基于CFG平臺(tái)的BIM應(yīng)用

1、第三屆工程建設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新論壇論文集 上海2011基于CFG平臺(tái)的BIM應(yīng)用郭華鋒 沈文都 鄧正賢 董毅中國(guó)建筑科學(xué)研究院 建研科技股份有限公司 設(shè)計(jì)軟件事業(yè)部【摘要】建筑信息模型(BIM)是計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新技術(shù)，它不僅包含幾何數(shù)據(jù)，還包含建筑生命周期中的大量工程數(shù)據(jù)。PKPM堅(jiān)持自主創(chuàng)新，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的圖形平臺(tái)（Computer Fortran Graphics,簡(jiǎn)稱CFG）。在此平臺(tái)基礎(chǔ)上，PKPM統(tǒng)一了各專業(yè)模塊的數(shù)據(jù)接口，建立了核心BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)出一套集建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、造價(jià)、節(jié)能、施工于一體的集成化CAD系統(tǒng)，它具有參數(shù)化高效設(shè)計(jì)、良好協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了

2、三維設(shè)計(jì)可視化，三維模型與施工圖雙向關(guān)聯(lián)，構(gòu)件統(tǒng)計(jì)和材料算量，極大地方便了設(shè)計(jì)單位各個(gè)專業(yè)部門的密切配合。以參數(shù)化智能模型技術(shù)為基礎(chǔ)的建筑信息模型必將取代傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)手段，成為信息時(shí)代推動(dòng)中國(guó)建筑業(yè)的新動(dòng)力?！娟P(guān)鍵詞】建筑信息化模型（BIM）；CFG平臺(tái)；PKPM；三維可視化1 引言建筑業(yè)是中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，而它長(zhǎng)期以來屬于一個(gè)勞動(dòng)密集、粗放經(jīng)營(yíng)的行業(yè)。中國(guó)加入WTO以后，面臨建筑市場(chǎng)的全球化競(jìng)爭(zhēng)，提高中國(guó)建筑業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的問題迫在眉睫，關(guān)鍵在于必須充分利用新技術(shù)進(jìn)行建筑業(yè)信息化研究，否則，建筑業(yè)將嚴(yán)重影響整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化的發(fā)展1。20世紀(jì)80年代，建筑業(yè)開始吸收來自于制

3、造業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，研究信息技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)上的應(yīng)用方法，并提出了建筑信息模型（Building Information Model，簡(jiǎn)稱BIM）2的概念。BIM概念的提出是在是信息化技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)結(jié)合的必然產(chǎn)物，它旨在實(shí)現(xiàn)建筑（組成與功能）全部信息的數(shù)字化表達(dá)，組建一個(gè)豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，在整個(gè)建筑生命周期內(nèi)為所有參與者提供決策支持。工程建設(shè)項(xiàng)目是一個(gè)復(fù)雜的，綜合的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，參與者涉及眾多專業(yè)和部門，工程建設(shè)項(xiàng)目的生命周期包括了建筑物從勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工到使用、管理、維護(hù)等階段，時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)幾十年甚至上百年。隨著數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)的發(fā)展，以建筑信息模型BIM為核心的建筑3DCAD將成為未來建筑CAD

4、的發(fā)展趨勢(shì)。BIM的核心是一個(gè)包含了建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、施工等專業(yè)的設(shè)計(jì)參數(shù)以及各種材料信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。在實(shí)際建筑工程中遇到的任何情況，在BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中都將有相應(yīng)全面的、詳細(xì)的描述。如何從根本上解決項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及維護(hù)管理等各階段應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息斷層，實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目生命周期各階段的信息共享和充分利用，在項(xiàng)目建設(shè)過程中優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理制定計(jì)劃、精確掌握施工進(jìn)程，合理使用施工資源以及科學(xué)進(jìn)行場(chǎng)地布置，已成為投資者、設(shè)計(jì)事務(wù)所和施工承包商的共識(shí)，也是當(dāng)前我國(guó)建設(shè)領(lǐng)域信息化亟待解決的問題。2 CFG平臺(tái)簡(jiǎn)介建研科技股份有限公司是建筑行業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的最早單位之一。公司以國(guó)家級(jí)行業(yè)研發(fā)中心、規(guī)范

5、主編單位、工程質(zhì)檢中心為依托，技術(shù)力量雄厚，研發(fā)領(lǐng)域主要集中在建筑設(shè)計(jì)CAD軟件，圖形支撐平臺(tái)，工程造價(jià)分析軟件，施工技術(shù)和施工項(xiàng)目管理系統(tǒng)，企業(yè)和項(xiàng)目管理系統(tǒng)協(xié)同工作平臺(tái)等方面，打造出了PKPM系列等全國(guó)知名的軟件品牌，在建筑領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用方面具有極大的影響力。從1990年起，PKPM堅(jiān)持自主創(chuàng)新，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的圖形平臺(tái)（Computer Fortran Graphics,簡(jiǎn)稱CFG）3。很多軟件企業(yè)利用國(guó)外的圖形平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用軟件，短期可以快速應(yīng)用，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)著眼，軟件功能更新受到國(guó)外廠商的制約。PKPM在向用戶提供專業(yè)設(shè)計(jì)軟件的同時(shí)，給用戶提供所需的圖形平臺(tái)，為用戶節(jié)省購(gòu)買國(guó)外圖形

6、平臺(tái)的巨大開銷。CFG平臺(tái)跟蹤國(guó)內(nèi)外圖形軟件先進(jìn)技術(shù)，并根據(jù)廣大PKPM用戶群的實(shí)際應(yīng)用，在專業(yè)軟件發(fā)展的同時(shí)，帶動(dòng)了圖形平臺(tái)的發(fā)展。由于CFG源代碼是自主研發(fā)，因此技術(shù)更新快，是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的成熟圖形平臺(tái)之一。CFG圖形平臺(tái)的成功開發(fā)與應(yīng)用，顯著提高了PKPM系列軟件的技術(shù)含量，約有30%的PKPM用戶使用CFG完成全部施工圖的繪制、打印與輸出工作,并且這樣的用戶比例逐年增長(zhǎng)。由于PKPM產(chǎn)品鏈長(zhǎng)，用戶類型多，使用自主圖形平臺(tái)的范圍和影響大，社會(huì)效益突出，可有效緩解國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)軟件正版化的壓力。CFG平臺(tái)于1997年獲建設(shè)部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；作為國(guó)家九五科技攻關(guān)課題“工程CAD嵌入式圖形支撐軟件

7、產(chǎn)業(yè)化”成果，于2003年獲華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)；作為國(guó)家“863”課題“工程設(shè)計(jì)三維CAD系統(tǒng)研究及開發(fā)應(yīng)用工程”子課題成果，于2006年獲華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)。它的主要特點(diǎn)有：CFG提供建筑模型的建立、專業(yè)計(jì)算結(jié)果的圖形顯示、施工圖繪制與修改等各方面的應(yīng)用。這種架構(gòu)不像很多其他CAD軟件那樣必須先要配置一個(gè)外部圖形平臺(tái)，從而大大減少了用戶的負(fù)擔(dān)，而且安裝快捷，使用方便。CFG在界面風(fēng)格、捕捉定位、二維及三維編輯修改方式等多方面參考了國(guó)內(nèi)外圖形平臺(tái)的風(fēng)格和功能，使廣大熟悉其他平臺(tái)的用戶可同樣無障礙地使用CFG。作為建筑行業(yè)的專業(yè)圖形平臺(tái)，CFG為用戶增加了建筑工程設(shè)計(jì)中需要的建筑、結(jié)構(gòu)、

8、設(shè)備等專業(yè)需要的輔助繪圖工具。CFG良好地兼容其他數(shù)據(jù)格式，支持IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，支持導(dǎo)入Revit模型RVT文件，可導(dǎo)出為能夠?qū)ㄖＰ瓦M(jìn)行三維編輯、查詢的PDF文件，還可以轉(zhuǎn)換成為DWG、DXF格式及其他多種圖形格式。CFG具有開放的體系結(jié)構(gòu)，它允許用戶采用高級(jí)編程語言對(duì)其功能進(jìn)行修改和擴(kuò)充（即二次開發(fā)），能最大限度地滿足用戶的特殊要求。3 基于CFG平臺(tái)的專業(yè)BIM應(yīng)用在CFG平臺(tái)基礎(chǔ)上，PKPM統(tǒng)一了各專業(yè)模塊的數(shù)據(jù)接口，建立了核心BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)出一套集建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、造價(jià)、節(jié)能、施工于一體的集成化CAD系統(tǒng)4（圖1）。它在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)行業(yè)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，擁有用戶上萬家，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)應(yīng)用

9、最為普遍的建筑設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)。PKPM設(shè)計(jì)軟件緊跟行業(yè)需求和規(guī)范更新，不斷推陳出新開發(fā)出對(duì)行業(yè)產(chǎn)生巨大影響的軟件產(chǎn)品，使國(guó)產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件二十年來一直占據(jù)我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)應(yīng)用和技術(shù)的主導(dǎo)地位，及時(shí)滿足了我國(guó)建筑行業(yè)快速發(fā)展的需要，顯著提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。建筑BIM數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)CFG平臺(tái)設(shè)備節(jié)能造價(jià)施工圖1 CFG平臺(tái)與各專業(yè)BIM應(yīng)用的關(guān)系下面對(duì)一些有特色的專業(yè)程序進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。3.1 結(jié)構(gòu)建模程序PMCADPMCAD是整個(gè)結(jié)構(gòu)CAD的核心，它建立的全樓結(jié)構(gòu)模型是PKPM各二維、三維結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的前處理部分，也是梁、柱、剪力墻、樓板等施工圖設(shè)計(jì)軟件和基礎(chǔ)CAD的必備接口軟件（圖2）。1、用

10、簡(jiǎn)便易學(xué)的人機(jī)交互方式輸入各層平面布置及各層樓面的次梁、預(yù)制板、洞口、錯(cuò)層、挑檐等信息和外加荷載信息，建模中可方便地修改、拷貝復(fù)制、查詢。逐層輸入模型后組裝全樓形成全樓模型。2、自動(dòng)進(jìn)行從樓板到次梁、次梁到承重梁的荷載傳導(dǎo)并自動(dòng)計(jì)算結(jié)構(gòu)自重，自動(dòng)計(jì)算人機(jī)交互方式輸入的荷載，形成整棟建筑的荷載數(shù)據(jù)庫(kù)。由此數(shù)據(jù)可自動(dòng)給PKPM系列各結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件提供接口。圖2 PMCAD中某住宅樓結(jié)構(gòu)分析模型3、繪制各種類型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)平面圖和樓板配筋圖。包括柱、梁、墻、洞口的平面布置、尺寸、偏軸、畫出軸線及總尺寸線，畫出預(yù)制板、次梁及樓板開洞布置，計(jì)算現(xiàn)澆樓板內(nèi)力與配筋并畫出板配筋圖。4、多高層鋼結(jié)構(gòu)的三維建模從P

11、MCAD擴(kuò)展，包括了豐富的型鋼截面和組合截面。3.2 三維建筑設(shè)計(jì)軟件APM采用BIM技術(shù)的建筑設(shè)計(jì)軟件APM，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)可視化，參數(shù)化構(gòu)件設(shè)計(jì)，三維模型與施工圖雙向關(guān)聯(lián)，構(gòu)件統(tǒng)計(jì)和材料算量，與PKPM結(jié)構(gòu)軟件和設(shè)備軟件共享核心數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)院協(xié)同設(shè)計(jì)提供了有力支持。軟件提供國(guó)家863課題成果三維建筑方案設(shè)計(jì)模塊APM-3D，集三維建筑方案設(shè)計(jì)和二維平、立、剖、詳圖、總平面施工圖設(shè)計(jì)于一體，自帶二維渲染、三維渲染和動(dòng)畫制作模塊（圖3），可做建筑日照分析和房間面積統(tǒng)計(jì)。圖3 使用APM渲染出的效果圖建筑設(shè)計(jì)的全部數(shù)據(jù)均可傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)及概預(yù)算部分，這樣可極大地簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的輸入。首先，建筑

12、軸網(wǎng)、軸線及柱、墻、門窗等構(gòu)件布置，可形成結(jié)構(gòu)布置的各層構(gòu)架，而建筑設(shè)計(jì)所提供的材料、作法、填充墻等信息，又可生成結(jié)構(gòu)分析所需的荷載信息。同時(shí)，建筑設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)還可傳送到設(shè)備設(shè)計(jì)部分，用于生成條件圖和進(jìn)行各種設(shè)備的計(jì)算。這些功能都極大地方便了設(shè)計(jì)單位各個(gè)專業(yè)部門的密切配合。3.3 復(fù)雜空間建模程序Spas CADSpas CAD采用了真實(shí)空間結(jié)構(gòu)模型輸入的方法，適用于各種建筑結(jié)構(gòu)類型（圖4）。1、快速建模：提供了塔架、空間桁架、網(wǎng)架、廣告牌、通廊、支架等形式，根據(jù)用戶的需求，對(duì)于參數(shù)化模型輸入的結(jié)構(gòu)物、構(gòu)筑物類型還會(huì)進(jìn)行擴(kuò)充。 圖4 使用SpaS CAD建立的復(fù)雜模型2、桿件布置：用于布置各種結(jié)構(gòu)

13、構(gòu)件，分別按柱、梁、支撐、墻板等布置。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算、構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，將會(huì)按照不同的構(gòu)件類型，并遵守規(guī)范中對(duì)柱、梁、支撐、墻板等不同構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析。3、荷載布置：除了恒荷載、活荷載等規(guī)范中要求考慮的荷載工況外，用戶還可以根據(jù)需要，定義任意多組自定義的荷載工況，還對(duì)溫差工況進(jìn)行了完備的組合方案。4、約束布置：可以輸入結(jié)構(gòu)的固定節(jié)點(diǎn)、自由節(jié)點(diǎn)、約束節(jié)點(diǎn)（用戶自定義約束常數(shù)）等信息?？梢栽O(shè)置構(gòu)件端部的鉸接信息，滑動(dòng)支座信息。5、其他軟件配合使用：SpaS CAD能夠和PKPM多個(gè)模塊配合，完成結(jié)構(gòu)模型的輸入、分析和設(shè)計(jì)，合理地利用各種軟件的優(yōu)勢(shì)，提高用戶的工作效率。3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的工程量

14、統(tǒng)計(jì)軟件STAT-SSTAT-S是面向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的工程量統(tǒng)計(jì)工具，可從工程造價(jià)控制的角度為確定結(jié)構(gòu)方案提供參考數(shù)據(jù)（圖5）。圖5某工程“全樓混凝土、砌體”用量統(tǒng)計(jì)STAT-S提供的報(bào)表主要內(nèi)容包括：各層主要構(gòu)件的混凝土、砌體工程量及鋼筋量；所有樓層的匯總結(jié)果；單位面積的材料用量等。該報(bào)表提供簡(jiǎn)單的編輯、打印功能，并可以轉(zhuǎn)換成Excel數(shù)據(jù)，方便用戶進(jìn)一步編輯。STAT-S包含簡(jiǎn)化的施工圖設(shè)計(jì)程序。對(duì)板可以進(jìn)行計(jì)算選筋；對(duì)梁、柱、墻等可以自行選筋，如果沒有整體分析的計(jì)算結(jié)果，也可依據(jù)構(gòu)造要求提供配筋結(jié)果。還提供了豐富的參數(shù)，使用者可以通過改變這些設(shè)置的取值對(duì)統(tǒng)計(jì)及選配鋼筋進(jìn)行干預(yù)。3.5 EE

15、FC能效測(cè)評(píng)軟件根據(jù)民用建筑能效標(biāo)識(shí)技術(shù)導(dǎo)則的要求，對(duì)建筑物基礎(chǔ)項(xiàng)（理論值部分）進(jìn)行計(jì)算，判斷是否滿足相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，并按照規(guī)定項(xiàng)和優(yōu)選項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，考慮空調(diào)、采暖系統(tǒng)的運(yùn)行、電氣和給排水設(shè)備選擇情況，對(duì)建筑進(jìn)行能效測(cè)評(píng)，給出能效標(biāo)識(shí)結(jié)果和節(jié)能率，輸出居住/公共建筑能效測(cè)評(píng)匯總表,居住/公共建筑能效標(biāo)識(shí)匯總表，居住/公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能表。1、快捷的模型處理方式：可直接打開AutoCAD、天正軟件繪制的建筑圖形，在能效測(cè)評(píng)軟件中進(jìn)行轉(zhuǎn)換；承接使用結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)、APM建筑模型數(shù)據(jù)；提供三維模型繪制平臺(tái)SBDT。2、快捷的材料賦值過程：提供方案導(dǎo)入和導(dǎo)出功能，實(shí)現(xiàn)相同做法一鍵導(dǎo)入；提供豐富的門窗

16、墻體材料庫(kù)；提供按材料層依次賦值的菜單。3.一鍵計(jì)算：完成賦值后，一鍵完成建筑物全年能耗計(jì)算；輸出詳盡計(jì)算書和報(bào)表。4 結(jié)語工程設(shè)計(jì)人員都希望用計(jì)算機(jī)將建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)及概預(yù)算聯(lián)系起來，做到各個(gè)部分的數(shù)據(jù)信息共享，并且希望這些軟件在同樣的圖形支持環(huán)境下工作，以便于操作及相互配合。PKPM系列CAD系統(tǒng)就具備這個(gè)特點(diǎn)，它是國(guó)內(nèi)率先推出的集“建筑”、“結(jié)構(gòu)”、“設(shè)備”、“概預(yù)算”設(shè)計(jì)于一體的建筑工程集成化CAD系統(tǒng)。各專業(yè)模塊均基于CFG平臺(tái)和核心BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，具有如下特點(diǎn)：1、參數(shù)化高效設(shè)計(jì)構(gòu)件設(shè)計(jì)并不需要采用過多的傳統(tǒng)建模語言，而是對(duì)已經(jīng)建立好的構(gòu)件設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，并使參數(shù)可以調(diào)節(jié)

17、，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)構(gòu)件形體發(fā)生改變，滿足設(shè)計(jì)的要求。各種真實(shí)屬性通過參數(shù)的形式進(jìn)行模擬，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。在建筑信息模型中，建筑構(gòu)件并不只是一個(gè)虛擬的視覺構(gòu)件，而是可以模擬的一些非幾何屬性。2、良好協(xié)同設(shè)計(jì)在二維CAD時(shí)代，協(xié)同設(shè)計(jì)缺少一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)平臺(tái)，而現(xiàn)在BIM模型為傳統(tǒng)建筑工種提供了一個(gè)良好的技術(shù)協(xié)作平臺(tái)。而且，BIM模型還為不同的生產(chǎn)部門，甚至管理部門提供了一個(gè)良好的協(xié)作平臺(tái)。這不僅改變了建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、設(shè)備工程師傳統(tǒng)的工作協(xié)調(diào)模式，而且業(yè)主、政府政務(wù)部門、制造商、施工企業(yè)都可以基于同一個(gè)帶有三維參數(shù)的建筑模型協(xié)同工作。參考文獻(xiàn)1.曾旭東，譚潔基于參數(shù)化智能技術(shù)的建筑信息模型J重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，29(6)：107-1102.Sciences, N.I.O.B., National Building Info