CN109002670B - 一种基于bim的竹木复合结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM的竹木复合结构优化设计方法，利用BIM技术，将包括几何信息、结构模型、材料及热传导参数等在内的信息建立模型。使有限元软件顺利读取该信息模型，并进行计算模拟，如：结构尺寸外形优化设计、各构件之间连接件优化设计、能量优化设计、湿度分布模拟和优化设计、挥发性气体优化设计、噪声传导优化设计等。计算模拟完成后，得到的数据仍可以被存储入信息模型，并以共享数据的形式有效地反馈给各相关方，从而提高整个竹木复合结构优化设计流程的效率。

Description

一种基于BIM的竹木复合结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及竹木复合材料结构设计信息化领域，具体表现为一种基于BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)技术的竹木复合结构优化设计方法。

背景技术

由于材料的正交各项异性、热传导、保湿性和振动特性不同，竹木复合结构和传统的混凝土结构在设计设施工上有很大区别。在实际的工程中，结构工程师需要进行大量的结构计算、力学分析、能量模拟、参数优化等多种模拟计算任务，并需要及时将模拟计算结果与建筑师沟通，从而优化设计方案。因此，在普遍的竹木复合结构设计流程中，建筑师和结构工程师之间的信息交换往往包含两个特点：一、数量大；二、频次高。并且，传统的信息交换模式是通过建筑师和结构工程师之间的海量纸质文件传递来实现的。这种传统的方法仅适用于小规模、结构形式简单、重复性高的结构设计项目；对于大型竹木复合结构而言，这样低效率的信息交换方式不仅耗费专业人员的精力，增加沟通成本，同时也加大了设计错误的隐患。

此外，即使将工业界现有的BIM技术引入到大型竹木复合结构的设计中，建筑师和结构工程师依然面临诸多挑战。例如：1)在建筑设计期间，大型结构的各部件一般由不同的建筑师承担，如果他们采用不同的BIM软件进行设计，这些软件所生成模型的数据格式之间可能存在兼容性和互操作性的问题。2)目前，建筑设计软件和有限元计算软件之间的数据交换效率和质量均受到严格限制。结构工程师无法通过市场上现有的有限元软件充分读取BIM模型中所包含所有关键信息，使得整个设计流程的信息化不充分，未能有效提高工作效率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于BIM技术的竹木复合结构优化设计方法。本方法的主要功能包括：

1)对BIM模型进行检查、完善以及整合。

2)将BIM模型中未被定义的信息(如，材料参数、热传导系数等)和BIM模型进行整合建立一个建筑信息模型集合。

3)针对不同的有限元软件和相应的模拟计算目的(如，结构设计分析、能量分布模拟、噪声传导优化等)，相关的数据从信息模型集合中提取出来，并转换为有限元软件可读取的数据格式，使得有限元软件读取数据文件后呈现出来的模型尽可能包含足够的信息，从而显著减少前处理的工作量。

4)建立有限元模拟的结果和功能2)中信息模型集合的数据连接，并进行合适的可视化表达，提高各参与方之间信息交换和内容反馈的效率。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于BIM技术的竹木复合结构优化设计方法，包括如下步骤：

S1、获取建筑师设计的BIM文件，得到结构设计的初步信息；

S11、统筹各子结构的BIM模型，从而整合成BIM模型集；

S12、理解BIM数据库各子模型的定义标准，找到包含模拟计算必需信息的对象以及特征参数；

S2、基于目前开源的面向XML和STEP数据格式处理的程序包，针对竹木复合结构的材料和模拟计算特点，确定通过数值模拟要实现的优化设计目标；按照数值模拟目标，开发用于提取建筑信息集合中的相关数据的专业信息处理工具；

S3、有限元软件读取步骤S2中所得到的数据文件，生成有限元模型，进行模拟和计算；

S31、有限元软件读取数据文件；

S32、根据结构优化设计的目标，在前处理阶段，完善现有模型；

S33、进行模拟，并得到模拟结果；

S4、将计算结果存储于信息模型集合中，建立模拟结果和BIM模型的数据连接，并进行可视化处理，反馈给子结构设计的建筑师；

S5、建筑师根据模型计算结果，优化设计方案：

(a)如果建筑师同意变更，则优化设计完成；

(b)如果建筑师提出新的设计要求，则重复步骤S2至步骤S5的设计过程。

本发明能高效率、高精度实现竹木复合结构设计阶段各参与方直接的信息交给和协同工作。在以竹木复合材料为基础的民用建筑工程、城市景观工程以及新型不规则复合结构的建筑能源模拟、结构动力分析和结构优化设计中，该方法尤其能够凸显出其信息化的优势。

竹木复合材料的诸多特殊特点也能在本发明中得以体现和实际应用。例如，针对竹木材料及结构的天然变异性这一特殊因子，生物质材料的物理力学变异性采统计模型分布模型量化也能基于本发明中的信息化手段，生成对应的信息模型，体现在有限元模型中。此外，针对竹木材料及结构在空间维度上的各项异性的特点，本方法可准确识别竹木材料三维方向(长、宽、高)的模量、热传导、光辐射、密度、声振动、声吸收、磁屏蔽及空气流动等关键信息，建立了立体的环境自适应材料与结构功能信息数据库，为绿色建材及结构的保温隔热、降噪音、抗震、湿度与光线调节等环境舒适性信息的高效利用搭建了建筑结构设计数据化的实时反馈平台。

针对大空间、大跨度竹木结构体系连接节点设计的复杂性，本发明采用结构优化设计技术将结构的跨距、截面惯性矩及刚度信息提取的同时充分考虑了生物质材料与钢结构的局部关键连接节点处的应力集中现象，在有限元计算分析完成后，包含计算结构的信息还将增加竹木复合材料的层积结构、握定力、销槽承压等连接性能指标，以此充分考虑到结构设计的安全性。

本发明具有以下有益效果：

(1)三维几何信息交换

传统的设计方案中各方的信息传递是通过建筑结构施工图平面整体设计来实现的。建筑结构施工图平面整体设计方法，即把三维物体在平面、立面、剖面投影到不同平面，然后绘制成图。这种方法对工程设计人员的空间想象能力有较高要求，故看错图纸甚至导致工程施工的问题屡见不鲜。本发明的方法中所有的工作流程都基于三维信息实现，有效提高项目各方之间信息交换的质量和效率。

(2)非几何信息和几何信息的数据连接

几何信息通过三维形式得以清晰得表达，但是非几何信息无法完全被BIM数据交换格式的架构所定义，尤其是专业性较强的竹木复合结构材料特性信息的表达，在多数是情况下是以独立数据表格的形式呈现，这样的呈现方式较为抽象。无论对于建筑师还是结构工程师而言，理解建筑单元和对应的相关参数也是一项艰巨的任务。在本发明中，信息化技术建立了于建筑单元几个模型相对应参数信息的数据连接，从而实现了几何信息和相关参数模型读取以及呈现的一一对应。

(3)基于共享数据模型的协同工作方式

对于竹木复合结构，各构件之间的连接件工艺复杂，几何模型繁杂，很多建筑师提供的设计方案只关注于建筑理念的表达，结构工程师需要通过反复计算、校核才能在建筑方案的基础上设计出满足结构安全性和可靠度的连接件。如果采用传统的设计方式，各参与方则独立开展工作，信息的交换通过图纸实现，这样的合作方式无疑是低效的。本方法的核心在于搭建一个基于BIM的共享信息模型。门、梁、窗户等的信息模型已经由建筑师在BIM软件内生成，其中的几何尺寸，材料名称等已经存在。结构工程师从信息模型中获得相应参数，用于有限元计算，并把结果反馈给信息模型。建筑师直接能够从信息模型中直观地得到结果工程师的反馈意见。设计中的各参与方基于同一共享数据模型协同工作，减少了沟通成本，而且每次某一方对模型的修正和调整信息都能实时被其他参与方获知，从而提高了整个项目在设计阶段的运转效率，因此本发明特别适用于需要进行多次优化设计的复杂竹木复合结构。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于BIM的竹木复合结构优化设计方法的BPMN(业务流程模型和标记法)流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下的实例说明以BIM数据交换格式中较为广泛应用的IFC(IndustryFoundation Classes,工业基础分类标准)文件格式为例，具体阐述本发明的步骤：

S1、获取建筑师设计的BIM文件，得到结构设计的初步信息；

S11、统筹各子结构的BIM模型，把所有的BIM模型转换成IFC文件，

从而整合成完整结构的IFC模型(文件)。将IFC目前规范中未定义的信息内容通过IFC的特征设置(PropertySets)补充，或者以建立IFC文件和其他信息数据连接的方式实现整个数据集合的搭建；

S12、理解IFC的数据架构，找到包含模拟计算必需信息的IFC对象以及IFC对象所包含的特征参数。

S2、基于目前开源的STEP数据格式处理的程序包(如，基于Java的JSDAI库)，针对竹木复合结构的材料和模拟计算特点，确定通过数值模拟要实现的优化设计目标；按照数值模拟目标的要求，通过独立深度开发的信息处理工具，从以IFC文件为核心的信息模型集合中提取几何信息，以及其他重要数据内容。

S3、有限元软件读取步骤S2中所得到的数据文件，生成有限元模型，进行模拟和计算；

S31、有限元软件读取数据文件；

S32、根据结构优化设计的目标，在前处理阶段，完善现有模型；

S33、进行模拟，并得到模拟结果。

S4、将计算结果存储于信息模型集合中，建立模拟结果和相关建筑单元所对应的IFC对象(如，IfcWall、IfcWindow、IfcDoor等)的数据连接，并进行可视化处理，反馈给子结构设计的建筑师；。

S5、建筑师根据模型计算结果，优化设计方案：

(a)如果建筑师同意变更，则优化设计完成；

(b)如果建筑师提出新的设计要求，则重复步骤S2至步骤S5的设计过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于BIM技术的竹木复合结构优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、获取建筑师设计的BIM文件，得到结构设计的初步信息；

S11、统筹各子结构的BIM模型，从而整合成BIM模型集；

S12、理解BIM数据库各子模型的定义标准，找到包含模拟计算必需信息的对象以及特征参数；

S2、基于目前开源的面向XML和STEP数据格式处理的程序包，针对竹木复合结构的材料和模拟计算特点，确定通过数值模拟要实现的优化设计目标；按照数值模拟目标，开发用于提取建筑信息集合中的相关数据的专业信息处理工具；

针对竹木材料及结构在空间维度上的各项异性的特点，识别竹木材料三维方向的模量、热传导、光辐射、密度、声振动、声吸收、磁屏蔽及空气流动信息，建立立体的环境自适应材料与结构功能信息数据库，为绿色建材及结构的保温隔热、降噪音、抗震、湿度与光线调节信息搭建建筑结构设计数据化的实时反馈平台；

S3、有限元软件读取步骤S2中所得到的数据文件，生成有限元模型，进行模拟和计算；

S31、有限元软件读取数据文件；

S32、根据结构优化设计的目标，在前处理阶段，完善现有模型；

S33、进行模拟，并得到模拟结果；

S4、将计算结果存储于信息模型集合中，建立模拟结果和BIM模型的数据连接，并进行可视化处理，反馈给子结构设计的建筑师；

S5、建筑师根据模型计算结果，优化设计方案：

(a)如果建筑师同意变更，则优化设计完成；

(b)如果建筑师提出新的设计要求，则重复步骤S2至步骤S5的设计过程。