BIM技术下的土木工程结构试验信息管理系统设计

 土木工程结构试验的信息管理水平直接影响着试验目标的实现和试验结果的产生，随着土木工程行业各领域 BIM 理念的广泛应用，以 BIM 技术为手段对建筑全寿命周期的管理已逐渐成为未来的发展趋势。针对传统试验信息管理模式中存在的许多问题，本文创新性地将 BIM 理念引入到土木工程结构试验信息管理当中，提出一种基于 BIM 的土木工程结构试验管理方法，通过 Revit 二次开发的方式，设计并开发基于 BIM 的土木工程结构试验信息管理系统，并通过具体案例验证了该系统的可行性
第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

  土木工程结构试验是采用科学合理的组织方法，制定试验实施计划，借助各种仪器设备，通过施加一定的荷载作用，测量关于结构性能方面的试验参数，从刚度、强度以及实际破坏形态等多个角度对试验现象进行分析，进而判断和了解试验对象的结构性能，验证结构是否满足设计需求和质量规范，并用以检验和发展土木工程专业的理论知识[1]。土木工程结构试验是土木工程专业最具实践性的创新资源之一，不断推动着许多新方法、新技术和新材料在重大项目工程中得以运用，对加强项目管理、提高施工效率、节约物质资源和保障人员安全起到了一定的作用。伴随着我国经济从高速发展转向稳定发展，土木工程行业步入从量到质的跨越式发展阶段，同时也对土木工程理论和试验提出更高的要求。随着试验内容的不断深入，试验涉及的各种技术难度进一步加大，所需的试验设备、材料及人力投入也增大，试验数据和信息内容越来越繁杂，并且由于试验数量的不断增加，试验数据信息也呈现快速增长的趋势。当前的试验信息管理模式暴露出以下几个问题：

（1）试验各阶段之间没有建立有效的信息传递和共享机制，使得试验数据出现信息“孤岛”的现象，与实际需求脱节；（2）试验各参与方没有形成协同工作的机制，每个人只专注于自己所负责的工作，相互之间缺乏直接有效的信息沟通；（3）试验数据缺乏科学合理的信息采集和处理方式，导致试验过程中产生的测量数据、视频照片等重要信息未得到规范化存储，容易出现丢失；（4）整个试验过程的可视化程度低，试验方案依靠文字内容和二维图纸描述，试验数据的显示不够直观简洁，试验现象的表达不够形象具体。由此可见，传统的土木工程结构试验信息管理模式已经不能满足日益增长的试验信息管理需要，同时也在很大程度上制约着土木工程结构试验效率的进一步提高。在我国最新颁布的《信息化发展战略》中，明确提出“充分发挥信息化技术所具备的巨大优势，通过信息化的手段促进我国现代化产业升级发展”；在住建部颁布的《建筑业信息化发展纲要》中，坚持实施“推广 BIM 技术及应用”的战略方

向，同时要求“建筑企业掌握 BIM 技术并建设信息化系统”[2]。BIM（BuildingInformation Modeling）即建筑信息模型，在计算机系统中建造一个虚拟的三维空间，通过几何信息和非几何信息等数据形式模拟建筑的各种实际情况，采用虚拟建造技术对工程项目全寿命周期进行实时控制和可视化显示，实现信息在项目全寿命周期的传递和共享。而且 BIM 技术还具有参数化、可视化、协调性、模拟性、优化性等特点，为各参与方的科学决策和工程项目的顺利实施提供了强大的支撑[3]。土木工程结构试验作为土木工程行业重要的研究领域，也应利用 BIM 技术来实现土木工程结构试验信息的科学化管理，进而推动整个土木工程行业完成 BIM 技术信息化管理的升级

1.2 国内外研究现状

1.2.1 BIM 的国内外研究现状

  BIM 从首次提出经历了几十年的漫长时间才得到了如今的普遍认可。发展初期，在挪威、新加坡和芬兰等国家流行，随后进入美国，经过许多美国学者的深入研究，BIM 逐渐完善发展并得到应用[4]。美国总务管理局从二十一世纪初陆续制定关于从 3D 到 4D 再到 BIM 三个阶段实施的一系列发展计划，从项目全生命周期的角度积极探索 BIM 的应用等[5]，美国建科院也在 2007 年发布美国国家 BIM 标准[6]；2008 年新加坡政府通过建筑管理署和房地产建设系统这两个组织强制实施建设项目 BIM 电子交付制度，成为亚洲第一个采用 BIM 技术和实现 BIM 电子交付的国家[7]；日本在 2010 年开始引进和推广 BIM 技术，现已在全国范围内进行使用，国土交通省也相继出台一系列 BIM 技术手册[8]。BIM 在我国的研究起步相比于国外发达国家来说较晚，由 Autodesk 公司在2003 年首次将 BIM 概念引入我国，同时有少量学者开始研究；中国建科院于 2008年在国际 IFC 标准的基础上根据国内情况进行修改，发布我国第一部有关 BIM 的国家标准《工业基础类平台规范》[9]；随即由清华大学软件学院在 2009 年提出我国建筑信息模型标准框架（CBIMS），主要是从信息语义标准、信息传递标准、数据储存标准三个方面阐述[10]；由北京市工程勘察设计行业协会在 2014 年撰写完成的北京市地方标准《民用建筑信息模型设计标准》正式开始实施，同时其他省市和企业也在逐步编制 BIM 标准[11]；住房和城乡建设部在 2017 年发布我国首部 BIM国家标准《建筑信息模型施工应用标准》，对 BIM 的概念进行定义，明确实施各个阶段应达到的目标[12]；随即再次发布第三部 BIM 国家标准《建筑信息模型分类和编码标准》，提出我国建筑信息模型分类要求和编码准则，明确要求从 2018 年5 月 1 日起实施[13]。

第二章 基于 BIM 的土木工程结构试验信息管理方法研究

  在整个土木工程结构试验过程中会产生多种多样的试验信息，并且土木工程结构试验信息具有典型的特点；BIM 作为当前土木工程行业的热门概念，能够在信息管理领域发挥巨大的优势。本章通过对传统土木工程结构试验信息模式进行研究，发现其存在许多问题，为了解决这些问题引入 BIM 理念来建立土木工程结构试验信息模型，提出基于 BIM 的土木工程结构试验信息管理方法。

2.1 土木工程结构试验信息

  由于土木工程结构试验的特殊性，所采用的试验方法、仪器设备有所区别，研究目的各不相同，由此产生的试验信息类型和内容也丰富多样，正是这些原因导致土木工程结构试验信息十分复杂。因此在对试验信息管理方法进行研究前，本节先对土木工程结构试验信息内容和特点进行研究。

2.1.1 土木工程结构试验类型

  土木工程结构试验的分类通常从试验目的、荷载类型、对象类型和时间长短等因素考虑，而且试验所涉及的方法和技术较多，也增加了土木工程结构试验的复杂性。因此需要明确土木工程结构试验的类型，从而按照试验类型对试验信息进行组织和存储。本文结合试验信息管理的需要，将土木工程结构试验划分为静力试验、伪静力试验、拟动力试验、动力特性试验、动力响应试验、疲劳试验、原位荷载试验、振动台试验、非破损检测试验、其他试验共十个类型，如图 2.1 所示。

2.2 土木工程结构试验信息模型

  BIM 是土木工程行业正在推广的一项新技术，基于 BIM 进行试验信息管理的前提是要构建土木工程结构试验信息模型，但是目前缺乏关于土木工程结构试验信息模型的研究。本节首先介绍 BIM 的概念，然后阐述土木工程结构试验信息模型的定义以及特点，总结试验信息模型所包含的内容。

2.2.1 BIM 概念

  BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，由美国的 Chuck Eastman博士在 1975 年正式提出，他将其定义为“建筑信息模型集合了对象所有的几何信息、功能要求和性能特征，并将整个建筑项目全生命周期内的信息整合到一个建筑三维模型之中，其中包含施工进度、建造过程、维护管理等重要信息” [59]。之后美国建筑科学研究院发布的国家 BIM 标准（NBIMS）对 BIM 的定义是由三部分组成：（1）BIM 是一个建设项目所有物理和功能特性的数字化信息模型表达方式；（2）BIM 是一个共享开放的知识资源，可以交换有关这个项目的所有信息，为此项目在全生命周期中的所有决策和计划提供可靠依据；（3）在项目的不同阶段，不同参与方可以通过在 BIM 中更新、查询、提取和分析信息，以帮助完成各自任务和目标的协同作业[60]。BIM 信息管理模式如图 2.3 所示。

第三章 基于 BIM 的土木工程结构试验信息管理框架构建

3.1 需求分析

3.2 框架设计

3.3 功能模块设计

3.4 本章小结

第四章 基于 BIM 的土木工程结构试验信息管理系统开发

4.1 Revit 二次开发技术

4.2 系统总体开发

4.3 功能模块开发

4.4 本章小结

第五章 基于 BIM 的土木工程结构试验信息管理系统应用

5.1 试验概况

5.2 应用情况

5.3 应用效果分析

5.4 本章小结

第五章 基于 BIM 的土木工程结构试验信息管理系统应用

  上一章中土木工程结构试验管理系统已经开发完成，但是尚未验证系统的可行性，因此需要在实际案例中进行应用和探索。本章以含 BRB 的铰支剪力墙抗震性能研究试验为案例，从试验计划与准备阶段、试验实施阶段和试验总结与分析三个阶段阐述应用情况，最后从传统试验信息管理系统和基于 BIM 的试验信息管理系统两个角度对应用效果进行对比分析。

5.1 试验概况

  土木工程结构试验信息管理系统的应用是以含 BRB 的铰支剪力墙抗震性能研究试验为案例来说明应用情况，该试验是以含 BRB 的铰支剪力墙为研究对象，长为 2000mm，宽为 200mm，高为 3380mm，混凝土的设计强度等级为 C30，分布筋为 8/12@200，拉筋为 8@200，箍筋为 8@200。试验目的是针对铰支剪力墙结构进行拟静力试验，同时制作普通剪力墙、含 BRB 的现浇剪力墙为对比试件，通过试验数据和现象，分析该结构在震后可能出现的损伤情况，给出相应的处理方案，试验现场图片如图 5.1 所示。

第六章 结论与展望

 土木工程结构试验的信息管理水平直接影响着试验目标的实现和试验结果的产生，随着土木工程行业各领域 BIM 理念的广泛应用，以 BIM 技术为手段对建筑全寿命周期的管理已逐渐成为未来的发展趋势。针对传统试验信息管理模式中存在的许多问题，本文创新性地将 BIM 理念引入到土木工程结构试验信息管理当中，提出一种基于 BIM 的土木工程结构试验管理方法，通过 Revit 二次开发的方式，设计并开发基于 BIM 的土木工程结构试验信息管理系统，并通过具体案例验证了该系统的可行性。本文的主要研究内容和成果如下：

（1）土木工程结构试验信息内容可分为结构化数据和非结构化数据，具有信息数量巨大、存储分散、类型复杂、时效性强的特点，并参考 ISO 12006-2 和OmniClass 的分类方法对土木工程结构试验信息进行分类与编码。分析了传统试验信息管理模式存在很多的问题和不足，并利用 BIM 的优势建立土木工程结构试验信息模型来承载所有信息。在此基础上，本文提出一种基于 BIM 的土木工程结构试验信息管理方法，该方法是指试验各参与方以 BIM 试验信息模型为载体，通过BIM 试验信息管理系统，对试验的 BIM 信息数据进行高效传递与共享。

（2）以需求分析为出发点，系统设计遵循实用性、模块化、易维护性的原则，本文构建了基于 BIM 的土木工程结构试验信息管理框架，总体架构是由存储层、资源管理层、功能逻辑层、业务外观层、表示层五个层次组成，采用新奥尔良法对系统数据库进行设计，设计了试验仪器表、测量数据表、文档信息表、试验人员表、危险预警表等五个主要数据库的表。试验信息管理系统的三大功能模块分别是虚拟仿真、监测预警和数据应用，详细介绍每个模块所包含的主要功能，然后采用流程图的方式说明各个功能的应用过程，使用户能直观了解到系统各个模块的运行原理。

（3）本文采用 Visual Studio 2019 为开发软件，以 C#为开发语言，灵活运用Winform 窗体进行可视化表达，并开发相应的 SQL 数据库作为系统的支撑。在 Revit软件基础上进行二次开发，完成了土木工程结构试验信息管理系统的总体界面实现，利用 ADO.NET 体系管理土木工程结构试验信息管理系统数据库，采用计算机编程的方式对试验中涉及例如试件等许多实体类型进行参数化建模。从界面设计和程序代码两个角度，详细说明虚拟仿真模块、监测预警模块以及数据应用模块这三个模块下重点功能的实现过程，并提供程序开发的部分核心代码，为其他 BIM信息管理系统的开发提供了一条新的思路。