建筑抗震支吊架设计中的BIM设计

建筑机电管线的设计图纸与现场实际安装情况之间的差异一直是建筑机电抗震支吊架设计与安装的一大难题。本文通过引入BIM技术，提出了一种抗震支吊架的深化设计方法，实现了抗震支吊架的递进式参数化建模、自动化设计、碰撞检测与智能化拼装。在此基础上，设计并开发一个面向抗震支吊架的BIM设计系统，着重介绍了系统架构设计、系统功能模块及全寿命周期信息平台，最大程度地提高设计、生产、施工效率，实现建筑机电抗震企业的高效管理。

目前，抗震支吊架设计一般采用二维、三维的通用软件，如AutoCAD、Solidworks等。抗震支吊架的安装依附于建筑机电系统，但机电系统的设备管线平面布置复杂、现场管线安装施工与设计图纸不对应等常见问题，造成传统的抗震支吊架的设计手段存在工作量大、自动化程度低、安装施工难度大、设计与施工之间信息冲突等一系列问题。从抗震支吊架全寿命周期的角度考虑，现有设计施工模式有3个问题：（1）在设计、生产、现场施工各阶段存在信息断层或错位等问题；（2）各参与方的协同工作机制不够完善，导致工作效率低下；（3）智能化程度低，存在繁琐的材料清单统计环节。

建筑信息模型（BIM）作为一种新的设计手段，通过建立建筑结构-机电管线-抗震支吊架一体化BIM模型，能够有效得实现抗震支吊架设计、生产、施工、管养阶段的信息互通与共享。基于BIM的抗震支吊架系统的核心思想是建立一个BIM数据中心，各参与方围绕这一数据中心进行协同工作，提高全生态链的智能化与信息化。本文提出一种基于BIM技术的抗震支吊架的精细化设计方法，包括递进式参数化建模、自动化设计、碰撞检验和智能化拼装4个核心算法，可实现单管与组合抗震支吊架设计的智能化。在此基础上，设计并开发了一个面向抗震支吊架的BIM设计系统，着重介绍了系统架构设计、系统功能模块及全寿命周期信息平台。

建筑抗震支吊架的精细化设计方法

2.1递进式参数化建模方法

抗震支吊架由吊杆、斜撑、抗震连接件、管束等构件组成。这些构件通常可以由1个或多个基本的三维实体模型组合而成。本研究采用Revit软件构造三维模型，并同时实现BIM系统的建立。

吊杆和斜撑通常由槽钢制成，通过在Revit软件中创建统一的槽钢截面，通过拉伸、扫掠等可以实现吊杆和斜撑的快速参数化建模。抗震连接件、管束及零配件的参数定义包括各个截面的属性，实现参数化建模。各基本构件参数化建模完成后，设计人员在其中修改参数即可完成模型的修改工作。

构件的几何模型建立完成后，再赋予模型系统类型、材质、型号、标识等附加属性，然后将建成的模型集成到原BIM模型与其建立关联，从而实现抗震支吊架的递进式参数化BIM建模过程。

2.2自动化设计方法

抗震支吊架起到对机电工程设施的保护作用，承受来自任何方向的水平地震作用。抗震支吊架的设计首先要根据管道的类型、空间位置等因素参照《建筑机电工程抗震设计规范》进行选型和定位；然后合理布置抗震支吊架中吊杆和斜撑的位置及布置方向，确定构件的型号规格；最后对支架进行受力核验，检验其是否满足抗震设防要求。

目前，抗震支吊架的选型及定位主要依靠设计人员的经验进行，是一个反复调整的复杂过程，这类工作繁琐、效率低，难以满足大型建筑抗震支吊架的设计需求。通过对抗震支吊架生产厂家的产品类型、力学性能、计算模型及国家相关规范的条文的研究，建立一种方法可实现抗震支吊架的定位、选型的自动化。其步骤如下：

1）抗震支吊架选型和定位。根据所给建筑BIM模型中机电工程设施的基本几何信息来初选抗震支吊架类型，然后根据所选类型、管道及建筑设施等条件来确定生根点位置；

2）构件选型。根据所给管道信息初步确定抗震支吊架吊杆和斜撑的空间位置及型号规格，自动确定斜撑的角度；

3）抗震支吊架受力验算。通过设置程序接口自动调用设计好的Excel表格进行地震作用下的抗震支吊架的受力验算，同时要验算支吊架斜杆的整体稳定。若不满足受力要求，根据受力计算结果返回Step2重新进行构件选型，从而实现抗震支吊架的自动化设计。

2.3智能化拼装方法

抗震支吊架节点的拼装，要根据各管线的空间位置、抗震支吊架的生根位置等因素进行综合考虑，工作十分繁琐复杂。智能化拼装是在BIM系统中使用合理的方式将抗震支吊架与管道拼装起来。抗震支吊架组合节点智能化拼装是在两个相互正交的方向（组合管道剖面所在的平面坐标系）上寻找可以划分的点以形成网格，保留管道截面都在网格内的结果，依此形成的图形便是一个合理的拼装方案。其算法如下：

1）将每一根管道的位置用一个坐标表示（ai，bi，ci，di），则管道集合的合理划分转换为求一坐标集合｛M｝的合理划分；

2）对管道进行x方向的合理划分，具体如下：将｛M｝按ai进行升序排列，形成集合｛Mx｝，依次比较集合｛Mx｝中ai+1－ci与Dx的大小，若ai+1－ci>Dx，则将直线x=ci+Dx/2计入集合｛X｝中，若ai+1－ci<Dx，进行下一个坐标检验；

3）对管道进行y方向的合理划分，具体如下：将｛M｝按bi进行升序排列，形成集合｛My｝，依次比较集合｛My｝中di+1－bi与Dy的大小，若di+1－bi>Dy，则将直线y=bi+Dy/2计入集合｛Y｝中，若di+1－bi<Dy，进行下一个坐标检验；

4）进行整体划分，在坐标系中画出集合｛X｝和集合｛Y｝中各条直线的位置，即可形成一个初步划分好的网络。

5）进行划分网络优化，由于立柱一般是通长的，因此，要去除部分与x方向平行的线段；

6）根据最终网格的位置和斜撑生根的位置，通过连接件将斜撑与支吊架主体连结成整体，形成完整的抗震支吊架。

最后形成合理的网络划分方案。上述各个步骤中各变量的意义如下：a为矩形左上角点的x坐标；b为矩形左上角点的y坐标；c为矩形右下角点的x坐标；d为矩形右下角点的y坐标；Dx为水平方向安装抗震支吊架的距离限值；Dy为竖直方向安装抗震支吊架的距离限值；距离限值：为如果两个相邻矩形网格在某一方向距离大于该方向的距离限值，则应在这两个矩形网格之间插入一个划分点。

2.4碰撞检测

碰撞检测是对建筑BIM模型中的建筑构件、结构构件、机械设备、水暖电管线等进行检查，排查它们之间是否出现交叉、碰撞等无法施工的现象。获取各构件的几何尺寸等其他信息是碰撞检测的必备信息，而目前的CAD等其他设计软件无法做到这一点。在所给的建筑BIM模型中，加入由自动化设计得出的抗震支吊架模型，进行碰撞检测。

抗震支吊架的碰撞检测主要涉及3方面：一是实体碰撞检测，即是否和其他构件产生交错；二是进行延伸碰撞检测，要预留出工人施工以及维修空间等；三是进行程序性碰撞检测，即检测施工工序是否会导致无法顺利安装抗震支吊架。系统会根据检测结果，在模型中对有问题的地方做出标记，同时对所有碰撞位置进行汇总，设计人员可以根据汇总的信息进行调整并修改。通过碰撞检查，可以最大程度地提高设计及施工效率，减少设计与施工之间的协调修改，缩短工期。

基于BIM的建筑抗震支吊架设计系统

3.1系统功能模块

前处理模块。在BIM数据库中，读取建筑机电设备管线、各类抗震支吊架的信息进行分析归类，以供抗震支吊架设计、碰撞检测及抗震支吊架拼装使用。

族库管理模块。负责管理抗震支吊架吊杆、斜撑、连接件、管束等参数化建模后形成的族文件，设计人员可以直接调用族库中预先创建好的抗震支吊架族文件，也可根据要求对类似的模型进行修改，提高设计效率。

抗震支吊架设计模块。根据《建筑机电工程抗震设计规范》，系统自动完成抗震支吊架的平面布置，用户可以根据实际情况调整各参数以及手动修改各抗震支吊架平面布置位置。根据建筑机电系统相应的抗震设防要求，在用户指定抗震支吊架承载跨度和需要选定关联的管道后，系统会自动计算地震作用，并对抗震支吊架吊杆、斜撑、管束、连接件等所需配件进行自动选型，用户可以根据实际情况调整各参数以及手动修改各配件的选型。

抗震支吊架拼装模块。根据抗震支吊架平面布置位置和用户指定需要选定关联的管道后以及先前零配件的选型，系统完成自动拼装。自动拼装完成后，用户可根据需要调整各参数以及添加或删除吊杆、斜撑、管束等构件。

碰撞检验模块。负责检验智能拼装后的结果是否合理，能否满足施工要求，系统会将不满足要求的部位标记出来，用户可以调整参数设置以及手动修改抗震支吊架设置位置。

后处理模块。后处理模块包括将设计完成的抗震支吊架集成到BIM数据库、生成材料清单供预制加工使用、对选定的特定节点进行简单的力学验算以校核安全性。

3.2全寿命周期信息平台

全寿命周期管理是工程现代化信息管理的核心目标，抗震支吊架BIM系统在全生命周期管理过程中的不同阶段使用各自对应的数据库，目前已有的信息管理系统往往是针对不同的业务需求进行开发。借助建立的全寿命周期信息平台可将抗震支吊架设计、生产及安装过程中的信息资源进行有效地整合，解决设计、生产、施工各部门之间信息传递艰难、信息共享不完全、系统间信息接口标准不规范等一系列问题，从而实现真正意义上的信息共享。

目前信息化水平不断提升，一个企业往往具有许多信息管理系统，如进度管理系统、财务管理系统、质量管理系统等，且这些系统一般都由不同的软件设计，具有不同的架构技术，导致在实际的管理过程中，对于一个综合问题就需要在多个不同的系统中进行数据读取与汇总分析，工作效率低下。在BIM系统中建立一个综合的抗震支吊架全寿命周期信息平台，使他们形成一个整体，用户只需进入全寿命周期信息平台，就可以进行各类业务的处理和信息共享，实现抗震支吊架系统全生态链的信息共享。