一种应用于钢结构建筑数字化加工制造的bim方法
【专利摘要】本发明提供一种应用于钢结构建筑数字化加工制造的BIM方法，包括建筑设计、结构设计与分析、详图设计和数控加工制造四个部分，各部分有其各自的基本流程步骤要求，且相互流程之间存在一定的信息交互，以确保信息的及时更新，解决当前各专业之间流程衔接不畅，交互数据无法有效传输的问题，以改善钢结构建筑数字化设计与建造过程中的低效问题。
【专利说明】一种应用于钢结构建筑数字化加工制造的BIM方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种数字化加工方法，具体涉及一种应用于钢结构建筑数字化加工制造的BM方法。
【背景技术】
[0002]为了满足我国城市快速发展的建设需求，缩短钢结构建筑的设计与建造周期，控制施工成本，数字化技术开始被应用到建筑领域中。但是，现阶段建筑行业中的数字化应用基本还遵循传统的工作流程(包括建筑设计-结构设计-深化设计-加工制造和施工等过程)，主要存在以下问题:(1)整个技术流程缺少规范性，各专业之间的衔接效率较低；(2)各个阶段的交互数据内容尚不明确，数据交互不畅。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种应用于钢结构建筑数字化加工制造的BIM管理技术方法，解决当前各专业之间流程衔接不畅，交互数据无法有效传输的问题，以改善钢结构建筑数字化设计与建造过程中的低效问题。
[0004]本发明中的技术应用流程包括:
[0005]建筑设计-结构设计与分析-详图深化设计-数字化加工制造四个阶段，各阶段信息模型的建立过程并非是相互孤立的，每个阶段都会生成相应的数据信息，且随着项目的推进与深化，数据信息也在不断地积累和更新，其间也会有不同阶段之间的交互协同过程，从而完善最终的整体信息模型。
[0006]所述流程的技术特征在于:
[0007]由建筑设计到数控加工制造阶段数字信息模型的建立是一个不断深化叠加的过程。传统的设计流程主要是基于二维图档的工作模式，且由于软件平台的不同，各阶段、不同专业的模型信息无法实现完整传递。每个阶段都要按照各自的需要重复建模，模型间不具备信息的关联性，无法实现各阶段的有效协同。而基于BIM的技术应用流程在各个阶段不存在明显的断层现象，支持模型与图档的关联修改与自动更新，可以使数据的转换和联动更为流畅，保证了信息的完整性和实时性，使各专业可以较早地并行工作，并可以通过“碰撞校核”及时发现并纠正模型中的问题，从而实现工程项目的平滑设计和建造，降低成本且提闻效率。
[0008]本发明中各阶段信息模型的数据要求为:
[0009](I)建筑设计专业建立的模型更加注重建筑整体的形态表现以及对于梁板柱墙等各建筑基本构件的空间拓扑、分配及定位关系的确定。目前建筑设计阶段主要应用的造型软件操作平台包括 Autodesk Revit Architecture、SketchUp、Rhinoceros 等，所需传递给下游的模型数据内容则包括建筑模型的几何属性信息和非几何属性信息两大类。其中，几何属性包括准确的轴线定位尺寸，建筑的轮廓边界定位、曲面曲率等空间限定条件，结构选型以及大致的结构构件(如梁、板、柱等)定位尺寸、形状以及构件角度等，并需要明确可变的几何条件及不可改变的几何条件；而非几何属性则包括建筑材料、活动荷载等相关信息。
[0010](2)结构设计与分析阶段的信息模型应以结构物理模型为核心，主要用于结构的计算和优化，确保结构设计的合理性。目前应用于结构分析及计算的软件数目众多，如 Autodesk Revit Structure> Autodesk Robot Structural Analysis、PKPM> SAP2000、MIDAS、3D3S、STAAB, MTS、ANSYS, ETABS, ABAQUS 等，但仍需进一步的开发，使之与 BM 平台下的其他软件更好地进行对接。这一阶段向下游传递的模型数据内容也分为结构模型几何属性及约束和非几何属性及约束两大类信息。几何属性及约束包括整体结构的轴网尺寸；结构构件的连接关系及相互位置关系，包括其准确的定位关系、标高、构件的位置及截面形式和尺寸等；以及各结构构件的定位尺寸(坐标尺寸)、总尺寸、分尺寸(线性尺寸、角度尺寸、截面半径尺寸)等必要尺寸。非几何属性及约束则包括结构功能方面的约束关系，主要指连接构件的强度说明和构造说明，及焊缝质量要求、螺栓的型号和布置、焊钉布置等；工程方面的要求和约束，如钢材的牌号和质量等级、所对应的产品标准、结构构件的型号规格说明、钢构件的成形方式、安装要求以及涂装要求等。
[0011](3)详图深化设计阶段主要围绕搭建实体模型、完善节点构造设计、完成钢结构施工详图设计、碰撞校核等内容来完善其信息模型，这一阶段要求对各杆件连接节点、构造、加工和安装工艺细节进行处理。主要应用的软件操作平台包括Tekla Structure>AutoCADsStruCad、ProSteel、PKPM-STXT、Bocad等，其向下游传递的模型数据内容主要应包括钢结构构件的类型、编号、数量和空间方位信息、杆件截面形式和尺寸信息、节点安装信息(如螺栓焊缝等)、加工特征信息，以及构件中各种材料编号，螺栓规格、孔径、大小、坡口形式，超长超重构件分段位置等信息。同时，在这一阶段的模型信息中还应包括材料清单数据信息，从而为加工制造阶段进行加工组织计划、成本控制和进度管理等工作提供依据。
[0012](4)数控加工制造阶段，其信息模型主要完成与上游详图深化设计阶段BIM模型输出的NC数据衔接，进而应用数控切割机等自动化设备进行构件放样，并进行自动套料排版，设定加工路径后切割成型，完成整个加工过程。本阶段主要应用的软件操作平台包括AutoCAD、FastCAM, Autonest等套料排版软件，其数据内容则包括排版套料信息、加工路径编码文件、加工清单文件等。其中，排版套料信息包括实时动态统计排料数据、椭圆及样条曲线拟合数据、零件内、外轮廓几何数据、引入(出)线(弧)位置数据；加工路径编码文件主要包括加工顺序与机械设备运动轨迹信息、加工清单文件包括带零件简图的下料清单、项目工程量统计；加工清单文件则是指相关的各类报表(钢板切割清单、材质跟踪表、利用率汇总表、余料表、零件汇总表等)。
[0013]具体步骤为:
[0014]一种应用于钢结构建筑数字化加工制造的BM方法，其特征在于包括如下步骤:
[0015]步骤一、建筑设计
[0016]建筑初步设计阶段，建筑师根据风、光等环境因素与建筑功能等各项综合要求进行方案设计和计算机三维建模工作，在确定建筑初步形态的同时，需要同结构专业协同确定建筑的结构选型，并根据结构专业的反馈方案调整三维模型的造型；随后根据建筑造型进行建筑功能性设计调整，建立建筑内部模型，完善同设备等其他相关专业协同进行碰撞测试的三维模型；通过测试之后，根据标准绘制建筑设计施工图，并进行图纸审核及存档；
[0017]该步骤中应重点解决建筑专业与结构设计专业之间的协同问题，建筑专业根据结构专业通过计算分析得出的结构形态要求优化建筑形态，二者之间主要依托于Revit、AutoCAD或Rhino三维信息模型进行数据传递，辅以平面图和主要剖面图等二维图纸，二者之间传递的数据格式主要为RVT、SAT与DWG ；
[0018]该阶段建筑专业需要提供给结构专业的数据要求为:几何属性信息，包括准确的轴线定位尺寸，建筑的轮廓边界定位、曲面曲率等空间限定条件，结构选型以及大致的结构构件定位尺寸、形状以及构件角度等，并需要明确可变的几何条件及不可改变的几何条件；以及非几何属性信息，包括建筑材料、活动荷载等相关信息；
[0019]步骤二、结构设计与分析
[0020]结构设计与分析阶段，结构设计师根据建筑师提出的设计条件确定建筑整体的结构形式以及荷载和截面信息，并建立结构计算模型，再根据结构的不同类型特征利用结构分析与计算软件进行结构验算，将验算结构反馈给建筑专业修改并确定建筑造型；随后绘制钢结构设计施工图并交付下游详图设计单位绘制钢结构施工详图，二者需要针对钢结构杆件的节点类型、加工工艺等方面进行协同；在对钢结构施工详图审核之后，出图存档；
[0021]该步骤中除了与建筑专业的协同之外，还应重点解决结构设计与详图设计之间的协同问题，二者之间主要依托于Revit Structure、AutoCAD三维信息模型进行数据传递,辅以总说明、平面布置图、杆件单元图及属性表、节点坐标表、节点编号图等二维图纸以及钢结构材料表与典型节点说明，二者之间传递的数据格式主要为IFC、DWG/DXF ；
[0022]该阶段结构专业需要提供给详图设计专业的数据要求为:几何属性信息及约束，包括整体结构的轴网尺寸；结构构件的连接关系及相互位置关系，包括其准确的定位关系、标高、构件的位置及截面形式和尺寸等；以及各结构构件的定位尺寸(坐标尺寸)、总尺寸、分尺寸(线性尺寸、角度尺寸、截面半径尺寸)必要尺寸；以及非几何属性及约束，包括结构功能方面的约束关系，主要指连接构件的强度说明和构造说明，及焊缝质量要求、螺栓的型号和布置、焊钉布置等；工程方面的要求和约束，如钢材的牌号和质量等级、所对应的产品标准、结构构件的型号规格说明、钢构件的成形方式、安装要求以及涂装要求；
[0023]步骤三、详图设计
[0024]详图设计阶段，在施工图设计单位与安装单位交底之后，详图设计人员提交图纸中的问题报告书，并根据材料、设备要求确定杆件的分段位置与加工工艺，进而进行详图设计，并与施工图设计方协同明确节点设计方案；通过工艺审核后完成图纸并自校，随后反馈给施工图设计方校对、审核并修改图纸；
[0025]该步骤主要围绕搭建实体模型、完善节点构造设计、完成钢结构施工详图设计、碰撞校核等内容来完善其信息模型，这一阶段要求对各杆件连接节点、构造、加工和安装工艺细节进行处理；主要应用的软件操作平台包括Tekla Structure、AutoCAD、StruCad、ProSteel、PKPM-STXT、Bocad等，与下游之间的数据传递格式主要为DWG/DXF、NC数据、以及 EXCEL。
[0026]本发明的优点在于:本发明提出了一种可以应用于钢结构建筑数字化加工制造的BIM管理流程，明确了各专业之间数据交互的内容和格式要求，使数据传输及反馈过程更加高效，提高了设计效率，改善了以往各专业协同时数据之间出现断层、衔接不畅的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1P-BM应用技术框架图
[0028]图2技术应用整体流程图
[0029]图3a建筑设计阶段详细流程图
[0030]图3b结构设计与分析阶段详细流程图
[0031]图3c详图设计阶段详细流程图
[0032]图3d数控加工制造阶段详细流程图
[0033]图4P-BM平台下的数据传输框架
[0034]图5游泳馆Revit建筑模型
[0035]图6游泳馆Rhino建筑模型
[0036]图7游泳馆结构模型图
[0037]图8游泳馆钢结构深化模型
[0038]图9游泳馆钢结构详图
[0039]图10游泳馆钢结构构件展开图
[0040]图11游泳馆构件数控加工详图
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图对本发明进一步说明。
[0042]如图1所示，本发明的技术系统，主要包括建筑设计、结构设计与分析、详图设计和数控加工制造四个部分，各部分有其各自的基本流程步骤要求，且相互流程之间存在一定的信息交互，以确保信息的及时更新，具体流程步骤如下:
[0043]步骤一、建筑设计
[0044]建筑初步设计阶段，如图3a，建筑师根据风、光等环境因素与建筑功能等各项综合要求进行方案设计和计算机三维建模工作，在确定建筑初步形态的同时，需要同结构专业协同确定建筑的结构选型，并根据结构专业的反馈方案调整三维模型的造型；随后根据建筑造型进行建筑功能性设计调整，建立建筑内部模型，完善同设备等其他相关专业协同进行碰撞测试的三维模型；通过测试之后，根据标准绘制建筑设计施工图，并进行图纸审核及存档。
[0045]该步骤中应重点解决建筑专业与结构设计专业之间的协同问题，建筑专业根据结构专业通过计算分析得出的结构形态要求优化建筑形态，二者之间主要依托于Revit、AutoCAD或Rhino三维信息模型进行数据传递，辅以平面图和主要剖面图等二维图纸，二者之间传递的数据格式主要为RVT、SAT与DWG。
[0046]该阶段建筑专业需要提供给结构专业的数据要求为:几何属性信息，包括准确的轴线定位尺寸，建筑的轮廓边界定位、曲面曲率等空间限定条件，结构选型以及大致的结构构件(如梁、板、柱等)定位尺寸、形状以及构件角度等，并需要明确可变的几何条件及不可改变的几何条件；以及非几何属性信息，包括建筑材料、活动荷载等相关信息。
[0047]步骤二、结构设计与分析
[0048]结构设计与分析阶段，如图3b，结构设计师根据建筑师提出的设计条件确定建筑整体的结构形式以及荷载和截面信息，并建立结构计算模型，再根据结构的不同类型特征利用结构分析与计算软件进行结构验算，将验算结构反馈给建筑专业修改并确定建筑造型。随后绘制钢结构设计施工图并交付下游详图设计单位绘制钢结构施工详图，二者需要针对钢结构杆件的节点类型、加工工艺等方面进行协同；在对钢结构施工详图审核之后，出图存档。
[0049]该步骤中除了与建筑专业的协同之外，还应重点解决结构设计与详图设计之间的协同问题，二者之间主要依托于Revit Structure、AutoCAD三维信息模型进行数据传递,辅以总说明、平面布置图、杆件单元图及属性表、节点坐标表、节点编号图等二维图纸以及钢结构材料表与典型节点说明等，二者之间传递的数据格式主要为IFC、DWG/DXF。
[0050]该阶段结构专业需要提供给详图设计专业的数据要求为:几何属性信息及约束，包括整体结构的轴网尺寸；结构构件的连接关系及相互位置关系，包括其准确的定位关系、标高、构件的位置及截面形式和尺寸等；以及各结构构件的定位尺寸(坐标尺寸)、总尺寸、分尺寸(线性尺寸、角度尺寸、截面半径尺寸)等必要尺寸。以及非几何属性及约束，包括结构功能方面的约束关系，主要指连接构件的强度说明和构造说明，及焊缝质量要求、螺栓的型号和布置、焊钉布置等；工程方面的要求和约束，如钢材的牌号和质量等级、所对应的产品标准、结构构件的型号规格说明、钢构件的成形方式、安装要求以及涂装要求等。
[0051]步骤三、详图设计
[0052]详图设计阶段，如图3c，在施工图设计单位与安装单位交底之后，详图设计人员提交图纸中的问题报告书，并根据材料、设备要求确定杆件的分段位置与加工工艺，进而进行详图设计，并与施工图设计方协同明确节点设计方案。通过工艺审核后完成图纸并自校，随后反馈给施工图设计方校对、审核并修改图纸。
[0053]该步骤主要围绕搭建实体模型、完善节点构造设计、完成钢结构施工详图设计、碰撞校核等内容来完善其信息模型，这一阶段要求对各杆件连接节点、构造、加工和安装工艺细节进行处理。主要应用的软件操作平台包括Tekla Structure、AutoCAD、StruCad、ProSteel、PKPM-STXT、Bocad等，与下游之间的数据传递格式主要为DWG/DXF、NC数据、以及EXCEL。
[0054]该阶段详图设计专业需要向下游数控加工制造厂家传递的模型数据内容要求为:应包括钢结构构件的类型、编号、数量和空间方位信息、杆件截面形式和尺寸信息、节点安装信息(如螺栓焊缝等)、加工特征信息，以及构件中各种材料编号，螺栓规格、孔径、大小、坡口形式，超长超重构件分段位置，以及材料清单数据信息。
[0055]步骤四、数控加工制造
[0056]数控加工制造阶段，如图3d，其信息模型主要完成与上游详图深化设计阶段BM模型输出的NC数据衔接，进而应用数控切割机等自动化设备进行构件放样，在零件校正、制孔、组装、检查、焊接与检验无误之后，进打自动套料排版，设定加工路径后切iiij成型，完成整个加工过程。
[0057]该步骤主要应用的软件操作平台包括AutoCAD、FastCAM、Autonest等套料排版软件，产生的数据内容则包括排版套料信息、加工路径编码文件、加工清单文件、生产管制表等，主要依托于DWG/DXF、CNC、DSTV等数据格式。
[0058]该阶段生成的排版套料信息包括实时动态统计排料数据、椭圆及样条曲线拟合数据、零件内、外轮廓几何数据、引入(出)线(弧)位置数据；加工路径编码文件主要包括加工顺序与机械设备运动轨迹信息、加工清单文件包括带零件简图的下料清单、项目工程量统计；加工清单文件则是指相关的各类报表(钢板切割清单、材质跟踪表、利用率汇总表、余料表、零件汇总表等)。
[0059]模型库的数据传输系统如图4所示，在建筑设计、结构设计与计算分析、钢结构详图设计与数控加工制造四个阶段分别建立符合格式要求的模型库，各模型库相互关联且可随修改实时更新。建筑专业随设计进展情况将概念设计阶段、初步设计阶段与深化设计阶段的模型实时上传于建筑三维信息模型库中，结构专业可随时从关联模型库中提取符合结构专业要求的相关文件并进行结构计算与分析，建筑专业可根据关联模型进行修改。同理，钢结构详图专业与数控加工制造厂家也可实时提取并反馈模型，从而达到模型的及时同步更新。
[0060]依据本发明进行的建筑工程实例:某奥体中心游泳馆项目为单层大空间体育建筑，占地面积为12399.40平方米，观众坐席数为2562座，总建筑面积23062平方米，建筑高度29.6m，主体结构形式为钢筋混凝土框架结构，屋顶为钢结构空间桁架结构。
[0061]如图5、6，在建筑设计阶段，通过Rhino以及Revit软件平台建立建筑三维模型，将定位轴线、建筑轮廓，以及初步的结构构件定位尺寸、形状和角度等几何信息结合二维图纸传递给结构工程师。
[0062]如图7，在结构设计与分析阶段，主要基于相关的结构计算分析软件以及RevitStructure进行分析计算和结构建模,确定各个构件的定位关系、标高、构件的位置和截面形式以及总尺寸、分尺寸(线性尺寸、角度尺寸、截面半径尺寸)等必要尺寸。
[0063]如图8、9，在详图深化设计阶段，首先根据由Revit导出的IFC模型，应用TeklaStructure (XSteel)建立钢结构三维信息模型，直观而准确地确定各结构构件的空间位置关系和连接方式。同时，结合二维的节点详图，注明螺栓规格、孔径、大小、坡口形式、杆件截面形式和尺寸信息、节点安装信息(如螺栓焊缝等)、加工特征等，并在此基础上进行碰撞测试，及时有效地发现和纠正了设计问题。
[0064]如图10、11，在数控加工制造阶段，钢结构公司根据Tekla的三维信息模型以及设计图纸标注的尺寸和加工制造的工艺要求将各面板及节点零件在计算机中进行数学放样，即通过数学计算得到准确的各展开点的坐标点数据，对各点进行光顺处理，得到形状误差较小的展开图形数据信息，生成钢结构构件的几何展开图和数控加工详图。再将其中发现的问题标注在模型及图纸中，并行上传至共享模型库，反馈给设计师，改进和完善设计方案。之后结合库存情况将所有的零件图形按板材厚度、材质等特性进行分类，应用FastCAM自动排版套料并设定加工路径，开始数控加工制造，进而完成装配施工。
【权利要求】
1.一种应用于钢结构建筑数字化加工制造的BIM方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤一、建筑设计 建筑初步设计阶段，建筑师根据风、光等环境因素与建筑功能等各项综合要求进行方案设计和计算机三维建模工作，在确定建筑初步形态的同时，需要同结构专业协同确定建筑的结构选型，并根据结构专业的反馈方案调整三维模型的造型；随后根据建筑造型进行建筑功能性设计调整，建立建筑内部模型，完善同设备等其他相关专业协同进行碰撞测试的三维模型；通过测试之后，根据标准绘制建筑设计施工图，并进行图纸审核及存档； 该步骤中应重点解决建筑专业与结构设计专业之间的协同问题，建筑专业根据结构专业通过计算分析得出的结构形态要求优化建筑形态，二者之间主要依托于Revit、AutoCAD或Rhino三维信息模型进行数据传递，辅以平面图和主要剖面图等二维图纸，二者之间传递的数据格式主要为RVT、SAT与DWG ； 该阶段建筑专业需要提供给结构专业的数据要求为:几何属性信息，包括准确的轴线定位尺寸，建筑的轮廓边界定位、曲面曲率等空间限定条件，结构选型以及大致的结构构件定位尺寸、形状以及构件角度等，并需要明确可变的几何条件及不可改变的几何条件；以及非几何属性信息，包括建筑材料、活动荷载等相关信息； 步骤二、结构设计与分析 结构设计与分析阶段，结构设计师根据建筑师提出的设计条件确定建筑整体的结构形式以及荷载和截面信息，并建立结构计算模型，再根据结构的不同类型特征利用结构分析与计算软件进行结构验算，将验算结构反馈给建筑专业修改并确定建筑造型；随后绘制钢结构设计施工图并交付下游详图设计单位绘制钢结构施工详图，二者需要针对钢结构杆件的节点类型、加工工艺等方面进行协同；在对钢结构施工详图审核之后，出图存档； 该步骤中除了与建筑专业的协同之外，还应重点解决结构设计与详图设计之间的协同问题，二者之间主要依托于Revit Structure、AutoCAD三维信息模型进行数据传递,辅以总说明、平面布置图、杆件单元图及属性表、节点坐标表、节点编号图等二维图纸以及钢结构材料表与典型节点说明，二者之间传递的数据格式主要为IFC、DWG/DXF ； 该阶段结构专业需要提供给详图设计专业的数据要求为:几何属性信息及约束，包括整体结构的轴网尺寸；结构构件的连接关系及相互位置关系，包括其准确的定位关系、标高、构件的位置及截面形式和尺寸等；以及各结构构件的定位尺寸(坐标尺寸)、总尺寸、分尺寸(线性尺寸、角度尺寸、截面半径尺寸)必要尺寸；以及非几何属性及约束，包括结构功能方面的约束关系，主要指连接构件的强度说明和构造说明，及焊缝质量要求、螺栓的型号和布置、焊钉布置等；工程方面的要求和约束，如钢材的牌号和质量等级、所对应的产品标准、结构构件的型号规格说明、钢构件的成形方式、安装要求以及涂装要求； 步骤三、详图设计 详图设计阶段，在施工图设计单位与安装单位交底之后，详图设计人员提交图纸中的问题报告书，并根据材料、设备要求确定杆件的分段位置与加工工艺，进而进行详图设计，并与施工图设计方协同明确节点设计方案；通过工艺审核后完成图纸并自校，随后反馈给施工图设计方校对、审核并修改图纸； 该步骤主要围绕搭建实体模型、完善节点构造设计、完成钢结构施工详图设计、碰撞校核等内容来完善其信息模型，这一阶段要求对各杆件连接节点、构造、加工和安装工艺细节进行处理；主要应用的软件操作平台包括Tekla Structure、AutoCAD、StruCad、ProSteeKPKPM-STXT.Bocad等，与下游之间的数据传递格式主要为DWG/DXF、NC数据、以及EXCEL。
【文档编号】G06F17/50GK104281729SQ201410309455
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】孙澄, 杨阳, 姜宏国, 夏楠, 寇婧 申请人:哈尔滨工业大学