杨党辉 苏 原 孙 明

(1.华中科技大学土木工程与力学学院，武汉430074;2.武汉市城乡建设委员会设计处，武汉430050)

1 引言

BIM技术的基础是建筑全寿命周期过程中的信息共享和转换。结构设计作为建筑物设计中的重要环节，BIM技术在结构设计中的应用成熟度对信息共享的实现有着重要的影响。与BIM技术在建筑设计中相对成熟的应用相比[1]，结构设计中的结构力学性能分析与配筋设计带来的数据转换等问题极大的影响了BIM技术在结构设计中的应用与推广。

BIM技术中的数据转换一般包含三种形式:直接转换、中间文件转换、公共转换标准。目前，Revit Structure与结构设计软件之间多以中间文件和公共转换标准IFC实现数据转换。文献[2]指出，Revit物理模型与结构分析模型的链接障碍是数据交换的难点之一，要实现“无缝”数据交换，需要有成熟的交换标准或数据接口。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文件互相交换时，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的数据交换在真正运用于工程实践之前，尚需要进一步的发展[6～11]。

笔者认为，一个良好的数据转换，应满足以下三点:①转换过程的公开透明性，包括转换内容的可选择性和转换过程的错误、警告等信息的记录;②转换结果的可利用性，转换后的模型不仅要与原模型几何尺寸上吻合，而且构件的内在属性应满足下一步分析的要求;③转换标准(接口)的稳定性，不应出现因转换过程中数据丢失或其它原因导致转换出现中断。

因此，本文将在对不同数据转换方法测试的基础上，总结各接口(标准)的成熟度和可行性，提出相应的解决方案。

2 数据转换测试

目前，基于Revit Structure的BIM技术在结构设计上的数据交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;二是基于Revit API二次开发，以插件的形式显示在Revit面板上;三是其他形式的交换，如基于中间文件Excel的数据交换。

2.1 基于IFC标准的数据交换

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 IFC2×3版本[12]。IFC2×3可有效地支持梁、柱、板、墙以及钢筋等构件或图元的交换，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[12]。

通过IFC进行数据交换，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，可用于异构系统交换和共享数据[13]。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)、Solibri Model 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IFC2×3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(图1(a))，8层框剪结构(图1(b))，简单空间网壳钢结构(图1(c))，复杂空间网壳结构(图1(d))，复杂空间框架结构(图1(e))和框架-核心筒结构(图1(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。转换的结构分析模型见图2。

经过多次测试，发现目前基于IFC的数据交换现状如下:1)同一个模型，采用不用的软件导出，在Solibri模型查看器中结果存在差别，主要表现为:midas gen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，即结构构件交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交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交换接口的构件映射方式不同:midas gen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3(a)所示;其余软件以实体模型的方式导出，结果如图3(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3(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3(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交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，而采用IFC交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。

2.2 基于Revit API的二次开发

目前，基于Revit API二次开发的数据交换接口有以下系列:1)实现Revit和PKPM数据交换的Rstar CAD、P-Trans接口;2)实现Revit和SAP2000/ETABS之间的CSIXRevit;3)实现盈建科和Revit之间的YJK-Revit交换接口;4)实现Revit与STAAD、midas GEN等软件之间的交换接口。

各交换接口的简单介绍如表1所示。交换主要分两种情况:1)仅交换分析模型: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)交换物理模型的同时交换分析模型，与上一种情况对比，此种交换不存在简化情况，既能保证交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。

交换采用的模型与2.1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。

表1 数据交换接口介绍

表2 Revit API 结构模型测试结果

2.3 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。

2.4 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;Revit API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交换相比，Revit API和Excel交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，其好处在于交换结果可以用来做结构分析设计或实体配筋等，但Revit API存在接口的稳定性不能得到保证、容易出现错误性中断等问题，且两者的交换均受到包括接口局限性引起的截面类型的限制以及不规则构件无法交换等问题的限制。

3 解决方案

根据前文探讨，在实际应用可采用Revit API接口进行转换。其思路如下:对于混凝土结构，考虑到构件水平偏心是混凝土结构最常见的情况，因此支持物理模型的转换数据接口是优先选择，其解决思路如图5(a)所示，其中箭头指向表示数据的传递方向;对于如网架、网壳形式的空间钢结构，其构件偏心较少，考虑到3D3S在空间结构建模上的优势和ETABS对钢构件截面数据库的支持，其解决思路如图5(b)所示。

4 总结与建议

(1)BIM技术在结构设计中的数据转换问题主要是不同软件之间数据交换时出现的数据错误、丢失以及结构三维物理模型向分析模型简化的问题;

(2)实际运用方面，混凝土结构数据交换，建议使用YJK;空间网架、网壳结构，建议使用ETABS;对于复杂空间钢结构，亦可采用3D3S建模分析，然后将模型导入到Revit中;

(3)IFC标准在结构设计数据交换上的成熟运用，须解决三个问题:软件自身对结构设计所需IFC数据的成熟支持;IFC标准对结构物理模型、分析模型交换的模型简化、节点处理等问题;IFC标准对结构设计结果(内力、变形、配筋等信息)的数据支持与传递;

(4)基于Revit API的交换应保证物理模型和分析模型同时转换，确保结构分析的精确度。

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