建筑物理模型与结构分析模型的数据映射研究

秦 领 刘西拉

(上海交通大学土木工程系,上海 200030)

1 引言

建筑与结构是建筑工程项目设计阶段最重要的两个上游专业。它们的设计内容与变更方案是建筑物全生命周期中其他各个专业和阶段的基础和前提。例如机电专业的管线综合,除了专业内的碰撞检查,随着建筑设计与结构设计的变更,常常需要与建筑构件与结构构件进行碰撞检查。而作为建筑物的真实物理模型,尤其是在工程设计的前期,建筑模型与结构模型的数据交换就更加频繁。在结构模型中,所有结构构件的几何信息,如墙、柱、梁、板的几何定位必须以建筑模型为依据,大多数情况下,结构构件的截面尺寸应满足建筑设计的功能要求,尽可能与建筑设计保持一致。另一方面,在大型复杂工程项目中,结构体系的复杂程度使得结构专业在前期方案设计和概念设计阶段变得更加重要。因此,若能在建筑模型与结构模型的交互环节中节省时间和成本,提高精度和质量,对整个产业效率的提升将具有较大的推动。

建筑师的建筑物理模型与结构工程师的结构分析模型,在很多情况下仍然缺乏高效的数据集成方案。目前的普遍情况是,建筑师完成三维的建筑模型/效果图或者二维的建筑图纸,结构工程师基于各种表达的建筑方案,在结构分析软件中从零开始建模,去除建筑的元素,保留结构的元素,以结构分析结果指导结构设计以及二维结构施工图的绘制,甚至反馈至建筑师以改进建筑方案。这样的过程劳动重复、耗费时力,且模型缺乏高效的反馈、监视与联动。

在三维建筑建模/结构分析软件逐渐流行、各类数据标准和数据接口蓬勃发展的今天,BIM(Building Information Modeling)[1]技术在前期概念设计/初步设计阶段[2]以及后期施工阶段[3-4]取得了一些应用和进步,但在中期最基本、最迫切的建筑设计与结构分析领域的数据集成方案仍然缺乏。国际协作联盟(IAI)提出的行业基准分类(Industry Foundation Classes,IFC)[5]为多领域应用软件的数据互用提供了实现基础,被认为是迄今为止最全面和最具潜力的 BIM数据标准。国际上有学者[6-8]针对设计阶段建筑师与结构工程师的协同设计目标,进行了一些基于 IFC的应用研究,但在建筑物理模型与结构分析模型的数据映射以及多种结构分析模型与 IFC建筑模型的数据集成方面,仍然缺乏有效的解决方案。

本文将研究建筑物理模型与结构物理模型之间、结构物理模型与结构分析模型之间的异同与映射关系。在这些映射关系下,实现基于IFC数据标准的 BIM平台与本文提出的基于 XML的通用结构分析模型(SGF)平台的通信和互用。同时,建立 SGF与多种商用结构分析模型的数据映射框架,最终实现多种建筑物理模型与多种结构分析模型的数据集成。

图2 IFC建筑模型与结构分析模型的双向数据转换

2 一般建筑模型与一般结构模型的信息对比

在设计过程中,建筑师与结构工程师的工作相对独立,设计目标也不同。建筑师专注于建筑物的宏观体量以及各类建筑元素在空间上的布置以追求更优秀的建筑物理性能;结构工程师专注于结构构件和整体结构的力学性能分析并将分析结果应用到结构设计甚至反馈至建筑设计。虽然建筑设计是上游,结构分析/设计是下游,但它们是设计阶段中联系最密切和最具决策意义的专业,无论怎样变更,结构设计都必须满足最终建筑设计的空间几何方案,建筑设计也不能偏离最终结构分析/设计/优化的结果。

图1显示了同一办公楼在建筑模型与结构模型中的不同表达。很显然,建筑模型与结构模型包含了可以共享的结构构件信息,还包含了各自所特有的信息。建筑师在建筑模型中包含了结构构件与非结构构件的几何、截面、材料等信息;结构工程师在结构模型中除了包含为保证结构安全、传递各种荷载的结构受力构件之外,还需包含在建筑物使用生命周期中可能承受的各种荷载工况及其组合信息、假定的几何边界条件信息以及待修改的结构构件的几何、截面、材料等信息。

建筑模型中共享的结构信息是结构构件的几何、截面和材料信息;而荷载信息,如静荷载、活荷载、地震荷载、风荷载等则是建筑模型中所没有的,需要结构工程师依据相应的荷载设计规范,通过所应用的结构分析/设计软件添加;结构有限元模型中的几何边界条件也是建筑模型中所没有的,结构工程师需要根据工程经验和设计要求在结构模型中添加;在结构分析/设计实践中,结构工程师有时需要修改原建筑模型中结构构件的布置、增加或删除部分受力构件、修改已有结构构件的截面尺寸。

图1 某办公楼的建筑模型与结构模型表达

3 结构分析模型信息的获取

在基于 IFC数据标准的建筑信息模型中,建筑师和结构工程师应当共享 IFC标准互用层中共享建筑构件模块(IfcSharedBui-ldingElements)中的信息,进而为其他下游专业的信息模型提供支持。图2所示为 IFC建筑物理模型与结构分析模型双向的数据转换过程。其中从 IFC建筑物理模型到结构分析模型的正向转换至少包含了两个主要步骤:

(1)结构构件的提取和结构物理模型的建立。从 IFC建筑物理模型的共享建筑构件中提取结构构件,组合成整体的结构物理模型;

(2)结构分析模型的建立。对结构物理模型做合理的调整、简化、离散,添加荷载与几何约束条件,组合成可供常用结构分析软件使用的结构分析模型。

3.1 从 IFC建筑模型数据文件中提取结构构件信息

结构构件在基于建筑物理模型表达和基于结构分析模型表达的 IFC模型文件中的描述是不一样的。虽然一些支持 IFC标准的结构分析软件可以直接输出结构分析模型类型的 IFC模型文件,但是绝大多数的建筑软件却做不到,它们仅仅能够输出建筑物理模型类型的 IFC模型文件。因此,从 IFC建筑模型数据文件中提取结构构件信息并建立结构物理模型的基本框架是必要的。

图3 IFC标准中定义的主要建筑构件

图3所示为 IFC标准定义的主要建筑构件。黄色部分所示的 IfcBeam、IfcColumn、IfcWall和 IfcS-lab,它们是建立结构物理模型的基本依据。而其他的建筑构件如 IfcRoof、IfcWindow等被直接过滤(包括 IFC2x2中开始定义的 IfcPlate,它一般指附属的非结构板,例如金属/玻璃嵌板)。另外,有一种特殊的构件 IfcOpeningElement在 IFC模型中被定义为任何实体对象中的开洞、凹块或镂空。在结构物理模型中,IfcOpeningElement通常代表剪力墙上的门/窗洞,也必须从 IFC模型文件中提取。在提取结构构件的过程中,需遍历 IFC模型文件中的各类构件实例(通过实例号#xxx),提取它们的局部坐标系定位(通过多个 IfcLo-calPlacement对象的嵌套引用和坐标变换)、形状表达(通过具体的 IfcShapeRepresenta-tion对象指派)以及相关的材料属性。

3.2 结构物理模型到结构拓扑模型的几何推演

由于结构分析模型是基于三维线框的拓扑模型,构件之间若有分离,便无法组成以供有限元分析的整体模型。因此在结构分析模型中,只有连接关系是被接受的。在建筑建模采取相交隔断的情况下,理想的 IFC模型文件中的构件对象通常只有连接关系。然而,构件的建模有时并没有采取精确捕捉,而且从建筑物理类型 IFC模型文件中提取的结构物理模型大都是三维实体模型,这比从结构分析类型 IFC模型文件中直接提取构件连接节点的情况复杂。因此,在这种情况下,获取结构构件之间的连接节点至少需要包含以下过程:

(1)通过多个 IfcLocalPlacement对象的嵌套引用,获得结构构件对象所在的局部坐标系在绝对坐标系中的几何定位(局部坐标系的原点、z轴以及 xz平面在绝对坐标系中的定位)。

(2)获得结构构件对象所有的形状表达(例如常用的 Curve2D、GeometricCur-veSet、BoundingBox、SweptSolid、Mapped-Representation等),并获得组成每个形状表达的所有角点/端点(Curve2D情况为端点)在绝对坐标系中的坐标。此步骤需要:1)将形状表达各个角点/端点的局部相对坐标 IfcCartesian-Point(也是 IFC模型文件中的最末端点)、形状表达包含的局部坐标变换以及形状表达的几何推算规则(例如拉伸实体的拉伸方向及拉伸长度)综合起来,推算到各个角点/端点在构件局部坐标系中的“绝对”坐标;2)根据构件的局部坐标系与绝对坐标系的映射关系,推算到组成形状表达的各个角点/端点在绝对坐标系中的绝对坐标。

图4说明了(1)、(2)过程提取 IFC模型文件中某 IfcBeam对象的角点/端点坐标需嵌套引用其他IFC对象数据的流程。一方面,需要通过多个 IfcLocalPlacement对象的嵌套引用,得到此 IfcBeam对象的局部坐标系在绝对坐标系中的几何定位。另一方面,需要查询此 IfcBeam对象的产品形状定义(IfcProductDefinitionShape)以获得关于它的形状表达(IfcShapeRepresentation),再通过各种形状表达获取此 IfcBeam各个角点/端点的局部相对坐标。图中列出了三种常用的形状表达,分别是 SweptSolid、Curve2D和 BoundingBox。SweptSolid对象通常引用一个 IfcExtrudedAreaSolid对象。IfcExtrudedAreaSolid对象引用一个 IfcAxis-2Placement3D对象和一个 Ifc-Direction对象作为几何描述,以及一个剖面定义对象如任意闭合剖面(IfcArbitrary Closed ProfileDef)或矩形剖面(IfcRectangle ProfileDef)作为剖面形状,再通过自身的拉伸长度参数,最终得到一个沿剖面拉伸的实体形状。其中,任意闭合剖面对象需要引用一个复合线(Ifc CompositeCurve)对象,复合线对象需要引用多个复合线段(IfcComposite Curve S-egment)对象,复合线段对象需要引用一个多义线(IfcPolyLine)对象,而多义线对象需要引用多个笛卡尔点(IfcCartesianPoint)对象(当然,任意闭合剖面也可能直接引用多义线对象来组建)。矩形剖面对象则利用自定义的长、宽参数以及引用一个 IfcAxis2Placement3D对象得到一个矩形剖面。Curve2D形状较为简单,直接引用一个 IfcPoly-Line对象,IfcPolyLine对象再通过引用多个笛卡尔点对象得到。BoundingBox形状需要引用一个边界盒对象 IfcBoundingB-ox,边界盒对象再通过一个笛卡尔点对象作为基点以及 x、y、z方向上的长度参数获得完整的形状定义。

图4 提取IFC模型文件中某IfcBeam对象角点/端点坐标的流程

图5 矩型混凝土柱、H型钢梁以及形混凝土墙的拓扑表达

(3)获取结构构件的节点坐标。这里又分两种情况:

a)若 IFC模型文件中的结构构件仅仅包含SweptSolid、BoundingBox、MappedRe-presentation等三维实体形状表达,则需要根据结构构件的形状表达和局部坐标系定位推算出结构构件的节点拓扑信息。例如图5中的矩型截面混凝土柱、H型截面钢梁和矩形混凝土墙,需转换为图中粗线所示的拓扑表达。

对于梁和柱等框架构件,其拓扑表达的两个端点即为分析模型中梁和柱的两个端节点,对于墙板构件,拓扑面的 n个角点即为分析模型中墙和楼板的 n个角节点。与此同时,梁、柱、墙的剖面定义信息如 Ifc RectangleProfileDef、IfcIShapeProfileDef等均需转换为结构构件的截面属性。

假定构件材料为各向同性,理想的节点位于构件剖面的几何中心或中心剖面的角点上(面构件),因此需要从矩型柱的 8个角点、H型梁的 24个角点、或者矩形墙的 8个角点推演得到。由于这些实矩体构件在原模型文件中大都是基于剖面拉伸或者边界盒描述。因此对基于 IfcExtruded AreaSolid形状表达的梁柱构件,可利用原始剖面的形心作为端节点 I;并通过拉伸长度映射到另一个剖面形心,作为端节点 J。对基于 IfcBoundingBox形状表达的梁柱构件,可利用边界盒的基准角点坐标和长宽高参数值推算此构件的多个角点坐标,再根据这些角点坐标推算构件的端节点坐标。如图6所示,推算得到此矩形截面框架构件的 8个角点分别为“1”-“8”,则此构件端节点 I和 J的绝对坐标可由公式 3-1简单获得:

图6 从基于边界盒表达的矩形截面框架构件的 8个角点提取端节点 I、J

对基于 IfcExtrudedAreaSolid形状表达的墙板构件,原始剖面和其拓扑表达一致,只需将整个剖面沿原拉伸方向和按原拉伸长度的一半拉伸移动,得到的空间定位和几何形状则是墙板构件的拓扑面;对基于IfcBoundingBox形状表达的墙板构件,可利用边界盒的基准角点坐标和长宽高参数值得到此构件的多个角点坐标,再根据这些角点坐标求得其拓扑面的角节点坐标。

b)若 IFC模型文件中的结构构件对象包含Curve2D、GeometricCurveSet等线框类型的形状表达,则可将 Curve2D、Geome-tricCurveSet等形状对象的端点坐标直接转换为拓扑模型中结构构件的节点坐标。这种情况,构件对象一般也同时含有SweptSoli-d、 BoundingBox、 MappedRepresentation等三维实体形状表达,需将这些形状表达对象的剖面参数直接转化为构件的截面属性,作为拓扑模型的信息补充。

(4)获取结构构件之间的连接节点。在提取完梁柱构件的端节点坐标和墙板构件的角节点坐标之后,将 IFC模型文件中具有连接关系构件对象的相关节点(如 A和 B)检出,验算它们的相对距离。若 A、B节点的绝对坐标分别为 x1、y1、z1和 x2、y2、z2,则它们的相对距离 DAB为:

设容差为 Tol,则当 DAB≤ Tol时,将连接 A、B节点线段的中点定义为结构构件之间的连接节点;当 DAB＞Tol时,将 A、B节点定义为相互分离的节点,待后续人工调整。

4 IFC建筑物理模型与 SGF结构分析模型的数据映射实现

4.1 通用结构分析模型(SGF)

各种结构分析软件都有各自特有的数据模型,这些数据模型通常是异构的,但所有结构分析软件都基于有限元分析原理,所以它们的数据模型又不同程度的存在相似性。在遵循 ISO 10303-104/107模型基本语义规则的基础上,通过对多种代表性商用结构分析软件数据模型的提炼和补充,自主建立面向对象的结构分析领域的数据交换核心——通用结构分析模型的一般表达(SGF)是必要的。一方面可以实现从建筑模型中输出的 IFC模型与 SGF模型进行双向的数据交换,另一方面又可以实现SGF模型与多种结构分析模型的双向数据接口,从而为符合 IFC标准的建筑模型与多种结构分析软件可接受的结构模型间的双向数据交换提供了可能。图7显示了本文提出的 SGF数据模型的基本框架,由结构总体信息(General)、节点相关信息(Joint)、线单元相关信息(Frame)、面单元相关信息(Area)和荷载信息(Load)五大部分组成。

图7 SGF数据模型基本框架

图8 从IFC模型文件提取结构模型信息并转换为SGF数据

图9 将SGF数据转换为IFC数据并组建IFC模型文件

4.2 IFC建筑物理模型与 SGF结构分析模型双向数据接口的 C++实现

IFC建筑物理模型与 SGF结构分析模型的数据映射算法确立后,需进行相关的程序实现。此实现过程分为顺逆两个方向:

(1)从 IFC模型转换到 SGF模型。

此顺向接口封装在 CIfc2SGF类中,提供了 Do-Transfer、 AddObject、 AddSpatialS-tructure、 AddFrameElement、 AddAreaElem-ent、 AddOpenings等方法。其转换流程如图8所示,首先利用 CIfcMachine中的方法读入并解析 IFC模型文件,将 IFC数据读取到内存,再调用 DoTransfer方法,将 IFC数据转换为 SGF数据。

(2)从 SGF模型转换到 IFC模型。

此逆向接口封装在 CSGF2Ifc类中,仍将 Do-Transfer方法作为此转换类的主要接口,并定义一些子方法如 AddCommonParts、Add Building、Add Storey、AddBeam等。图9说明了利用逆向的 DoTransfer方法将 SGF数据转换为 IFC数据并组建 IFC模型文件的流程。首先调用 Ifc.Discard方法清空所有数据,调用 Add CommonParts方法转换 SGF对象到 IFC对象,再利用 IfcMachine的 SetParts方法将 IFC对象添加到 IFC模型,最后调用 IfcMachine的 SetHeader方法设置 IFC模型文件头,完成 IFC模型文件的组装。

图10 数据集成总体框架的数据流模型

5 以 SGF为中心的建筑结构模型数据集成框架

图10所示为建筑设计领域与结构分析领域内各种 CAD/CAE模型数据集成总体框架的数据流模型。SGF数据模型作为数据集成框架的核心平台,一方面可与基于 IFC数据标准的 BIM平台进行双向的数据交换,实现建筑模型与结构模型的互通;另一方面可与结构分析领域 SAP2000、ETABS、PKPM、STAAD等 CAE软件建立起双向的数据接口,实现多种结构分析模型的数据共享与互用。

6 结论

本文围绕 IFC建筑物理模型与 SGF结构分析模型间的数据映射。分析了一般建筑模型与一般结构模型的信息差异。研究了从 IFC建筑模型数据文件中提取结构分析模型信息的方法。比较了结构物理模型与结构分析模型的差异,提出了获取结构构件节点以及结构构件之间连接节点拓扑信息的推演方法并以 C++类实现。在此基础上,提出了以 SGF为中心的建筑结构模型数据集成框架。需要说明的是,从 SGF模型转换到 IFC模型的过程只能将 SGF模型的结构信息返回至 IFC建筑模型,并不能自动生成建筑专业的建筑元素。另外,本文是针对建筑设计与结构分析领域应用软件的信息集成,并非单独针对结构分析领域,因此本文所针对的 IFC模型文件为建筑物理模型类型,并非结构分析模型类型。

[1]Wikipedia.Building Information Modeling,URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Building_Information_Modeling

[2]Schlueter A.,Thesseling F.Building inf-ormation model based energy/exergy performan-ce assessment in early design stages,Automa-tion in Construction,2009,18(2):153-163

[3]Bunde J.,Echternach N.,Grabow K.,Haugen A.,Urban H.,Wiesen J.,The Implementation of Building Information Modeling in Architectu-ral Practice,editorial review version of NCARB Grant BIM project report,2008

[4]Gao Z.L.,Mahalingam G.,Nguyen T.H.Applications of Building Information Modeling(BIM)in the Design and Construction Process.Proceedings of 12th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering,Beijing,China,2008

[5]Model Support Group(MSG)of buildingSMART,IFC2x Edition 4 beta 3version,URL:http://www.iai-tech.org/groups/msg-members/news/ifc2x4-beta3-available

[6]Chen P H,Cui L,Wan C,Yang Q,Ting SK,Tiong R L K.Implementation of IFC-based web server for collaborative building design between architects and structural engineers[J].Automation in Construction,2005,14(1):115-128

[7]Cui L,Yang Q Z,Chen P H,Ting SK,Tiong L K.Development of an IFC-based information server for collaborative building design[C].Proceeding of The Ninth East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction(EASEC-9),Bali,Indonesia,2003:CEM 188-194

[8]Wan C,Chen P H,Tiong R L K,Ting S K,Yang Q.A Framework for the Integration of Architectural Design and Structural Design[C].Proceedingof the Ninth East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction(EASEC-9),Bali,Indonesia,2003:CEM 1-6