同方法
结构设计协同分为结构专业内部协同，以及与结构与其他专业之间的协同。目前，Revit提供了两种协同方式：基于工作集的协同及基于链接模型的协同。前者是在数据层面上的协同工作方式，即多个设计人员对同一个三维模型进行设计，每个设计人员独立编辑自己所属的工作集，建模过程中及时与中心文件同步，以完成专业间的协同设计。可通过开启和关闭工作集对其他成员的工作集进行查看和隐藏，还可以通过相互借用其他人的工作集进行交叉设计，从而实现对成员间的实时数据共享[12];后者是每个专业都有各自专业信息模型，通过外部链接的方式可以在自己的模型中浏览其他专业模型内容，但无法对他人的文件进行编辑。两种模式区别见表3。实际应用时应结合项目特征、设计要求以及硬件平台实际情况，合理选择协同方式。
2.2 基于LOD300的协同设计内容
LOD代表的含义是level of detail，即精细度等级。根据《建筑工程设计信息模型交付标准》规定：“建筑工程信息模型精细度应由信息粒度和建模精度组成”，并提出了建筑信息模型工程设计的5个等级模型，分别为LOD100-LOD500 [14]。
（1）LOD300内容
施工图设计阶段对应的模型精细度等级为LOD300，对该等级建模所需要具备的结构构件信息及相应的信息深度要求进行提取，整理见表4。
（2）按工作进度划分BIM协同设计内容
开展基于LOD300的BIM协同设计工作，首先需要按照设计项目进度划分工作节点，然后根据工作节点以及具体设计内容确定相应的设计深度及设计成果，并根据各个节点的任务需求及设计深度明确各专业相关负责人及职责。表5按照项目进度列出了施工图设计阶段协同设计的主要工作。
3 协同设计数据转换及处理
3.1 物理模型转分析模型
结构设计关键工作之一是将结构设计模型转换为结构分析模型，并进行结构分析计算。转换方式有两种：仅交换分析模型和直接交换物理模型[15]。前者按结构力学分析要求对模型简化，忽略了偏心弯矩等问题;第二种交换模式更有助于保证结构计算精度。
以PKPM结构分析软件为例，经实测，利用TSRevitFor 2016插件将Revit建立的结构模型导入PKPM进行结构分析计算，其结果与PKPM直接建模，并计算分析结果对比，结果基本准确，但是在信息提取和传递过程中存在边界条件及荷载丢失、荷载作用位置发生变化、复杂构件和异形构件无法导入等情况。
3.2 数据的深度挖掘
针对Revit和PKPM在结构数据模型交换过程中出现的部分信息丢失问题，可用创建外部命令（IExternal Command）的方式开发基于Revit的API[16-17]。由于PKPM软件平台接口的封闭性，独立开发PKPM的接口文件较为困难，可借助Export/Import Excel插件以第三方共享的形式将易丢失结构信息导出为.xls格式文件，供用户浏览、查询以及编辑，及时对导入PKPM中的结构信息进行补充和修正。如使用Revit的Export/Import Excel插件导出边界条件以及结构荷载等相关数据，以完善转换模型的数据信息。
（1）边界条件
由于Revit和PKPM之间的交换插件不够稳定，导致在Revit中创建的边界条件无法随结构模型同时导入PKPM中，为此编写代码对边界条件进行提取，并重载创建以解决交换障碍。借助Export/Import Excel插件导出边界条件的提取结果如图4所示。缺失的边界条件信息可以在Excel中被浏览及查询，为后续模型导入PKPM提供参照。
（2）结构荷载
在Revit中建立的结构荷载无法在模型转换过程中进行转换设置，必须在PKPM中通过人工再次创建相应荷载，这无疑增加了重复工作，而且与BIM一模多用的理念相悖。通过编程提取结构荷载信息，再运用Export/Import Excel插件导出提取结果，如图5所示，这为PKPM模型重新创建荷载提供参考依据。
4 相关结构族的建立与完善
目前，基于Revit建模软件的族和出图标准与我国的建筑设计规范和標准不一致，要实现基于Revit的施工图设计出图，还需要对构件族、注释族加以完善[18]。建立一套符合我国出图标准的智能化符号和注释，既有助于提高出图效率也方便专业内的协同设计。
（1）各类标头及常规注释。Revit中提供的注释符号仅供辅助表达结构施工图，在实际应用过程中有些特殊符号缺失，部分注释符号不符合规范标准，因此需要根据我国制图标准对缺失的符号进行补充完善。在注释符号规范化的同时，注释符号信息与模型图纸之间已经建立了内在联系。例如，通过建立“断面剖切线标头-图纸编号”族，视图名称以及图纸编号都与相关视图和图纸信息互相关联，在对其中一方进行修改的同时另一方便会实现自动更新。
（2）结构构件注释标记族。Revit中的注释标记是以共享参数形式对构件信息提取并标记，这些参数在项目构件之间、构件与标注之间、标注与明细表之间可共享传递，从而实现读取构件信息自动化注释、明细表统计等操作。基于已创建的标准结构构件族，可参考16G101-1平法规范对结构构件族赋予平法注释标记。
5 应用案例
某药物研究公司办公楼，采用钢筋混凝土现浇框架结构，总建筑面积约4 000 m2。设计使用年限50 a。混凝土构件强度等级为C30。层高3.9 m，基本风压值0.4 kN/m2，基本雪压值0.35 kN/m2，抗震烈度7°，使用年限50 a，设计地震分组1，基本地震加速度0.10 g，场地土类别Ⅱ类。
5.1 人员组织及协同设计工作流程
按2.1节组成BIM协同设计团队。由7人组组成，1名BIM负责人，3名BIM设计师，3名BIM专业负责人，按表2中内容完成相应工作，负责人承担相应校验工作。专业间协同通过链接方式进行，专业内通过工作集方式进行。各专业设计人员可将设计成果更新至中心模型，并实时检查设计冲突。图6为整个项目协同设计流程，图7为结构专业内部的协同设计流程。
5.2 建模及结构分析
根据2.2节LOD300规定的模型精度和细度，考虑荷载取值范围，估算柱、梁和板等构件截面尺寸，在Revit建筑模型基础上进行结构建模。Revit提供的荷载为点荷载、线荷载和面荷载3类，分为恒荷载（DL）、活荷载（LL）、风荷载（WIND）、雪荷载（SNOW）、屋顶活荷载（LR）、偶然荷载（ACC）、温度荷载（TEMP）和地震荷载（SEIS）8种。根据《建筑结构荷载规范GB50009-2012》，为设计元素定义荷载类型并配置相应的参数。荷载添加可以在三维实体模型视图和二维分析视图同时配合进行。
将建好的结构模型用TSRevit For 2016导入PKPM进行结构分析。导入过程中利用3.2节所述方法，对部分数据进行补充完善，并按直接导入、修正导入和直接在PKPM建模3种方式对整体结构质量、质心、刚心、周期比、位移和层间位移角、刚度比、结构整体抗倾覆等力学性能对比分析。以结构整体抗倾覆为例，分析结果见表6，由表6可知修正导入的方法更接近标准结果，其他5项分析结果类似。
5.3 平法出图
本如第4节所述，在Revit平台创建标准结构专业项目样板，补充结构构件族库以及注释标记族的基础上，出具符合规范的施工图。
6 结论
随着BIM技术的深入推广，基于BIM的协同设计是建筑设计发展的必然趋势，能有效提高建筑设计效率和质量。要实现基于BIM的施工图结构设计首先要转变思路，建立规范科学的设计流程，并以信息传递、信息应用为核心，在现有的软件平台上作深入的对比分析及研究，通过二次开发，建立、完善自定义标识族和构件族，推动基于BIM的协同设计。
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