第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 BIM技术在结构设计中的应用问题分析 杨党辉，苏原1，孙明2 （1.华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074：2.武汉市城乡建设委员会设计处，湖北武汉 430050) 摘要：BIM技术在结构设计中的优势主要体现在协同设计、碰撞检查、实体配筋以及工程量统计等：不足之处 在于受到数据转换和平法的制约.
本文从IFC标准、RevitAP、Excel等方面进行了数据转换测试，结果表明： IFC标准仅适合结构物理模型的数据转换，后续的结构分析设计或实体配筋难以进行：基于RevitAPI二次开发的 接口在进行结构分析设计上的数据转换上是可行的，但是存在诸如接口不稳定等问题：无论采用何种方法，将三 维结构物理模型转换为结构分析模型时，节点的简化处理等问题有待进一步的研究.
平法间题上，基于Revit的 平法绘图理论上可行，但可操作性较差，应当拓展IFC功能或开发Revit平法插件，实现结构设计软件配筋结果 的回传和平法标注与实体配筋的相互驱动.
关键词：建筑信息模型：IFC（Industry Foundation Class）：Revit API（application program interface）；数据转换： 平法 1引言 随着建筑业信息化的推进，BIM（BuildingInformationModeling）技术业以成为工程建设领域广泛研 究和实践的主要信息技术之一.
关国国家建筑科学研究院于2007年发布了基于IFC标准制定的BIM应用 标准NBIMS（National Building Information Model Standard）.
随后，北美、欧洲、韩国及许多英联邦国家 基本上都采纳了关国的第一版BIM标准，或者在美国BIM标准的基础上发展自己国家的标准.
我国第一 部BIM标准-北京市地方标准《民用建筑信息模型设计标准（DB11/1063-2014）》也将于今年9月份发 布实施.
目前，民用建筑多采用Autodesk Revit 实现BIM技术，工厂设计和基础设施多采用Bentley实现BIM 技术l.
Autodesk公司提出了以 Robot Structural Analysis为支撑的 BIM技术结构解决方案，实现了Revit 结构建模与结构分析设计之间数据的双向"无缝"传递，因该软件对中国规范的支持尚不完善以及施工图表 达理念与国内平法的差别，此项解决方案尚无法有效应用于国内.
BIM技术在结构设计中的运用主要涉及三个问题：BIM核心建模软件与结构设计软件之间的数据转换 问题：BIM表达与平法施工图的契合问题：结构设计与其他专业的协同设计，包括三维可视化技术，碰撞 检查等I2-9].
文献[2]指出，BIM物理模型与结构分析模型的链接障碍是数据转换的难点之一，要实现“无 缝”数据转换，需要有成熟的转换标准或数据接口.
以RevitStructure为例，其与结构分析软件的数据转 换方式主要为IFC公共转换标准和RevitAPI二次开发平台.
文献[3-5]分析了IFC标准在结构设计领域的 开发工作及相关评估，认为在理论上，IFC标准基本满足结构设计的数据需求.
但实际应用中，在不同的 软件间进行IFC文件互相转换时，各大软件商都使用自己的数据库与其显示平台进行对接，由于数据库并 未按照IFC标准的格式构建，不可避免的出现IFC文件输入、输出时造成信息缺失与错误等结果：基于 IFC的数据转换在真正运用于工程实践之前，尚需要进一步的发展6-1.
文献[12~15]探讨了BIM表达与平 法理念的相容问题，指出可以将平法表达纳入BIM理念中，但存在实体配筋与平法符号无法衔接等间题， 而且具体操作较为繁琐.
文献[16-19]指出了BIM可视化技术在大型复杂结构中的成功运用，就协同设计、 管线碰撞检查、深化设计等问题进行了分析，指出了BIM可视化技术的优势.
综上，为了将BIM技术成功地运用到结构设计中，需要解决数据转换、BIM表达与平法理念两个关 基金项目：武汉市城多建设委员会资助项日（2012308-38） 作者简介：杨党辉（1989-)，男，硕士研究生
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 键问题.
本文将主要从IFC标准、RevitAPI二次开发接口探讨数据转换的现状，分析存在的问题：并简要 阐述BIM技术平法表达存在的问题和解决思路.
2BIM技术在结构设计中的优势 BIM技术在结构设计中的优势可归结如下：1）三维可视化设计与实体配筋技术：建筑信息模型以三 维模型为基础，用来表示真实结构构件及其钢筋配置情况.
在大型复杂的结构体系设计过程中运用可视化 技术，可对结构模型、设备模型进行漫游动态演示，考察结构选型的建筑效果及构件尺度在建筑空间中的 表现，并进行结构构件和设备的碰撞检查（图1（a）），以此来选择结构的最优方案16-19.
利用构件实体配 筋技术，可对复杂局部或节点进行钢筋配置的施工模拟（图1（b）），以便提前发现问题：2）实体模型的 参数化设计与协同设计：BIM模型核心技术是参数化建模，设计师可通过定义参数值和参数关系来创建结 构形体，并且在不同的参数之间施加一定的约束，形成关联或链接，这种约束关系可被系统不断继承与维 护[20，实现一处更改、处处更改，减少错误（图1（c)）：3）以BIM模型为平台进行设计信息的集成、其 享和转换：如既可利用Revit自身的明细表进行工程量统计（图1（d）、1（e）），也可以实现Revit与其他 分析设计、算量软件等之间的数据传递.
（a）风管、水管、梁碰撞检查 （c）3D、平面、立面的协同设计 （b）局部实体配筋 结构柱材质据取 [填与类型] 康与其型 质 [质：钟积][会计] 影性-流士 影社-土：200300 甘：体 钢明报表 ait (B) [能与类型][钢族直径][钢图长良] [体] （合计） 距形柱-高土：700X00 乐注 -C40 与决型 细长 体 影-星士：001000 晚注 CSD 101.48 x $2.18.a 09 R6 81454 -克士 - 801100 规注 C40 27.20 s² f2. RR 422712 延形样- 士： 80082400 注 37.61 s² RE 427160 无- 王 E形柱- 13.106. 3860.6 形柱-星士： 1000 注 85.41 266 2757185 2- 形柱-强士： 10000700 RE 晚场注 - RB : T907247 RE f18695 7758.95 形柱-士 形柱-士：12000900 说看士，规场染注 15806 2. 我有土，晚坏注 C40 -C40 i：11226 3046121 84 ca Ta2- 线苏排：12001200 140.29 x 1287 50 a* 8. （d）钢筋用量统计 票t：1363 （e）混凝土用量统计 图1BIM技术在结构设计中的优势 3结构设计中数据转换分析
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 结构计算中，结构分析模型是一种简化的三维模型，要求模型具有力学概念的准确性和计算结果精度 的可保证性，因此，与真实的实体模型可能会有差别2：BIM结构中心文件是一种细化的准确模拟建筑物 结构部分的三维实体模型，其目的在于与待建建筑保持一致性.
考虑到BIM技术信息共享、尽量减少重复 建模的理念，分析这两种出发点不同的结构模型之间的交换具有充分的现实意义.
目前，BIM技术在结构设计上的数据转换主要通过三种方式进行：一是采用IFC标准，实现各软件之 间的数据传递和更新：二是在BIM核心建模软件基础上进行二次开发，如在Revit基础上基于RevitAPI 二次开发，以插件的形式显示在Revit面板上：三是其他形式的转换，如基于中间文件Excel、DXF的数 据转换.
3.1基于IFC标准的数据转换 IFC标准的最新版本是在2012年发布的IFC4版本，然而，软件开发商支持的版本主要为2009年发布 的IFC2x3版本I2.
IFC2x3可有效的支持梁、柱、板、墙以及钢筋等构件或图元的转换，其支持的截面类 型主要为圆形、圆环形、工字形、L形、矩形、箱形、T形以及组合截面22.
通过IFC进行数据转换，好处是与BIM软件无关，因为该标准是公开的建筑工程数据标准，可用于 异构系统转换和共享数据3].
因此，理论上不管是用什么BIM软件建立的模型，导出来的IFC数据都是 标准的，所以只要做好一个读取IFC数据的模块就可以读取识别各种不同BIM软件建立的模型.
但是， 由于不同的软件采用不同的数据库与显示平台，在与IFC标准的对接上存在各自的差异.
目前，已有数十多种软件通过IFC标准开发组织buildingSMART的认证，其中针对结构工程专业的主 要有Revit Structure、Tekla Structures、SDS/2 等.
国内常用的结构分析设计软件中，SAP2000、ETABS同 时支持IFC文件的导入和导出，midas gen、3D3S支持IFC文件的导出.
考虑到3D3S在导出IFC文件时， 软件易出现错误性中断，该测试采用的软件为Revit Structure（2013）、SAP2000（V16）、ETABS（2013）、 midas gen（2013）、SolibriModel Viewer（V8.1）等.其中，Solibri Model Viewer 为IFC模型查看器，是为 了检查IFC文件的可读性和模型以IFC格式导出时，数据是否丢失或出现错误，以便进行模型之间的对比.
测试思路为将Revit、SAP2000、ETABS以及midas gen四种软件中的结构模型以 IFC2x3版本导出， 生成IFC模型，然后将该IFC模型导入到Solibri模型查看器，对比导出前后模型的异同：然后将各IFC 模型导入到Revit后，比较导入前后的异同.
为了体现测试模型结构体系的多样性，采用的模型如下：4 层框架结构（模型1，图2（a）、3（a）），8层框剪结构（模型2，图2（b）、3（b）），简单空间网壳钢结 构（模型3，图2（c）、3（c）），复杂空间网壳结构（模型4，图2（d）、3（d）），复杂空间框架结构（模 型5，图2（e）、3（e））和框架-核心筒结构（模型6，图2（f）、3（f））.测试的截面类型包括矩形、圆形、 T形、工字形、圆环形、工形劲型钢混凝土等结构设计中常用的截面类型.
（a）4层框架结构（b）8层框剪结构（c）空间网壳钢结构 （a）4层框架结构（b）8层框剪结构（c）空间网壳钢结构 ）（）（ 图2转换结构物理模型示意图 图3转换结构分析模型示意图 经过多次测试，发现目前基于IFC的数据转换现状如下：1）同一个模型，采用不用的软件导出，在
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 Solibri模型查看器中结果存在差别，主要表现为：midasgen默认梁构件的侧向中心线与该层标高对齐， 即使在建模时通过调整使梁构件的侧向顶部与层标高对齐，当将其以IFC格式导出时，IFC模型中梁构件 的侧面顶部标高恢复到默认状态，忽略了调整，同时，其IFC导出接口将空心构件映射为实心构件：SAP2000 和ETABS的IFC导出接口会将模型中截面自定义构件（如组合构件）丢弃，不予导出：2）IFC模型与导 入Revit后生成的结构物理模型，两者基本保持一致，但在Revit中基本未形成结构分析模型（仅原始模型 采用Revit建模的模型，其剪力墙构件有结构分析模型）.其中物理模型指结构三维实体模型，分析模型指 结构分析模型，为点、线、面模型.
在Revit中，采用三维实体建模，形成的模型为物理模型，结构分析 模型依赖于物理模型：在结构分析软件中，首先建立的是结构分析模型，而相对应的物理模型是将分析模 型三维拉伸、实体化后形成的模型：3）导入Revit后模型的构件属性定义改变（指原始模型采用Revit建 模）或紊乱（指原始模型采用结构设计软件建模），尤其是作为结构构件的固有属性丢失、改变或紊乱， 如混凝土构件属性中的“保护层厚度"项丢失或出现"栓钉数"等钢构件特有的属性，即结构构件转换成了不 具备结构分析功能的构件：4）导入Revit后构件的类型、族类型及属性定义的改变，包括部分构件由实体 模型（SolidModel）变为表面模型（SurfaceModel），由可载入族变为内建族以及族类型参数中的尺寸驱动 参数丢失，即由参数化构件变为非参数化构件.
其中可载入族为参数化定义族，内建族不具备参数化编辑 功能，只能在原位进行拉伸和缩放.
这些问题导致的结果如下：导入Revit后的模型由于存在大量的内建族构件，可编辑性差，模型难以 利用：导入后的模型基本无结构分析模型，难以导入结构设计软件中重复利用：部分构件由实体模型转为 表面模型，不能进行实体配筋，钢筋工程量统计以及施工模拟受到限制.
对上述现象进行分析，其主要原因为：1）部分软件厂商的IFC转换接口的功能不完善，存在模型导 出时，构件丢失或截面映射错误的现象：2）各软件厂商IFC转换接口的构件映射方式不同：midasgen将 圆形（含圆环形）构件的几何形状以GeometricSet（点、线、面集合）的方式导出，其结果如图4（a）所 示：其余软件以实体模型的方式导出，结果如图4（b）所示：Revit Structure将框架结构模型以及框剪结 构模型四角的柱以表面模型的方式导出，如图4（c）所示，而其余软件将相应位置的构件以实体模型的方 式导出，如图4（d）所示：3）各软件之间、各软件与IFC标准之间对构件的属性定义方式不同：IFC以 ifcGUID（全球唯一标识码）对构件进行区分和追踪管理，Revit以族的方式对构件分类、定义，结构设计 软件多以截面类型对构件区分，各方在构件属性上定义的不完全匹配导致了转换前后的构件实例属性和类 型属性的改变或紊乱：结构分析模型作为Revit物理模型的一个实例属性，其产生严格依赖于物理模型中 构件属性项定义是否正确，面采用IFC转换引起的结构构件属性定义的改变，导致结构构件丧失了特定的 “结构"属性，从而无法形成结构分析模型.
XX （a）圆形构件线面集合模型（b）圆形构件实体模型（c）角柱表面模型（d）角柱实体模型 图4模型对比 图5节点处混凝土材料未融合 3.2基于RevitAPI的二次开发 各转换接口的简单介绍如表1所示.
转换主要分两种情况：1）仅转换分析模型：将Revit中的结构分 析模型转入到结构设计软件中时，首先要在Revit中调整分析模型，实现板、梁、柱、墙等构件之间准确
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 的约束关系，然后将该模型导入分析软件，形成结构分析模型，与Revit中物理模型相比，分析软件中的 物理模型忽略了梁柱的轴线偏心等情况，因此在分析时，忽略了梁上荷载对柱产生的偏心弯矩等情况，分 析结果存在一定的偏差：2）转换分析模型的同时转换物理模型，与上一种情况对比，此种转换不存在简 化情况，既能保证转换的模型可以进行结构分析，又可以解决梁柱偏心引起的问题，保证结构计算的精度.
上述两种方式中，形成合理的Revit分析模型的难易程度主要依赖于节点连接部位各构件的轴线偏心情况： 构件轴线交于一点的结构，如网架、网壳结构，调整强度小：节点处各构件轴线交于不同的点，结构越复 杂，交点越多，调整工作量越大.
转换采用的模型与3.1节相同.
经过测试，发现相对比较成熟的接口软件为YJK和ETABS，其测试 结果如表2所示.
结合接口的转换功能，当进行混凝土结构数据转换时，考虑到梁构件水平偏心是常见的 情况，建议采用YJK：当进行网架、网壳等空间钢结构数据转换时，建议采用ETABS.
表1 数据转换接口介绍 软件类别 转换模型 传递方向 梁柱偏心 材质属性 荷载传递 YJK 物理&分析模型 双向传递 支持 模期匹配 不支持 ETABS 分析模型 双向传递 不支持 一对一匹配 点、线、面荷载 SAP2000 分析模型 双向传递 不支持 不支持混凝土构件 点、线荷载 midas Gen 分析模型 单向传口 不支持 一对一匹配 点、线、面荷载 STAAD 分析模型 双向传递 不支持 一对一匹配 点、线荷载 [1]不支持材料等级转换，即不同等级的混凝土或钢材转换为同一数认等级材料：[2]结构模型从Revin转入sap200 时，数认的可选择匹配截面均为 钢结构概育，且转换借口只能识别英文版Revi定文的混凝土截面，故认为不支持混凝土材料：[3]单向传通指仅支持从Revi转向msgm 表2RevitAPI结构模型测试结果 流程 模型 模型1 模型2 模型3 模型4 模型5 模型6 Revit →YJK 吻合 部分洞口丢失 部分构件位置错误 吻合 吻合 吻合 YJK→Revit 吻合 吻合 吻合 吻合 节点材质未相融！
吻合 Revit →ETABS 吻合 吻合 吻合 吻合 吻合 吻合 ETABS→Revit 吻合 吻合 吻合 吻合 节点材质未相融吻合 [1]节点材质未融合指节点比较复象，节点处各空间构件混凝土的融合本能实现如水平构件与竖向构件连接时的无缝融合，如图5所示.
3.3基于EXCEL的转换 目前，支持Excel数据导出的常用软件有3D3S、SAP2000、ETABS、midas Gen等.
由于Revit 中构 件没有明确的空间三维坐标，因此目前的转换是将设计软件的模型导入到Revit中，转换过程为：将设计 软件中结构模型导出为Excel文件格式，经过处理，实现各构件编号、节点号、节点坐标、截面类型、材 质信息等一一对应，并将其进一步整理成Revit扩展插件可以识别的格式，然后利用基于Excel的模型生 成器加载Excel文件.
3.4转换方法的对比分析 转换原理：采用IFC标准的转换是模型全部信息的转换，包括几何信息（空间位置、长度、节点约束、 框架杆端弯矩释放等），荷载信息（荷载方向、类型、组合等），材料信息（材料种类、自重等）以及截面 信息（回转半径、截面类型等），可以保证信息在流动过程中的一致性：RevitAPI和Excel转换一般基于 截面类型的匹配，构件空间位置、截面类型可以得到有效的保证，框架杆端弯矩释放信息一般不会传递， 其它信息会因接口的不同而受到不同程度的限制.
转换结果：由于不同软件对构件属性定义方式不同，IFC的转换结果存在诸多问题，仅支持结构物理 模型的转换，后续的结构分析或实体配筋受到限制：与IFC转换相比，RevitAPI和Excel转换以截面类型 匹配为原则，避免了不同软件对构件属性定义方式不同带来的问题，实现结构分析软件中构件类型与Revit 族类型之间的一一匹配，其好处在于转换结果可以用来做结构分析设计或实体配筋等，但RevitAPI存在
