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基于CFG平台的BIM应用

郭华锋 沈文都 邓正贤 董毅
中国建筑科学研究院 建研科技股份有限公司 设计软件事业部

【摘要】建筑信息模型(BIM)是计算机辅助建筑设计领域的新技术，它不仅包含几何数据，还包含建筑生命周期中的大量工程数据。PKPM坚持自主创新，开发了具有自主知识产权的图形平台（Computer Fortran Graphics,简称CFG）。在此平台基础上，PKPM统一了各专业模块的数据接口，建立了核心BIM数据库，开发出一套集建筑、结构、设备、造价、节能、施工于一体的集成化CAD系统，它具有参数化高效设计、良好协同设计的特点，实现了三维设计可视化，三维模型与施工图双向关联，构件统计和材料算量，极大地方便了设计单位各个专业部门的密切配合。以参数化智能模型技术为基础的建筑信息模型必将取代传统的计算机辅助建筑设计手段，成为信息时代推动中国建筑业的新动力。
【关键词】建筑信息化模型（BIM）；CFG平台；PKPM；三维可视化

1 引言
建筑业是中国国民经济的支柱产业，而它长期以来属于一个劳动密集、粗放经营的行业。中国加入WTO以后，面临建筑市场的全球化竞争，提高中国建筑业竞争力的问题迫在眉睫，关键在于必须充分利用新技术进行建筑业信息化研究，否则，建筑业将严重影响整个国民经济和社会信息化的发展[1]。
20世纪80年代，建筑业开始吸收来自于制造业的经验，研究信息技术在建筑设计上的应用方法，并提出了建筑信息模型（Building Information Model，简称BIM）[2]的概念。BIM概念的提出是在是信息化技术与数字化技术结合的必然产物，它旨在实现建筑（组成与功能）全部信息的数字化表达，组建一个丰富的数据库，在整个建筑生命周期内为所有参与者提供决策支持。
工程建设项目是一个复杂的，综合的经营活动，参与者涉及众多专业和部门，工程建设项目的生命周期包括了建筑物从勘测、设计、施工到使用、管理、维护等阶段，时间跨度长达几十年甚至上百年。随着数字化、信息化和智能化技术的发展，以建筑信息模型BIM为核心的建筑3DCAD将成为未来建筑CAD的发展趋势。BIM的核心是一个包含了建筑、结构、设备、施工等专业的设计参数以及各种材料信息的数据库。在实际建筑工程中遇到的任何情况，在BIM数据库中都将有相应全面的、详细的描述。
如何从根本上解决项目规划、设计、施工以及维护管理等各阶段应用系统之间的信息断层，实现建设项目生命周期各阶段的信息共享和充分利用，在项目建设过程中优化设计、合理制定计划、精确掌握施工进程，合理使用施工资源以及科学进行场地布置，已成为投资者、设计事务所和施工承包商的共识，也是当前我国建设领域信息化亟待解决的问题。
2 CFG平台简介
建研科技股份有限公司是建筑行业计算机技术开发应用的最早单位之一。公司以国家级行业研发中心、规范主编单位、工程质检中心为依托，技术力量雄厚，研发领域主要集中在建筑设计CAD软件，图形支撑平台，工程造价分析软件，施工技术和施工项目管理系统，企业和项目管理系统协同工作平台等方面，打造出了PKPM系列等全国知名的软件品牌，在建筑领域的行业应用方面具有极大的影响力。
从1990年起，PKPM坚持自主创新，开发了具有自主知识产权的图形平台（Computer Fortran Graphics,简称CFG）[3]。很多软件企业利用国外的图形平台开发应用软件，短期可以快速应用，但从长远着眼，软件功能更新受到国外厂商的制约。PKPM在向用户提供专业设计软件的同时，给用户提供所需的图形平台，为用户节省购买国外图形平台的巨大开销。
CFG平台跟踪国内外图形软件先进技术，并根据广大PKPM用户群的实际应用，在专业软件发展的同时，带动了图形平台的发展。由于CFG源代码是自主研发，因此技术更新快，是国内为数不多的成熟图形平台之一。CFG图形平台的成功开发与应用，显著提高了PKPM系列软件的技术含量，约有30%的PKPM用户使用CFG完成全部施工图的绘制、打印与输出工作,并且这样的用户比例逐年增长。由于PKPM产品链长，用户类型多，使用自主图形平台的范围和影响大，社会效益突出，可有效缓解国内企业对软件正版化的压力。
CFG平台于1997年获建设部科技进步二等奖；作为国家‘九五’科技攻关课题“工程CAD嵌入式图形支撑软件产业化”成果，于2003年获华夏建设科学技术一等奖；作为国家“863”课题“工程设计三维CAD系统研究及开发应用工程”子课题成果，于2006年获华夏建设科学技术二等奖。它的主要特点有：
1. CFG提供建筑模型的建立、专业计算结果的图形显示、施工图绘制与修改等各方面的应用。这种架构不像很多其他CAD软件那样必须先要配置一个外部图形平台，从而大大减少了用户的负担，而且安装快捷，使用方便。
2. CFG在界面风格、捕捉定位、二维及三维编辑修改方式等多方面参考了国内外图形平台的风格和功能，使广大熟悉其他平台的用户可同样无障碍地使用CFG。
3. 作为建筑行业的专业图形平台，CFG为用户增加了建筑工程设计中需要的建筑、结构、设备等专业需要的辅助绘图工具。
4. CFG良好地兼容其他数据格式，支持IFC数据标准，支持导入Revit模型RVT文件，可导出为能够对建筑模型进行三维编辑、查询的PDF文件，还可以转换成为DWG、DXF格式及其他多种图形格式。
5. CFG具有开放的体系结构，它允许用户采用高级编程语言对其功能进行修改和扩充（即二次开发），能最大限度地满足用户的特殊要求。
3 基于CFG平台的专业BIM应用
在CFG平台基础上，PKPM统一了各专业模块的数据接口，建立了核心BIM数据库，开发出一套集建筑、结构、设备、造价、节能、施工于一体的集成化CAD系统[4]（图1）。它在国内设计行业占有绝对优势，拥有用户上万家，现已成为国内应用最为普遍的建筑设计CAD系统。PKPM设计软件紧跟行业需求和规范更新，不断推陈出新开发出对行业产生巨大影响的软件产品，使国产自主知识产权的软件二十年来一直占据我国结构设计行业应用和技术的主导地位，及时满足了我国建筑行业快速发展的需要，显著提高了设计效率和质量。建筑
BIM数据库

结构
CFG平台

设备
节能
造价
施工
图1 CFG平台与各专业BIM应用的关系

下面对一些有特色的专业程序进行简要介绍。
3.1 结构建模程序PMCAD
PMCAD是整个结构CAD的核心，它建立的全楼结构模型是PKPM各二维、三维结构计算软件的前处理部分，也是梁、柱、剪力墙、楼板等施工图设计软件和基础CAD的必备接口软件（图2）。
1、用简便易学的人机交互方式输入各层平面布置及各层楼面的次梁、预制板、洞口、错层、挑檐等信息和外加荷载信息，建模中可方便地修改、拷贝复制、查询。逐层输入模型后组装全楼形成全楼模型。
2、自动进行从楼板到次梁、次梁到承重梁的荷载传导并自动计算结构自重，自动计算人机交互方式输入的荷载，形成整栋建筑的荷载数据库。由此数据可自动给PKPM系列各结构计算软件提供接口。
图2 PMCAD中某住宅楼结构分析模型

3、绘制各种类型结构的结构平面图和楼板配筋图。包括柱、梁、墙、洞口的平面布置、尺寸、偏轴、画出轴线及总尺寸线，画出预制板、次梁及楼板开洞布置，计算现浇楼板内力与配筋并画出板配筋图。
4、多高层钢结构的三维建模从PMCAD扩展，包括了丰富的型钢截面和组合截面。
3.2 三维建筑设计软件APM
采用BIM技术的建筑设计软件APM，实现三维设计可视化，参数化构件设计，三维模型与施工图双向关联，构件统计和材料算量，与PKPM结构软件和设备软件共享核心数据，为设计院协同设计提供了有力支持。软件提供国家863课题成果三维建筑方案设计模块APM-3D，集三维建筑方案设计和二维平、立、剖、详图、总平面施工图设计于一体，自带二维渲染、三维渲染和动画制作模块（图3），可做建筑日照分析和房间面积统计。
图3 使用APM渲染出的效果图

建筑设计的全部数据均可传输到结构设计、设备设计及概预算部分，这样可极大地简化数据的输入。首先，建筑轴网、轴线及柱、墙、门窗等构件布置，可形成结构布置的各层构架，而建筑设计所提供的材料、作法、填充墙等信息，又可生成结构分析所需的荷载信息。同时，建筑设计数据还可传送到设备设计部分，用于生成条件图和进行各种设备的计算。这些功能都极大地方便了设计单位各个专业部门的密切配合。
3.3 复杂空间建模程序Spas CAD
Spas CAD采用了真实空间结构模型输入的方法，适用于各种建筑结构类型（图4）。
1、快速建模：提供了塔架、空间桁架、网架、广告牌、通廊、支架等形式，根据用户的需求，对于参数化模型输入的结构物、构筑物类型还会进行扩充。
图4 使用SpaS CAD建立的复杂模型

2、杆件布置：用于布置各种结构构件，分别按柱、梁、支撑、墙板等布置。在对结构进行分析计算、构件设计时，将会按照不同的构件类型，并遵守规范中对柱、梁、支撑、墙板等不同构件的设计要求进行分析。
3、荷载布置：除了恒荷载、活荷载等规范中要求考虑的荷载工况外，用户还可以根据需要，定义任意多组自定义的荷载工况，还对温差工况进行了完备的组合方案。
4、约束布置：可以输入结构的固定节点、自由节点、约束节点（用户自定义约束常数）等信息。可以设置构件端部的铰接信息，滑动支座信息。
5、其他软件配合使用：SpaS CAD能够和PKPM多个模块配合，完成结构模型的输入、分析和设计，合理地利用各种软件的优势，提高用户的工作效率。
3.4结构设计者的工程量统计软件STAT-S
STAT-S是面向结构设计人员的工程量统计工具，可从工程造价控制的角度为确定结构方案提供参考数据（图5）。
图5某工程“全楼混凝土、砌体”用量统计

STAT-S提供的报表主要内容包括：各层主要构件的混凝土、砌体工程量及钢筋量；所有楼层的汇总结果；单位面积的材料用量等。该报表提供简单的编辑、打印功能，并可以转换成Excel数据，方便用户进一步编辑。
STAT-S包含简化的施工图设计程序。对板可以进行计算选筋；对梁、柱、墙等可以自行选筋，如果没有整体分析的计算结果，也可依据构造要求提供配筋结果。还提供了丰富的参数，使用者可以通过改变这些设置的取值对统计及选配钢筋进行干预。
3.5 EEFC能效测评软件
根据《民用建筑能效标识技术导则》的要求，对建筑物基础项（理论值部分）进行计算，判断是否满足相关节能标准的要求，并按照规定项和优选项标准，考虑空调、采暖系统的运行、电气和给排水设备选择情况，对建筑进行能效测评，给出能效标识结果和节能率，输出居住/公共建筑能效测评汇总表,居住/公共建筑能效标识汇总表，居住/公共建筑围护结构热工性能表。
1、快捷的模型处理方式：可直接打开AutoCAD、天正软件绘制的建筑图形，在能效测评软件中进行转换；承接使用结构模型数据、APM建筑模型数据；提供三维模型绘制平台SBDT。
2、快捷的材料赋值过程：提供方案导入和导出功能，实现相同做法一键导入；提供丰富的门窗墙体材料库；提供按材料层依次赋值的菜单。
3.一键计算：完成赋值后，一键完成建筑物全年能耗计算；输出详尽计算书和报表。
4 结语
工程设计人员都希望用计算机将建筑设计与结构设计、设备设计及概预算联系起来，做到各个部分的数据信息共享，并且希望这些软件在同样的图形支持环境下工作，以便于操作及相互配合。PKPM系列CAD系统就具备这个特点，它是国内率先推出的集“建筑”、“结构”、“设备”、“概预算”设计于一体的建筑工程集成化CAD系统。各专业模块均基于CFG平台和核心BIM数据库，具有如下特点：
1、参数化高效设计
构件设计并不需要采用过多的传统建模语言，而是对已经建立好的构件设置相应的参数，并使参数可以调节，进而驱动构件形体发生改变，满足设计的要求。各种真实属性通过参数的形式进行模拟，并进行相关数据统计和计算。在建筑信息模型中，建筑构件并不只是一个虚拟的视觉构件，而是可以模拟的一些非几何属性。
2、良好协同设计
在二维CAD时代，协同设计缺少一个统一的技术平台，而现在BIM模型为传统建筑工种提供了一个良好的技术协作平台。而且，BIM模型还为不同的生产部门，甚至管理部门提供了一个良好的协作平台。这不仅改变了建筑师、结构工程师、设备工程师传统的工作协调模式，而且业主、政府政务部门、制造商、施工企业都可以基于同一个带有三维参数的建筑模型协同工作。

参考文献
[1].曾旭东，谭洁．基于参数化智能技术的建筑信息模型[J]．重庆大学学报：自然科学版，2006，29(6)：107-110
[2].Sciences, N.I.O.B., National Building Information Modeling Standard Version 1-Part 1: overview, principles, and methodologies. 2007
[3].沈文都，郭华锋等．面向工程应用的图形平台TCAD[M].北京：中国建筑工业出版社，2008
[4].PKPM2010新规范系列软件产品介绍.

郭华锋，男，1979年6月生，工程师，地址：北京市北三环东路30号建研院主楼1311 邮政编码100013，
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