摘要: 当前, 在各种商业软件盛行的环境下, 设计单位最紧迫的问题是要解决本单位各专业之间的信息交互, 而在这些信息交互中, 建筑与结构专业的信息交互最为急需。针对这一需要, 本文介绍了现今国际上建筑信息模型的数据共享与交换的IFC 标准, 分析了建筑模型与结构模型信息的组成与特点, 研究了通用建筑结构有限元模型的表达方法, 建立以 IFC 标准为基础, 通过建筑模型自动生成符合多种结构分析与设计软件的结构模型的基本方法。通过实例验证本研究方法的实用性与可行性, 结果表明本方法为各种设计软件间信息的共享与交换提供了一种通用解决方案, 为企业内部实现建筑设计集成化提供了技术保障。最后, 文章讨论了该研究方向中基于 IFC 标准的建筑模型的结构构件偏心、节点连接、该研究方向中基于 IFC 标准的建筑模型的结构构件偏心、节点连接、荷载处理等方面的问题和后续研究方向。
以建筑设计中最重要的建筑与结构专业为例,建筑师构造建筑模型后, 应用 AutoCAD、天正、或理正等应用软件,通过图纸将设计意图传递给结构工程师。结构工程师在理解建筑师的设计意图后, 应用 PKPM、或 ETABS等结构分析与设计软件输入结构模型, 进行结构初步分析与设计, 然后用 AutoCAD 软件通过图纸将修改后的设计意图传递给建筑师。这样的设计过程往往要经历好几个、甚至十几个来回, 需要建筑师与结构工程师多次重复劳动。如何将建筑师构造的建筑模型自动转换成结构工程师的结构模型是建筑结构集成化设计的重要一步。
有些研究者曾试图通过提取 DWG 或 DXF 图形来生成结构模型, 但却因为 DWG 或 DXF 文件描述中的线性对象不含有杆件截面属性和材料特性等参数而无实质进展。APM 软件是少数表明能实现上述建筑结构集成化设计的平台之一,遗憾的是APM 软件系列的数据无法与其他建筑行业软件进行数据交换与共享。
工业基础分类 ( Industry Foundation Classes,以下简称IFC 标准)[8] 是现今国际上建筑业正广泛关注且接受的产品数据交换与共享的标准。国际上虽然有一些学者[9-12]正在尝试应用 IFC 标准进行建筑与结构工程师协同设计的研究工作, 但却缺乏将建筑师的建筑模型与任意结构分析软件所需要的结构模型相联系的解决方案。本文的目的就是介绍如何以 IFC 标准为基础, 将建筑师构造的符合 IFC 标准的建筑模型自动转换生成任意结构分析与设计软件的结构模型。
近几年来, 我国的一些学者对 IFC 标准作了一些介绍[13-15]。IFC 标准是由国际协作联盟 ( International Alliance for Interoperability, 以下简称 IAI 组织)集中了包括美国、英国、德国、法国、芬兰、瑞典、挪威、新加坡、日本、韩国、澳大利亚等多个国家的研究人员共同研究制定的关于建筑、工程、施工与设备管理( 以下简称 AEC/FM) 各种专业应用软件在共享建筑模型的前提下进行数据交换的标准。图 1显示了在IFC 标准产生前后,建筑业各专业软件之间数据交换与共享模式的转变。由于获得建筑业各专业人士的广泛 支 持 , IFC 标 准 现 已 被 国 际 标 准 组织 ( InternationalStandards Organization, 以下简称 ISO) 正 式 认 可 成 为 国 际 标 准 , 其 标 准 号 为 ISO/PAS16739。
国际建筑业最著名的三大计算机辅助设计软件商 Autodesk公司、Bentley 公司和 Graphisoft 公司分别推出了其支持 IFC 标准的新一代建筑模型设计软件 Architectural Desktop( ADT) 、Microstation TriForma 和 ArchiCADv9.0。这些支持IFC 标准的新型建筑模型不仅表达了空间的三维建筑实体, 而且还记录了各建筑实体所包含的材料、截面、体量等各种特性,甚至还包括了各建筑实体之间的各种连接与包含的关系。
IFC 标准采用 Express语言[16]作为数据描述, 定义所有用到的数据。Express 语言是 ISO 10303 工业自动化系统与集成———产品数据表达与交换的一部分, 它是一种面向对象的、规范化的数据描述语言。符合IFC 标准的建筑模型的物理文件格式通常参考ISO 10303 Part 21 所表达的中性文件格式。
从下到上可分为: a) 资源层,描述标准中可能用到的基本信息, 作为信息描述的基础应用于整个建筑信息模型; b) 核心层,描述建筑工程信息的整体框架, 将信息资源层的内容用一个整体框架组织起来, 使其相互联系和连接, 组成一个整体, 真实反映现实世界的结构; c) 共享协作层, 描述各专业领域信息交互的问题, 在这个层次上, 各个系统的组成元素细化; d) 专业领域层,描述各个专业领域的专门信息, 如建筑学、结构构件、结构分析、给水排水、暖通、电气、施工管理和设备管理等。IFC 标准的所有结构层次又可以细分成为多个独立的子模块,。