摘要：文章首先对当前建筑业的信息化现状及趋势进行了概括，随后从建筑业的特点出发，分析了结构设计的特点，并专注分析了结构的设计流程与数据流分析，及大跨空间结构的设计特点，得出基于应用BIM技术的大跨空间结构数据流分析。通过分析现有大跨结构的设计及BIM软件，提出建立Midas与Revit进行数据交互，快速实现大跨空间结构的BIM建模，并以绍兴体育场为例实现该技术。并对实施BlM技术的关键途径进行了探讨，期望能对BIM技术的实际应用起到一定的指导作用。
关键词：建筑信息建模 空间结构 计算机辅助设计 参数化设计 数据交换
中图分类号：TU17
文献标识码：A
文章编号：1004－8537(2012)02－0170－06
研究背景
BIMH的理论基础主要源于制造行业集CAD、CAM于一体的计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)理念和基于产品数据管理PDM与STEP标准的产品信息模型。BIM研究的目的是从根本上解决项目规划、设计、施工以及维护管理等各阶段应用系统之间的信息断层，通过实现建筑全生命周期的所有真实信息的模拟，实现全过程的工程信息管理乃至建筑生命期管理。然而，由于建筑业本身所固有的特性。如产业结构的分散性、工程对象的惟一性，工程信息的复杂性等，使得BIM的实现异常复杂而艰难。
尽管实现BIM前路曲折，但是从长远来说，BIM不断提供质量高，可靠性强的信息，使建筑物的运作、维护和设施管理能更好地运行，持续地节约了成本。BIM的运用无疑是建筑界的一场工业大革命。大跨空间结构BIM技术研究与应用
1、结构的设计流程与数据流分析
独立地讨论建筑结构设计的流程是不完整的，因为结构设计只是整个建筑产品设计中的一个环节。在设计的过程中，实际上是建筑信息数据流动、交换的过程。因此，为了建ABIM应用框架，首先要对整个设计的流程有一个深入的剖析，对联系整个设计过程的数据流有一个充分的认识。
设计过程是由如下几个部分构成的一个大循环：可行性论证、建筑的初步方案设计+结构的初步方案设计、方案论证、详细设计(施工图设计)、建筑方案变更+再设计。综合考虑了结构设计在整个设计过程的地位及与其他设计内容之间的相互关系，我们可以给出针对建立BIM技术应用框架的两点建议：
①结构设计在整个建筑产品设计过程中处于承上启下的关键地位，所以在建立BIM应用框架时要考虑与前后设计的衔接，要有相应的接口与前后设计环节进行交互，进行相关的操作和数据信息流动。
②为了避免形成“思维孤岛”，同时也为了避免反复的“二次建模”过程，在建立BIM应用框架时，最好要建立一个可以共用的全局的数据模型。设计的过程实际上是信息加工的过程，构建一个整体的数据模型可以使整个数据加工流水线更加畅通，有用信息可以进一步传递给下游设计环节。
2、空间结构特点
空间结构的主要特点就是能够充分利用不同材料的特性，以适应各种变化的建筑造型的需要。因此，空间结构具有受力合理、重量轻、造价低以及形式活泼新颖、能够突出人类艺术创造力等优点。空间结构的设计和建造已日益成为一个國家建筑技术水平的标志之一。空间结构能根据不同的建筑平面和空间曲面形式构造任意满足要求的曲面造型，因而备受建筑师们的青睐。然而，人们对新事物的追求是无止境的，这种追求恰恰是技术发展和社会进步的动力。当规则的曲面已满足不了人们对优美的建筑造型的追求时，建筑师们继而寻找外观更加优美、但形式更为复杂的曲面，这种类型的曲面外形自由生动，具有良好的视觉效果。但由于其形式的复杂性与不规则性，也给曲面的建模工作带来了一定的困难。
下面谈谈空间结构工程设计中的问题。目前我國在结构设计中使用最多的是Autodesk公司的AutoCAD，还是处于传统的二维的设计模式。无可否认，CAD技术的普及大大提高了设计效率，降低了设计错误的发生，并且从手工绘图中解放了设计人员，使他们有更多精力放在设计方案的优化上，但是这种设计方式已经很难满足迅猛发展的大跨空间结构工程的设计需求，主要表现在：工作效率低：可视化差，交流困难；设计差错难免：设计变更修改困难；资料信息管理困难：版本控制困难。
利用BIM技术建立结构开发的人机交互接口，利用数值仿真技术研究产品的性能。在模型仿真的基础上，设计人员应该有效地利用各种优化工具实现系统优化，需要将BIM建模和优化策略结合。BIM技术可以给大跨空间结构带来设计、施工、运营全生命周期的巨大效益，并且给业主带来巨大的经济效益。由于设计阶段是实施大跨空间结构非常重要的一步骤。若方案确定、基本设计完成，以后阶段实施中遇到问题(尤其是施工阶段)需改动，其成本是很高的，因此方案和基本设计决定了大跨空间结构的基调，必须严格科学地探究每一个步骤。为此特别以基本设计中结构专业设计为例，说明实施BIM技术给大跨空间结构中带来的效益。
3、基于BIM技术的理想大跨空间建筑实施方案
为此确定以基于BIM技术的Autodesk Revit系列设计软件为主，配合多专业的数据分析软件，将可能发生的问题及早地解决在设计初期。
首先由Revit Architecture、Revit Structure、Revit MEP搭建建筑、结构、水、电等专业的BIM模型，这样的模型拥有区别于传统图形的有利特点，它的信息量更多，数据的递交也更准确、更宽泛，它们可以提交传统的数据文件，也可以提交IFC(建筑工程数据交换标准)数据。
以IFC格式数据传给Midas，Sap2000等有限元软件(各软件支持IFC格式还不理想)，进行结构应力计算。
以DWF格式数据传给Navisworks，进行漫游、管线综合。
以GBXML格式数据传给Ecotect，进行建筑性能分析。
以DWG格式数据传给AutoCAD，进行后期图纸调整。
以FBX格式数据传给3ds Max，进行后期效果图渲染，以及动画制作。
4、二次开发平台及工具选择
开发可以实现BIM的软件产品，大体分为两个派系(见图1)：直接按照BIM的思想开发；基于传统CAD平台开发。
以大跨空间结构工程为例，具体的实施方案为：
应用Autodesk公司的基于BIM技术的软件Revit在设计阶段可以构建结构专业的建筑信息模型，同时采用结构设计软件Midas Gen软件进行设计。由于Midas Gen不支持IFC國际标准，因此采用Fortran语言对Midas文本结果格式进行二次开发，完成两者的兼容性。由此可以实现CAD到CAE双向无缝，并且由Revit可以自动准确地生成工程图纸、料单统计，设计报告，还可以在Revit中嵌入需要的优化设计程序、标准化设计程序、节点设计程序等，完成相应的设计需要，所以这样可以极大地发挥BIM的优势，实现自动化设计。
说明：理想的解决方案应该是先在Revit中建模，Midas Gen只是计算的工具而已，但是考虑到实际设计的习惯，故采用上述方案。
5、开发流程图
高效率的二次开发需要尽可能多地利用软件本身的接口和其它可移植的程序代码，编写尽可能少的程序(见图2)。这样，程序开发者可以将主要精力放在对所开发项目的理论研究上和功能设计上，不仅有利于设计出具有高可靠性的程序模块，也可大大减少对程序的维护和改造工作，缩短研发周期。
6、基于Revit Structure的开发应用接口
上面我们以大跨钢结构设计为背景，以Revit Structure平台为研究对象，探讨BIM技术在大跨空间结构设计中的开发与应用。针对大跨空间结构的特点和当前大跨空间结构工程设计中存在的问题，主要探讨了BIM技术在大跨空间结构设计中的应用。分析建筑业开发的流程、大跨空间结构设计阶段的特点和存在的问题，指出实施BIM技术可以很好地解决上述问题i并且根据BLM[2 J理念，制定大跨空间结构工程中BIM实施的具体方案和BIM技术在结构设计中实施方案。然后，我们根据制定的BIM技术在结构设计中实施方案，对方案实施中用到的软件进行了简要的介绍。接着，我们根据制定的方案，具体的实施了Revit(前处理)——Midas(结构分析——计算)——Revit(后处理)的一体化设计，并对实施BIM后的效果进行了演示，用实践验证了BIM技术在结构设计阶段的巨大效益，期望能对BiM技术在其他建筑相关专业的研究和应用提供参考。下面我们将探讨基于Revit Structure的开发应用接口问题。
Revit结构软件Midas接口开发：在Revit Structure和一些常用的结构分析软件中，通过API提供了一些双向链接接口插件，用于RST和常用的结构分析软件的交互操作，进而完成对于结构工程师的BIM解决方案。这些API接口主要用于把计算软件中的分析模型导入到Revit中，同时可以把Revit中的模型导入到结构分析软件中去进行重力、侧向力和抗震等计算分析。在结构分析设计过程中，不可避免地会根据计算结果有模型和图元尺寸的修改。当然，这些修改也都可以通过接口文件更新到Revit Structure中。一般来说，可用于交互操作的信息包括：构件尺寸、结构图元位置、材质、荷载、边界条件、荷载组合情况等。
与有限元软件的数据接口，该结构BIM软件支持通过文本操作进行结构的建模、分析、校核等一系列功能，图3为文本编辑操作应遵循的文件格式。软件可以读入Midas等数据文件，实现与这些通用有限元软件的接口，图4为绍兴体育场的Midas有限元模型，该BIM软件读取Midas数据文件，然后转为自身的格式，然后即可建立该BIM的有限元模型，从而实现建模过程中资源的共享，使项目管理共享协同能力得到提高。
在结构分析与设计完成后，由计算结果读取绘制BIM实体模型所需要的构件信息，包括截面信息和方位信息。通过绘制结构BIM三维实体模型，三维实体模型在结构构件的布置上与实际结构完全一致，实现了建筑信息模型是对工程项目结构真实构件实际空间方位的数字表达的核心和基本要求。通过上述算法，分析设计信息完整地存储到建筑信息模型中，完成BIM的三维实体模型的数字建造关键技术。
结构BIM软件系统的三维实体信息核心采用参数化描述结构单元，以梁、柱等建筑构件为基本对象，而不再是CAD中的点、线、面等几何元素，通过数字建造技术模拟建筑物的真实信息，信息的内涵不仅仅是几何形状信息，还包含大量的非几何信息如物理信息以及分析信息等。对一个工程各部位很容易从各个角度查看，交互效率极高，不易发生普通二维CAD软件的理解错误；实现”所见即所得”的BlM核心理念。
大跨空间结构设计信息建模软件三维实体模型中的构件、节点等具有真实世界的行为和属性，包含真实构件的各种构件材料信息的显示、查询对话框相关信息，包括结构构件以及整体结构两个层次的相关附属信息。完整的三维实体信息模型提供基于虚拟现实的可视化信息，将对大跨空间结构的施工提供指导，对施工中可能遇到的构件碰撞进行预检测。图5为软件提供的结构用料信息的显示与查询。
结论
大跨空间结构设计信息建模软件与Midas的数据接口实现了分析信息的数据共享，减少了重新建模的巨大工作量；同时，设计的所有剖视图、施工图、大样图都出自同一个建筑信息模型，与传统的人工绘图相比，极大地提高了工作效率，减少了出错的可能性，模型上的修改可以实时反映在图纸中，保证了设计的高质量。
大跨空间结构设计的BIM方案数字化深化了项目参与各方的信息交流和沟通方式，与传统的文件、图纸交流相比，通过集成各种相关信息的建筑信息模型沟通和数据传输，大大提高了大跨空间结构项目参与各方的信息共享程度，在一定程度上解决了BLM所要求的信息整体性问题。
本文从建筑业的特点出发，分析了结构设计的特点，并专注分析了结构的设计流程与数据流分析，及大跨空间结构的设计特点，得出基于应用BIM技术的大跨空间结构数据流分析。着重以BIM技术在大跨空间结构设计领域的研究应用为突破口，提出了BIM技术实施的具体方案，并用实践验证了方案的可行性。通过分析现有大跨结构的设计及BIM软件，提出建AMIDAS与REVlT进行数据交互，通过编程实现数据交互，快速实现大跨空间结构的BlM建模，并以绍兴体育场为例实现该技术。期望能为BIM技术在结构工程设计领域的应用提供借鉴，为BIM技术在我國建筑业中的推广和BIM技术在其他行业的应用提供参考。
作者：梁佐鹏，助理工程师北京建筑工程学院硕士在读研究生
甘明，北京市建筑设计研究院院副总工程师教授级高级工程师
收稿日期：2011年11月
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