CN113642069A - 基于bim和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，包括步骤：基于本地机开展BIM三维设计，并提取建筑几何参数信息；基于Web技术在云端开发API通信接口，并建立包括建筑几何模型和CFD计算参数的CFD分析任务数据库；利用BIM参数化编程工具直接连接云端API通信接口，上传本地建筑几何模型并配置CFD计算参数；利用云端的CFD软件计算建筑风荷载，通过编程技术实现建筑几何模型网格自动划分和并行计算；将风荷载计算结果反馈回本地BIM软件，并可视化呈现风荷载计算结果；根据计算结果修改建筑几何参数，继续进行步骤S1‑S5的迭代计算，最终确定优化后的建筑设计参数，并同步修改本地BIM模型。本发明显著提高了初步设计阶段复杂建筑风荷载评估效率。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程BIM性能化设计和建筑数字化CFD仿真领域，具体涉及一种基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法。
背景技术
近年来随着国家工业互联网、装配式建筑以及智慧城市战略部署不断推进，建筑工程信息技术(Building Information Modeling)开始全面落地应用于建筑工程设计、施工和运维当中。对于风致敏感的超限复杂结构如超高层和大跨屋盖结构等，采用计算流体力学方法(CFD)进行建筑风荷载仿真分析，是进行建筑BIM性能优化设计的核心环节之一。CFD数值计算方法基于流体力学运动控制方程，采用数值离散方法求解建筑表面风压和风速，具有成本低和容易控制变量等优势，可以在初期建筑方案快速比选阶段进行建筑数值风洞计算，然后根据最终方案进行实际物理风洞试验，从而大大减少成本和提升设计效率。
在CFD辅助BIM仿真设计方面，当前土木工程领域主要采用CFD软件对基于BIM的简化模型进行离散化流程计算分析，其分析流程为：先利用BIM软件导出简化的建筑几何模型数据，手动导入第三方CFD前处理网格划分软件如ICEM和Gambit等进行计算域设定和网格划分；将CFD网格模型导出至FLUENT和STAR CCM+等商业CFD软件中进行计算求解；利用CFD软件后处理模块或者第三方后处理软件进行风荷载可视化分析，并手动提取出CFD结果进行评估并优化原有的BIM建筑几何模型。对于土木工程领域工程设计人员，上述应用流程存在如下问题：1)多款系列软件间的模型数据传递和CFD网格划分存在必要的模型修改，难以保证BIM模型与CFD网格模型的数据单一性和连续性；2)针对复杂建筑几何的高精度CFD网格模型，往往建模繁琐耗时，对设计人员难度大，并且难以满足建筑初步方案设计阶段时间节点要求；3)基于BIM模型进行方案仿真优化的过程中需要多次根据计算结果调整建筑几何模型，采用上述离散化的计算流程往往效率低下，难以面向建筑方案设计阶段的快速迭代设计。
另一方面，近年来国内外仿真研究团队考虑在BIM模型中内置CFD仿真分析软件，从而实现BIM仿真设计一体化。如国外研发团队利用Rhino三维软件内置了OPENFOAM开源CFD软件，开发了butterfly插件，实现了对建筑风场稳态模拟；Autodesk公司通过在BIM模型中内置CFD专业类分析软件进行室内空调舒适性分析。然而该种方法对本地BIM三维设计来说需要占用大量计算资源，仅局限于部分流动现象和有限的求解器算法，针对复杂大型建筑结构的迭代计算同样存在耗时低效的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，利用Web技术开发异构系统API通信接口，将本地小型机的CFD计算工作任务同步提交至云端服务器进行计算并获取仿真结果，同时利用BIM及参数化编程技术实现BIM模型的创建、模型几何特征提取、风荷载可视化呈现以及自动迭代优化等流程，从而减少本地小型机进行建筑设计和性能化分析所需的计算资源，提高初步设计阶段复杂建筑的风荷载评估效率，为建筑气动外形方案快速比选设计提供了一种新的技术手段。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，包括以下步骤：
S1、基于本地计算机开展BIM三维设计，并提取CFD仿真所需的建筑几何参数信息；
S2、基于Web技术在云端开发API通信接口，并建立包括建筑几何模型和CFD计算参数的CFD分析任务数据库；
S3、利用API通信接口上传本地建筑几何模型，并配置CFD计算参数；
S4、利用云端的CFD软件计算建筑风荷载，通过编程技术实现建筑几何模型网格自动划分和并行计算；
S5、利用API通信接口将云端的建筑风荷载计算结果反馈回本地，并可视化呈现风荷载计算结果；
S6、根据计算结果修改建筑几何参数，继续进行步骤S1-S5的迭代计算，最终确定优化后的建筑设计参数，并同步修改本地BIM模型。
进一步地，步骤S1包括：在本地计算机上建立三维BIM建筑信息模型，开展BIM设计，同时利用可视化编程技术对CFD仿真分析的建筑外表面几何特征信息进行参数化表述，建立BIM数据库并从中提取CFD仿真所需的建筑几何参数信息。
进一步地，利用Revit、CATIA或Rhino建立三维BIM建筑信息模型。
进一步地，根据建设工程全生命周期需要，建立适用于设计、施工、运维和拆除工程的全生命期不同阶段数据共享的三维BIM建筑信息模型。
进一步地，API通信接口自动为上传的本地建筑几何模型和CFD计算参数分别创建建筑几何模型数据库和CFD模型数据库。
进一步地，API通信接口还用于云端CFD计算状态的查询。
进一步地，CFD分析任务数据库实现CFD计算模型和CFD计算参数的传递、计算任务管理及监控。
进一步地，步骤S3包括：利用本地机的三维BIM可视化编程工具，将本地建筑几何模型数据和CFD计算参数配置文件通过Web通信技术同步共享至云端，云端的API通信接口在接收并监测到数据文件后将自动创建唯一CFD模型文件名并进行CFD计算参数配置。
进一步地，步骤S4包括：API通信接口将根据CFD计算参数的配置在云端中创建计算文件夹，并将CFD计算模型和计算参数复制到该文件夹，然后调用经过二次开发的OPENFOAM开源软件进行建筑数值风洞前后处理和计算求解，完成建筑几何模型的网格自动划分、收敛计算以及后处理结果提取，并将计算得到的建筑整体风荷载和外表面风压信息数据保存至数据库或数据文件中。
进一步地，一旦云端完成CFD计算工作，本地机通过API通信接口自动下载建筑风荷载仿真计算结果，利用BIM参数化编程工具进行建筑风荷载可视化分析评估。
本发明的有益效果为：
(1)本发明利用Web技术开发的异构系统API通信接口，实现了本地BIM数据和云端服务器CFD计算几何模型的数据共享和协同工作，在保证BIM数据准确传递的同时将BIM设计和CFD仿真工作流程分离，充分利用了云端服务器支持CFD高效并行计算的特性和本地小型机设计软件丰富和操作便捷的优势；
(2)本发明在进行BIM设计过程中采用参数化编程技术，可以自动调用异构系统提供的API接口程序，在迭代过程中自动修改模型几何参数并进行CFD云端计算和风荷载可视化，实现BIM模型建筑数值风洞的高效仿真，简化了设计人员利用CFD仿真优化设计的操作流程，显著提高了初步设计阶段建筑风荷载计算分析效率，为BIM仿真设计的建筑气动外形方案快速比选提供了一种新的技术手段。
附图说明
图1为本发明的基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法流程图。
图2为本发明实施例中的体育场馆BIM模型及参数化建模示意图。
图3为本发明实施例中的异构系统API通信接口程序的功能介绍。
图4为本发明实施例中的基于Grasshopper可视化编程工具的API调用流程图。
图5为本发明实施例中的开源CFD程序OPENFOAM算例文件结构。
图6为本发明实施例中的三维建筑模型风荷载可视化界面示意图。
图7为本发明实施例中的BIM模型局部仿真优化分析示意图。
图8为本发明实施例中的建筑模型风荷载迭代优化可视化界面。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
随着高性能计算水平飞速提升以及开源CFD算法日益成熟，通过CFD云端计算的方式，将本地建筑模型上传至计算资源丰富的云服务器平台进行协同仿真计算，可以明显提高建筑CFD仿真分析效率。因此，本发明提出了一种新的用于进行BIM-CFD迭代设计的新方法，在BIM仿真设计中同时采用参数化编程、开源CFD算法和Web通信技术，实现基于异构系统的BIM-CFD仿真设计一体化流程。
本发明的基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、基于本地小型机操作系统开展BIM三维参数化设计，建立BIM数据库并从中提取CFD仿真所需的建筑几何特征信息。
可以利用在微软Windows操作系统上运行的Revit、CATIA和Rhino等常用BIM设计软件，在本地小型机如笔记本和台式机上开展建筑项目三维设计，并根据建设工程全生命周期需要，建立适用于设计、施工、运维和拆除等工程全生命期不同阶段数据共享的三维BIM建筑信息模型。
由于适用于建设工程全生命周期的BIM模型通常包含功能类建筑物、形态类建筑以及材料构件属性等多种信息，本发明利用可视化编程技术对CFD仿真所需的建筑外表面几何特征信息进行参数化表述，从而能够实现高效实时修改建筑方案，便于通过参数化编程方式进行后续CFD自动迭代仿真设计。
建立实际建筑项目BIM数据库，并通过预先编写好的可视化编程功能实现同步读取并导出CFD仿真所需的建筑几何参数信息，为下一步分析提供与BIM信息模型数据连续性的基础几何数据。
S2、基于Web技术开发API通信接口并部署在云端异构系统中，实现CFD计算模型和计算参数的传递、计算任务管理及监控等。建立CFD分析任务数据库，包含CFD计算几何模型和计算参数信息，实现CFD计算模型和计算参数的传递、计算任务管理及监控。
API通信接口程序，用于连接本地小型机和云端服务器，实现异构系统间的BIM数据同步共享。利用该API接口可以实现本地BIM几何模型上传、CFD计算参数设置以及CFD计算状态查询，自动为上传的几何模型和CFD计算参数分别创建异地云服务器的建筑几何模型数据库和CFD模型数据库。
S3、利用异构系统提供的API通信接口，上传本地建筑几何模型至云端服务器，并配置CFD任务计算参数。
利用本地小型机BIM三维可视化编程工具，将本地建筑几何数据和CFD参数配置文件通过Web通信技术同步共享至云端服务器中。云端异构系统中开发的API通信接口程序在接收到数据文件后将自动创建唯一CFD模型文件名并进行CFD计算参数配置。
S4、利用部署在云端服务器的开源CFD软件OPENFOAM计算建筑风荷载，通过编程技术实现建筑几何模型网格自动划分和并行计算。
运行于云端服务器的API通信接口程序，在接收到来自本地机的几何模型等信息后，将在云端服务器中创建计算文件夹，并将几何模型和计算参数复制到该文件夹，然后调用经过二次开发的OPENFOAM开源软件进行建筑数值风洞前后处理和计算求解，完成建筑模型的CFD网格自动划分、收敛计算以及后处理结果提取，并将计算得到的建筑整体风荷载和外表面风压信息数据保存至数据库或数据文件中。
S5、利用异构系统提供的API通信接口，将云端服务器中建筑风荷载的计算结果同步反馈回本地小型机的BIM设计系统，并可视化呈现风荷载计算结果。
本地小型机系统通过基于Web技术开发API通信接口查询CFD计算任务的工作完成状态。一旦云端服务器完成CFD计算工作，本地小型机系统可通过API通信接口自动下载建筑风荷载仿真计算结果，利用参数化编程工具进行建筑风荷载可视化分析，评估建筑整体风荷载和建筑表面风压分布规律。
S6、根据计算结果修改建筑几何参数，继续进行上述S1～S5步骤迭代计算，最终确定优化后的建筑设计参数，并同步修改本地BIM模型。
根据CFD计算结果以及建筑结构规范要求，分析建筑外表面风荷载分布形式的合理性，基于BIM模型调整、优化建筑几何参数后，再次通过基于Web技术开发的API通信接口提交优化后的CFD计算模型和计算参数至云端服务器。经过多次调整、优化的方案迭代计算，最终形成经CFD仿真优化后的参数化BIM设计模型。
下面以体育场馆BIM仿真设计为例，介绍本发明的具体实施步骤如下：
(1)采用Rhino软件和Grasshopper可视化编程工具，在本地台式机上建立大跨体育场初步建筑方案模型及周围建筑实体模型，将所有与建筑项目信息相关的数据建立存档。利用Grasshopper参数化建模工具，对拟进行仿真设计分析的膜结构进行参数化建模，以实现对关键几何部位的实时参数修改。BIM模型及可视化编程界面如图2所示。
(2)基于Web技术开发API通信接口程序，该接口程序的原理功能如图3所示。基于Web通信技术的API接口程序，用于连接本地小型机和云端操作系统，建立建筑CFD计算任务数据库，包含CFD计算几何模型和计算参数，实现CFD计算模型和计算参数的传递、计算任务管理及监控。并将上述接口部署于云端异构系统。
(3)利用Grasshopper参数化编程工具，连接云端服务器的API通信接口程序。为简化说明本发明思路，本案例仅提取出主体膜结构的STL格式几何文件，通过HTTP表单上传至云端服务器中，同时发送计算参数和任务名称等信息。云端服务器接收到STL几何数据文件等信息后，进行校验，校验合格后，云端服务器的API接口程序将为任务和STL文件分配唯一编码，然后存储至服务器的数据库中。基于Grasshopper可视化编程工具的BIM模型上传流程如图4所示。
(4)云端服务器上运行有开发的任务管理程序，会根据分析任务数据库，创建OPENFOAM计算任务文件夹，并将STL几何数据文件和计算参数传输至对应文件夹中。并执行OPENFOAM命令开始计算。
如图5所示，每个开源OPENFOAM软件的CFD算例文件必须包含0、system和constant三个文件夹。在进行CFD计算时，需要在异地云服务系统中预先设置好建筑数值风洞的初始和边界条件(0文件夹)、网格划分文件(blockMeshDict、snappyHexMeshDict和surfaceFeatureExtractDict)以及求解控制文件(controlDict、fvSchemes和fvSolution)。基于Linux脚本程序对上述文件名进行模板开发，可以自动创建上述文件，并实现对建筑几何模型自动网格划分、计算域创建、收敛计算以及后处理结果提取。
(5)Rhino+Grasshopper开发的程序通过云端服务器API通信接口程序，定时查询分析任务是否完成，如果任务完成，则通过API通信程序将仿真分析结果下载至本地文件夹中，再通过Grasshopper参数化编程工具即可便捷在Rhino建筑软件中进行建筑风荷载可视化，如图6所示。
(6)根据下载的CFD计算结果以及建筑结构规范要求，分析建筑外表面风荷载分布形式的合理性，并判断建筑局部几何参数是否需要修改。若需要修改，利用Grasshopper参数化编程工具提交修改后的STL几何文件至云端云服务器并重复步骤(1)-(5)。如图7所示，本案例将对膜结构的两端拱起高度进行参数化调整，并进行23轮方案迭代计算，定性定量分析每种方案，记录风吸力、迎风阻力和风致弯矩的变化情况。如图8所示，经过本发明思路的迭代优化计算，可以基于BIM模型快速计算出每种方案的受力情况并确定风荷载优化设计方案，最终修改BIM模型几何参数。
综上所述，本发明公开了一种基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法。本发明利用基于Web技术开发的异构系统API通信接口，将本地小型机BIM三维设计的CFD仿真环节提交至云端服务器，同时利用BIM参数化编程技术实现建筑方案的自动CFD云计算、风荷载可视化以及几何特征信息迭代修改。该方法主要包括以下步骤：1)基于本地小型机操作系统开展BIM三维参数化设计，建立BIM数据库并从中提取CFD仿真所需的建筑几何特征信息；2)在云端异构系统中开发API通信接口，实现数据共享传递以及CFD任务计算、管理及监控，建立建筑几何模型和计算流体力学(CFD)计算参数数据库；3)利用异构系统提供的API通信接口上传本地建筑几何模型至云端服务器，并配置CFD任务计算参数；4)利用云端服务器的开源CFD算法OPENFOAM，通过编程技术实现建筑几何模型网格自动划分和并行计算；5)利用异构系统API通信接口将云端服务器中建筑风荷载的计算结果反馈回本地小型机的BIM设计系统，并利用参数化建筑设计软件可视化呈现风荷载计算结果；6)根据计算结果修改BIM建筑几何参数，继续进行上述步骤迭代计算，最终确定优化后的建筑设计参数，并同步修改本地BIM模型。本发明利用基于Web技术开发的异构系统API通信接口，充分发挥了云端服务器操作系统CFD并行算法的高效性和本地小型机设计软件方便快捷等优势，减少了本地小型机中BIM仿真分析的计算资源，实现本地BIM模型和远端服务器CFD计算资源的同步共享和程序调用，显著提高了初步设计阶段复杂建筑风荷载评估效率，为BIM设计中建筑气动外形方案快速比选提供了一种新的技术手段。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于本地机开展BIM三维设计，并提取CFD仿真所需的建筑几何参数信息；
S2、基于Web技术在云端开发API通信接口，并建立包括建筑几何模型和CFD计算参数的CFD分析任务数据库；
S3、利用API通信接口上传本地建筑几何模型，并配置CFD计算参数；
S4、利用云端的CFD软件计算建筑风荷载，通过编程技术实现建筑几何模型网格自动划分和并行计算；
S5、利用API通信接口将云端的建筑风荷载计算结果反馈回本地，并可视化呈现风荷载计算结果；
S6、根据计算结果修改建筑几何参数，继续进行步骤S1-S5的迭代计算，最终确定优化后的建筑设计参数，并同步修改本地BIM模型。
2.根据权利要求1所述的基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，其特征在于，步骤S1包括：在本地机上建立三维BIM建筑信息模型，利用可视化编程技术对CFD仿真分析的建筑外表面几何特征信息进行参数化表述，建立BIM数据库并从中提取CFD仿真所需的建筑几何参数信息。
3.根据权利要求2所述的基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，其特征在于，利用Revit、CATIA或Rhino建立三维BIM建筑信息模型。
4.根据权利要求2或3所述的基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，其特征在于，根据建设工程全生命周期需要，建立适用于设计、施工、运维和拆除工程的全生命期不同阶段数据共享的三维BIM建筑信息模型。
5.根据权利要求1所述的基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，其特征在于，API通信接口自动为上传的本地建筑几何模型和CFD计算参数分别创建建筑几何模型数据库和CFD模型数据库。
6.根据权利要求1所述的基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，其特征在于，API通信接口还用于云端CFD计算状态的查询。
7.根据权利要求1所述的基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，其特征在于，CFD分析任务数据库实现CFD计算模型和CFD计算参数的传递、计算任务管理及监控。
8.根据权利要求1所述的基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，其特征在于，步骤S3包括：利用本地机的三维BIM可视化编程工具，将本地建筑几何模型数据和CFD计算参数配置文件通过Web通信技术同步共享至云端，云端的API通信接口在接收并监测到数据文件后将自动创建唯一CFD模型文件名并进行CFD计算参数配置。
9.根据权利要求1所述的基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，其特征在于，步骤S4包括：API通信接口将根据CFD计算参数的配置在云端中创建计算文件夹，并将CFD计算模型和计算参数复制到该文件夹，然后调用经过二次开发的OPENFOAM开源软件进行建筑数值风洞前后处理和计算求解，完成建筑几何模型的网格自动划分、收敛计算以及后处理结果提取，并将计算得到的建筑整体风荷载和外表面风压信息数据保存至数据库或数据文件中。
10.根据权利要求1所述的基于BIM和异构系统的建筑风荷载快速迭代设计方法，其特征在于，一旦云端完成CFD计算工作，本地机通过API通信接口自动下载建筑风荷载仿真计算结果，利用BIM参数化编程工具进行建筑风荷载可视化分析评估。
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