2. 北京中天久业膜建筑技术有限公司, 北京 100096
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建筑信息模型(BIM)技术以建设项目的各项数据信息为基础，建立三维模型并模拟仿真建筑物所具有的真实信息，同时在建筑物全生命周期中提供信息共享资源[1-4].
车辐式索结构体型复杂、构件类型多、不规则程度高、手动建模方法难度大、节点细部构造较复杂，在图纸变更过程中，数据在各专业之间难以同步.传统建模一般只考虑三维模型，无法形成支持张拉施工过程的信息；四维信息模型是在三维模型的基础上添加工程进度信息，形成的四维时空模型[5].在BIM中融入四维技术，能够较好地协调设计、施工专业，较准确地模拟施工过程.
本文结合某体育场屋盖工程，通过以下4个步骤研究车辐式索结构张拉过程仿真技术：1)以空间结构设计软件STCAD为例，从结构软件中提取各阶段模型数据并初步处理；2)以BIM软件Revit为例，基于Revit建立构件和节点标准库，并参数化；3)基于BIM软件深度二次开发，使开发的接口能够读取处理后的模型数据和参数化的构件库，生成各阶段的三维模型；4)将不同阶段的三维模型整合到施工模拟软件如NavisWorks中，动态仿真张拉施工过程.
1 项目概述该体育场屋盖工程为车辐式索张拉结构，由36榀索桁架、1道刚性外环梁以及内部上、下各6道环索组成，屋盖荷载通过外环梁、立柱传递到地基，如图 1所示.在每榀索桁架中，飞柱为刚性构件，既能受拉，也能受压；索为柔性构件，只能受拉，如图 2所示.屋盖结构呈马鞍形，内部上、下环索和外环梁在水平面的投影为椭圆，其中外环梁水平面投影尺寸约为240 m×263 m，内环索水平面投影尺寸约为124 m×148 m，如图 3所示.
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图 1 体育场三维模型 Fig. 1 Stadium three-dimensional model |
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图 2 单榀索桁架示意图 Fig. 2 Cable truss diagram |
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图 3 体育场俯视图 Fig. 3 Top view for stadium |
施工过程仿真的核心问题是如何实现结构、建筑、施工等各专业的数据交互.张建平等[6-8]提出基于四维的施工安全信息模型，将设计与施工统一管理为一体；邓雪原等[9-10]结合ETABS和SAP2000软件，提出基于IFC标准建筑模型自动生成的基本框架；刘照球等[11-12]构建了一种建筑和结构设计阶段的信息模型集成框架，初步实现了建筑、结构的信息集成.
BIM信息集成的最终目标是覆盖建筑物全生命周期，结构设计、建筑表达、施工过程是其中重要的3个阶段.在该数据交互技术中，空间结构设计采用STCAD软件，建筑表达采用Revit软件，施工模拟采用NavisWorks软件.本文直接从STCAD中提取所需数据，如构件的空间方位坐标、尺寸、单元编号、内力等信息，方便二次开发程序接口调用.该接口基于STCAD和Revit数据交互，用C#语言编制而成；Revit和NavisWorks的数据交互通过两个软件自带的接口实现，数据交互的总体框架如图 4所示.
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图 4 设计施工数据的交互总体框架 Fig. 4 General framework of design and construction data interaction |
构建该框架，需要以下4个核心步骤.
1) 从结构软件提取所需的模型数据.利用STCAD软件进行结构设计，导出结构模型中的力、形、构件等相应数据.为了后续处理方便，该工程用Python语言对数据初步处理.
2) 建立参数化的构件和节点族库. Revit文件分为族文件和项目文件，所有构件和节点都是基于族的，族是一类在参数、使用、图形表示等方面具有相似性的图元的集合，用来被项目文件调用，并设置相关参数、属性生成工程实例.在Revit标准族库中，该工程所需的构件、节点不存在，需要自行建立相应的构件和节点族库，同类构件可能仅有某几个参数不同，因此需要参数化，方便调用同一族文件，设置不同参数实现同类构件的批量化建模.
3) Revit软件二次开发.这是最关键的一步，一般用C#语言开发Revit软件，需要根据步骤1)处理后的数据和步骤2)建立的族文件，编制接口程序.接口程序可以批量化读入不同阶段的结构模型数据和族文件，生成相应的三维模型.该模型大部分为建筑信息，还可以同时涵盖结构信息，比如构件内力，将建筑数据和部分结构数据整合到同一三维模型中.
4) 施工过程动态模拟. Revit和NavisWorks由同一家公司开发，兼容性较好，将各个阶段的三维模型文件整合至NavisWorks中，动态显示施工过程.
3 数据交互及施工模拟核心过程 3.1 Revit软件二次开发过程Revit软件含有建筑、结构等模块，该软件在BIM领域应用广泛. Revit软件在批量化、程序化建模、结构分析以及建筑与结构数据交互方面功能不足. Revit软件二次开发的主要目的是实现结构数据和建筑数据的交互.
从图 5可以看出，建筑和结构的公有信息一般为结构构件的定位、几何尺寸、材料等，该类信息是建筑和结构数据交互的关键.开发的程序接口是从STCAD结构模型中提取建筑信息，并生成建筑模型，方法如图 6所示.
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图 5 建筑与结构信息的区别和联系 Fig. 5 Differences and relationship between architecture and structure information |
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图 6 结构模型生成建筑模型的方法 Fig. 6 Method for creating architecture model based on structure model |
由于在Revit用户界面中对空间结构定位操作不便，程序接口的主要功能是在项目中批量化、精准化生成构件、节点实例，形成三维模型，实现结构和建筑数据的交互.一方面，参数化设置构件的长度、截面尺寸等信息；另一方面，对族库中的构件和节点在项目中进行空间定位.
以杆件为例，关于杆件的长度和截面尺寸等参数化信息，建立杆件的族文件时标注相应尺寸、添加相应族的实例参数；在生成项目文件时，首先捕捉相应参数，并根据读入的数据重新设定参数.在空间定位时，可以认为Revit族文件中的坐标系为局部坐标系，项目文件中的坐标系为整体坐标系，方便进行坐标变换.杆件两端点坐标从局部坐标系变换到整体坐标系，须通过旋转、平移来实现.假定整体坐标系为Oxyz，局部坐标系为O′x′y′z′，则坐标旋转变换矩阵T6×6为
| $\mathit{\boldsymbol{T}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} \mathit{\boldsymbol{\alpha }}&{\bf{0}}\\ {\bf{0}}&\mathit{\boldsymbol{\alpha }} \end{array}} \right].$ | (1) |
式中：
| ${\mathit{\boldsymbol{\alpha }}_{3 \times 3}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{cos}}\left( {x,x\prime } \right)}&{{\rm{cos}}\left( {x,y\prime } \right)}&{{\rm{cos}}\left( {x,z\prime } \right)}\\ {{\rm{cos}}\left( {y,x\prime } \right)}&{{\rm{cos}}\left( {y,y\prime } \right)}&{{\rm{cos}}\left( {y,z\prime } \right)}\\ {{\rm{cos}}\left( {z,x\prime } \right)}&{{\rm{cos}}\left( {z,y\prime } \right)}&{{\rm{cos}}\left( {z,z\prime } \right)} \end{array}} \right],$ |
其中cos (x, x′)为局部坐标系x′轴方向与整体坐标系x轴方向的夹角余弦，其余类似.平移较简单，只需确定局部坐标系原点O′在整体坐标系中的坐标O′(x, y, z)进行相应平移.旋转、平移对构件进行空间坐标变换，方式不唯一，可以先旋转后平移，也可以先平移后旋转；旋转时可能需要多次，选择旋转轴的顺序不同，旋转方式也不同.在Revit二次开发中，可以通过RotateElement(Document, ElementId, Line, double)和RotateElements(Document, ICollection＜ElementId>, Line, double)等方法，使用给定的轴线和角度对元素和元素集进行旋转；通过MoveElement(Document, ElementId, XYZ)和MoveElements(Document, ICollection＜ElementId>, XYZ)等方法，对元素和元素集进行平移.
基于上述方法，利用C#语言对Revit二次开发后，生成相应的动态链接库.dll程序集.
3.2 设计、施工的数据交互结构模型的数据包含荷载、内力、位移、变形、构件空间方位、尺寸等；建筑模型的数据包含平面、立面、剖面、构件尺寸、节点详图，还可以包含部分结构数据，如内力；施工模拟的数据包含三维模型、施工工序、各构件施工阶段、施工动画等信息.结构、建筑、施工模拟的数据交互如图 7所示.
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图 7 结构、建筑、施工模拟数据交互过程 Fig. 7 Data interaction process among structure, architecture and construction simulation professions |
在结构设计完成后，将构件的空间方位及截面尺寸等信息导出，生成数据文件并程序化处理，以一根飞柱为例，导出的数据如表 1所示.表中，R为截面半径，d为壁原.其中起点坐标、终点坐标确定飞柱的长度和空间位置，飞柱终点和与该终点相连的径向索另一端节点确定一空间向量，从而决定飞柱两端耳板的方向，截面半径和壁厚决定飞柱尺寸，其余构件和飞柱类似.
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表 1 某根飞柱数据 Table 1 Data for flying column |
将Revit软件读入相应.dll程序集并运行，步骤如图 8所示.
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图 8 构件空间方位程序集的调用 Fig. 8 Assemblies loading for members spatial orientation |
生成的模型(示例只含飞柱)如图 9所示.
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图 9 三维实模型(只含飞柱) Fig. 9 Three-dimensional solid model (only flying columns) |
参数化模型技术具有很大优势，将取代传统的计算机辅助设计手段[13].在开发的STCAD和Revit数据接口程序的基础上，STCAD中的参数一旦变更，则可以在Revit中同步变更，施工模拟的数据同步跟进，实现参数化设计，参数化设计流程如图 10所示.
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图 10 构件参数化设计流程图 Fig. 10 Flow chart for member parameterization design |
以构件尺寸为例，结构设计过程中若需优化设计，假设通过减小截面尺寸的方式减少用钢量，当在STCAD中该参数变更为某一特定值时，变更的数据文件导出后，只需运行Revit读入接口程序.dll文件，生成的则是更改后的模型.同时在Revit项目中可以查看更改后的参数，并检查更改后的参数是否合适.若不合适，返回STCAD中重新调整参数；若合适，则进行施工过程模拟，在NavisWorks中可以进行二次检查.该过程无需手动重新建模，参数化、程序化建模自动实现.
在该屋盖工程中，以飞柱为例，制作族时，设置外径R、内径r、长度l这3个原始几何参数和1个轴力原始力的参数，体积、表面积等工程量参数根据原始参数计算得到.外径R对应表 1的截面半径，内径r等于截面半径减去壁厚，长度l对应起点、终点之间的距离(注意考虑飞柱两端耳板的长度，导致飞柱实际长度和设置的参数长度l略有差别)，如图 11所示.
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图 11 飞柱在族文件中的参数 Fig. 11 Flying column parameters in family file |
在自动生成的三维模型中，选中飞柱，可以查看飞柱参数化的属性，如图 12所示.关于结构内力显示，由于该项目采用的是程序化、参数化设计，在Revit中设计族文件时，可以设置内力参数.STCAD中的结构数据导出时，将内力一并导出，利用Revit程序化、参数化设计，可以调用内力数据并在Revit模型中显示.
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图 12 三维模型中的飞柱实例参数 Fig. 12 Flying column instance parameters in three-dimensional model |
四维技术基于三维，除涵盖三维所具有的构件几何尺寸、外观等数据外，还包含各施工阶段的动态资源信息，总工期、计划工期与实际工期、不同时刻的施工进度等均能够动态模拟，如图 13所示.
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图 13 车辐式结构四维模型与三维模型的对比 Fig. 13 Comparison between four-dimensional model and three-dimensional model for spoke structures |
该工程施工采用先张拉上径向索、后张拉下径向索的方法，从构件安装到张拉到位，选择6个不同的关键施工阶段，分别为：阶段1，地面拼装上内环索，安装上径向索；阶段2，张拉上径向索至约20 m高度；阶段3，安装飞柱、下径向索和下环索；阶段4，上径向索张拉到位；阶段5，下径向索张拉到位；阶段6，悬挂吊索并张拉到位.各阶段的结构、构件、节点状态变化如表 2所示.为了视图方便，模型中不含外环梁、支柱、普通环索3类构件.构件和节点状态变化选取最内圈上部径向索、飞柱上部节点和飞柱，前2个阶段飞柱尚未安装，故构件和节点状态中不含飞柱.
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表 2 张拉过程中结构、构件、节点状态变化 Table 2 State changes for structure, members and joints in tension process |
不同施工阶段最内圈上部径向索、下部径向索轴力及径向索与水平面之间的夹角θ变化如图 14、15所示.图中，施工步骤如下.阶段1(1-11)：地面拼装上内环索，安装上径向索；阶段2(12-15)：张拉上径向索至约20 m高度；阶段3(16)：安装飞柱、下径向索和下环索；阶段4(17-26)：上径向索张拉到位；阶段5(27-46)：下径向索张拉到位；阶段6(47-51)：悬挂吊索并张拉到位.
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图 14 不同施工阶段最内圈径向索与水平面夹角变化 Fig. 14 Angle change between radial cable in most inner circle and level in different construction stages |
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图 15 不同施工阶段最内圈径向索轴力变化 Fig. 15 Axial force change in radial cable in most inner circle in different construction stages |
张拉过程夹角及轴力分析变化如下.阶段1，在地面上拼装上内环索并安装上径向索，此时未张拉上径向索，上径向索与水平面夹角变为绝对值最大的负值状态，轴力基本处于最小状态；阶段2，在张拉上径向索至约20 m高度的过程中，夹角的绝对值逐渐减小，轴力略微增大；阶段3，当安装飞柱、下径向索和下环索时，由于下径向索有张力，拉动飞柱上升，上径向索略有松弛，轴力略微减小，同时飞柱上升使得上径向索和水平面夹角负值的绝对值进一步减小；阶段4，上径向索张拉到位，使得上径向索轴力增大，由于索张紧绷直，与水平面夹角的绝对值略有增大，下径向索松弛，以致出现夹角的正值，轴力略微减小；阶段5，张拉下径向索直至到位，上径向索与水平面的夹角迅速由负变正并增大，由于飞柱抬升，上径向索松弛，轴力减小，下径向索绷直，与水平面的夹角先由正变负，飞柱抬升使得夹角负值的绝对值再由大变小，轴力迅速增大；阶段6，安装吊索并张拉到位，吊索连接上径向索和下径向索，张拉吊索使得上、下径向索进一步张紧，轴力均增大，同时吊索拉动上、下径向索，与水平面夹角的绝对值均增大.
将各施工阶段的三维模型导出为.nwc文件，NavisWorks直接读入；根据施工工序设置不同施工阶段的相应信息，施工模拟动画自动生成.在整个设计、施工模拟流程中，只需在STCAD中调整一个参数，Revit和NavisWorks会相应自动调整. NavisWorks除能生成施工仿真动画外，还能给每个构件链接外部数据，比如构件内力、变形随时间的变化结果、施工现场图片、视频等多种数据格式，如有需要，可以添加工程量信息.
3.5 节点深化设计传统有限元方法在结构分析和设计中，一般只细化到构件层次，而且构件用有限单元表示，实际工程的节点视为一个点，较少考虑节点的形状尺寸，构件与节点的碰撞干涉可能会出现，有时还需要对节点受力进行验算.
关于节点的受力验算，可以采用如下步骤.
1) 提取模型中的几何数据、材料数据、受力数据.
2) 将三类数据导入到结构分析软件中，并分析计算.
3) 根据计算结果判断节点的设计是否合理.若不合理，则重新调整节点几何参数进行验算.
关于节点参数化，基于Revit开发的接口程序不仅适用于构件参数化设计，而且完全适用于节点参数化设计.当某一尺寸或空间方位变动时，三维模型自动更新，无需反复人工操作.利用二次开发的程序接口，读入节点的族库，生成三维模型，如图 16所示.
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图 16 三维实体模型细部构造 Fig. 16 Detailed structure for three-dimensional solid model |
以下环索与飞柱间的节点为例，对耳板轴线与水平线的夹角进行参数化，方便后续深化设计，如图 17、18所示.
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图 17 环索节点三维实体 Fig. 17 Three-dimensional solid for ring cable joint |
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图 18 下环索节点参数 Fig. 18 Parameters for lower cable joint |
针对车辐式索结构张拉过程仿真，本文基于BIM，利用空间结构设计软件(以STCAD为例)、BIM系列软件(以Revit为例)、施工模拟软件(以NavisWorks为例)，提出以设计施工数据交互为核心的张拉过程仿真技术.结合某体育场屋盖工程，通过从结构软件提取所需的模型数据，建立参数化的构件和节点族库、Revit软件二次开发、施工过程动态模拟等过程，解决了设计施工数据交互、构件参数化设计、节点深化设计等问题，验证了该技术的可行性和实用性. BIM的概念较广，该技术只是BIM应用的一部分，如何深入考虑造价、全生命周期管理等问题还需进一步探索.
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