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基于BIM數(shù)據(jù)的建筑抗震彈塑性分析建模技術(shù)

作者：曾翔陸新征許鎮(zhèn)
時(shí)間：2014-10-17 15:27:10 [收藏]

引言隨著城市化的發(fā)展，地震對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的潛在威脅越來越嚴(yán)重，城市建筑震害預(yù)測(cè)成為防災(zāi)減災(zāi)的一個(gè)重要方面。城市區(qū)域內(nèi)的建...
關(guān)鍵詞：彈塑性數(shù)據(jù) 技術(shù)

引言

    隨著城市化的發(fā)展，地震對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的潛在威脅越來越嚴(yán)重，城市建筑震害預(yù)測(cè)成為防災(zāi)減災(zāi)的一個(gè)重要方面。城市區(qū)域內(nèi)的建筑群震害預(yù)測(cè)包含兩個(gè)層次：宏觀層次和微觀層次。宏觀層次模型將建筑抽象成一個(gè)或少量自由度的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行不同烈度下地震損失分析預(yù)測(cè)。微觀層次模型[2]將建立建筑物更加精細(xì)化的分析模型（例如桿系模型等），可以考慮結(jié)構(gòu)的足夠多的自由度和精確的動(dòng)力特性，進(jìn)行高精度的震害分析預(yù)測(cè)。

    城市建筑震害預(yù)測(cè)，需要獲取和存儲(chǔ)城市建筑的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如果只是建立宏觀層次模型，則只需要建筑面積、年代、層數(shù)、結(jié)構(gòu)類型等少量宏觀數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)來源可以是城市GIS數(shù)據(jù)庫等。基于GIS的城市震害預(yù)測(cè)已經(jīng)有一定的研究基礎(chǔ)[3]。而建立微觀層次的精細(xì)化模型需要更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，如梁柱的尺寸、配筋等，若采用手動(dòng)方法建立精細(xì)化模型，不僅工作量太大，也容易出錯(cuò)，特別對(duì)于某些開源的有限元軟件（如OpenSees），沒有前處理界面，建模極不方便。比較合理的方法是利用建筑已有的數(shù)字化模型，從中提取建筑震害分析所需要的詳細(xì)數(shù)據(jù)，自動(dòng)建模供計(jì)算模塊進(jìn)行分析計(jì)算。然而不同軟件生成的建筑數(shù)字化模型有著不同的數(shù)據(jù)格式，而計(jì)算模塊也可能由不同的結(jié)構(gòu)分析軟件組成（如Marc，OpenSees等）。因此，需要采用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)不同軟件之間的數(shù)據(jù)交換。

    建筑信息模型（Building Information Model，BIM）致力于在建筑的全生命期實(shí)現(xiàn)不同建筑工程領(lǐng)域的信息共享和協(xié)同管理，基于BIM的建筑數(shù)字化模型是未來重要的發(fā)展方向。目前，BIM采用IFC標(biāo)準(zhǔn)作為建筑產(chǎn)品的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，不同軟件之間通過IFC這個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來交換數(shù)據(jù)。然而研究表明[4]，基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑模型與結(jié)構(gòu)模型之間的信息傳遞與共享還不是十分成熟。張劍濤等[5]，劉照球[6, 7]等開發(fā)了IFC與PKPM結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，能初步實(shí)現(xiàn)二者的幾何、材料等信息的轉(zhuǎn)換，但缺乏載荷信息等的轉(zhuǎn)換。也有學(xué)者嘗試建立通用建筑結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換平臺(tái)，以IFC為通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)任意常用結(jié)構(gòu)分析軟件間的結(jié)構(gòu)分析模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。但這類研究尚處于起步階段，目前僅實(shí)現(xiàn)了SATWE、ETABS、SAP2000等軟件與IFC標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換接口，所能實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也僅限于幾何、材料等信息。

    因此，能否利用BIM的共享性，解決城市建筑震害預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)獲取以及自動(dòng)建模問題，具有重要的研究價(jià)值。

1. 建筑震害分析及數(shù)據(jù)需求

    對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，通常采用纖維梁模型作為抗震彈塑性分析的精細(xì)化計(jì)算模型。不少軟件都能具備建筑抗震彈塑性分析能力，其中兩類典型的軟件是Marc和OpenSees。

    由于城市建筑信息是以單體建筑為基礎(chǔ)的，因此，本文利用C++編寫了一個(gè)模型轉(zhuǎn)換程序，從一個(gè)單體鋼筋混凝土建筑的（IFC格式的）數(shù)字化模型中，提取建筑震害分析所需的信息，自動(dòng)生成Marc和OpenSees軟件模型，驗(yàn)證轉(zhuǎn)換后的模型能否用于分析建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，如圖1所示。

圖1 編寫模型轉(zhuǎn)換程序，將IFC格式模型轉(zhuǎn)換成Marc模型和OpenSees模型
Fig.1 Convert IFC-format files into Marc and OpenSees models using a model converter

1.1 Marc與OpenSees軟件

    Marc是一款功能齊全的高級(jí)非線性通用有限元軟件[8]，用Marc進(jìn)行建筑震害模擬，可以得到較為理想的分析結(jié)果，且適用于大多數(shù)分析需求。

    基于纖維模型原理，清華大學(xué)土木工程系利用Marc軟件提供的二次開發(fā)接口，編寫了THUFIBER程序[9]，使Marc軟件能對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行纖維模型計(jì)算。THUFIBER將混凝土構(gòu)件的截面分為36個(gè)混凝土纖維，以及4個(gè)鋼筋纖維（纖維劃分方法也可以由用戶自定義），各纖維的面積由截面尺寸和配筋決定。對(duì)每根纖維定義特定的本構(gòu)關(guān)系，便可以進(jìn)行不同精度的有限元分析。

    OpenSees（Open System for Earthquake Engineering Simulation），是一個(gè)能進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震彈塑性分析的開源軟件[10]。相比內(nèi)部代碼不透明的商用有限元軟件，OpenSees的開源性使得研究者能全面掌握它的運(yùn)行機(jī)制，并能根據(jù)自身需求進(jìn)行二次開發(fā)，因此，OpenSees是進(jìn)行建筑震害研究的重要工具。OpenSees中，混凝土梁柱也用纖維模型模擬。

    選用上述兩種軟件進(jìn)行震害分析，可以同時(shí)利用商業(yè)軟件的健壯性和開源軟件的透明性。

1.2 建筑震害分析的數(shù)據(jù)需求

    為了從IFC文件中提取充分的信息，以自動(dòng)生成Marc和OpenSees結(jié)構(gòu)模型，需要全面了解這兩種軟件的建筑震害分析建模方法，并總結(jié)震害分析所需的數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)信息分為兩類，一類與混凝土結(jié)構(gòu)模型有關(guān)，如結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置、幾何信息、材料信息、載荷等。另一類則與震害分析的方法和過程有關(guān)，如地震波的選取、載荷工況的增量步總數(shù)和每個(gè)增量步的時(shí)間步長等，這類數(shù)據(jù)隨著分析方法和要求的變化而變化，并且在軟件中可以很方便地實(shí)現(xiàn)這類參數(shù)的調(diào)整。因此，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注第一類數(shù)據(jù)需求，即與混凝土結(jié)構(gòu)模型有關(guān)的數(shù)據(jù)。

    通過考察這兩種軟件的建筑抗震分析模型，得到抗震分析的數(shù)據(jù)需求如表1所示。

表1 建筑抗震分析的數(shù)據(jù)需求
Tab.1 Data requirements for structural seismic analysis

2. 抗震分析的數(shù)據(jù)需求的IFC表達(dá)

2.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)概述

    IFC（Industry Foundation Classes）標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)建筑信息模型的開源的產(chǎn)品模型標(biāo)準(zhǔn)，最新版本為IFC4[11]，于2013年3月正式發(fā)布。

    IFC4包含類型、實(shí)體、函數(shù)、規(guī)則、（預(yù)定義）屬性集、量集等元素。其中，實(shí)體對(duì)應(yīng)于面向?qū)ο笏枷胫械?ldquo;類”，每個(gè)實(shí)體都擁有一條或多條屬性，對(duì)應(yīng)于“類”中的數(shù)據(jù)成員。然而IFC體系中，為了更靈活、全面地表達(dá)實(shí)體的屬性，引入了“屬性集”概念[12]，即屬性的集合。通過關(guān)聯(lián)實(shí)體的關(guān)聯(lián)機(jī)制，將某個(gè)屬性集和某個(gè)實(shí)體相關(guān)聯(lián)，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)該實(shí)體的屬性的擴(kuò)展。

    IFC4標(biāo)準(zhǔn)既能描述建筑模型，又能描述結(jié)構(gòu)分析模型，但這兩類模型的內(nèi)容有很大差異。例如同一根梁，在IFC4建筑模型中由IfcBeam實(shí)體表示，是由一個(gè)封閉截面拉伸而形成的實(shí)體（或者其他實(shí)體生成方式），并且具有顏色、渲染材質(zhì)等屬性；而在IFC4結(jié)構(gòu)分析模型中由IfcStructuralCurveMember表示，是由兩個(gè)頂點(diǎn)和之間的連線組成的實(shí)體。圖2是一個(gè)建筑模型和對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)分析模型的對(duì)比示意圖[13]。

圖2 建筑模型和結(jié)構(gòu)分析模型的對(duì)比
Fig.2 Comparison between architectural model and corresponding structural analysis model

2.2 IFC標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

    目前，IFC在建筑設(shè)計(jì)和施工等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用十分豐富，而在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域相對(duì)缺乏。

    Wan等通過對(duì)比結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000所需信息和IFC2x2標(biāo)準(zhǔn)所能描述的信息之間的差異，分析了IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)分析模型的支持程度，發(fā)現(xiàn)IFC可以提供簡單的靜力載荷、靜力工況、部分材料力學(xué)屬性等數(shù)據(jù)，但無法描述彎矩釋放、材料剪切性能等部分信息。

    雖然IFC標(biāo)準(zhǔn)本身具備描述基本結(jié)構(gòu)分析模型的能力，但其應(yīng)用并不成熟，表2是常用建筑設(shè)計(jì)軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件的IFC模型導(dǎo)出效果，導(dǎo)出的IFC文件最高版本為IFC2x3。從表中可以看出，現(xiàn)有軟件的IFC結(jié)構(gòu)分析模型導(dǎo)出能力較差，不能滿足結(jié)構(gòu)抗震彈塑性分析的要求。

表2 部分軟件的IFC文件導(dǎo)出能力測(cè)試
Tab.2 IFC file exporting test for conventional used software

2.3 IFC4結(jié)構(gòu)分析子信息模型

由于現(xiàn)有常用軟件導(dǎo)出的IFC文件中缺少建筑結(jié)構(gòu)抗震彈塑性分析的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此有必要建立一個(gè)完整的IFC結(jié)構(gòu)分析模型，如表2最后一行所示。子信息模型是指整個(gè)IFC標(biāo)準(zhǔn)體系的一個(gè)子集。作為一個(gè)建筑產(chǎn)品通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，IFC提供了豐富的建筑描述方法，以適應(yīng)各種描述需求。但同時(shí)也導(dǎo)致IFC標(biāo)準(zhǔn)非常復(fù)雜，例如描述一根梁的配筋至少有四種方法：（1）用IfcMaterialLayer實(shí)體定義層狀材料，將一個(gè)構(gòu)件的材料分成若干鋼筋層、混凝土層，這種方法更適合表達(dá)剪力墻、樓板等的配筋。（2）用IfcReinforcementDefinitionProperties實(shí)體定義配筋，這種方法通常用于早期設(shè)計(jì)階段。（3）用IfcReinforcingBar實(shí)體描述鋼筋，并通過關(guān)系實(shí)體將鋼筋與梁相關(guān)聯(lián)，然而鋼筋的位置既可能用全局坐標(biāo)表達(dá)，又可能用局部坐標(biāo)表達(dá)；既可以為每根鋼筋定義一個(gè)IfcReinforcingBar實(shí)體，又可以僅定義一根鋼筋，再用映射方法IfcMappedItem生成任意數(shù)量的相同類型鋼筋；既可以為每根鋼筋指定屈服強(qiáng)度等屬性，又可以為IfcReinforcingBarType指定屬性從而一次性給所有同類型鋼筋指定了該屬性。因此使用這種方法定義配筋，可以描述大多數(shù)類型的配筋方式，但若要從中提取配筋信息，實(shí)現(xiàn)起來將非常復(fù)雜。（4）用自定義屬性集的方式為梁添加配筋屬性，它表達(dá)靈活，也便于編程提取信息。

IFC的復(fù)雜性，也是限制它發(fā)展、導(dǎo)致常用軟件普遍無法導(dǎo)出滿足抗震分析的IFC文件的原因之一。因此本文在仔細(xì)考察IFC4體系的基礎(chǔ)之上，選擇其中的常用部分，建立IFC4結(jié)構(gòu)分析子信息模型。例如配筋的描述僅保留了方法（4）。雖然這降低了IFC的全面性，但仍能描述抗震分析所需的關(guān)鍵信息，增強(qiáng)了實(shí)用性。

描述IFC（子信息）模型的最方便的工具是EXPRESS-G[15]，圖3是它的部分圖例。

圖3 EXPRESS-G部分圖例
Fig.3 Legend for EXPRESS-G (partial)

2.3.1 IFC4結(jié)構(gòu)分析模型的描述

任何一個(gè)IFC4模型文件中，有且僅有一個(gè)IfcProject實(shí)體。因此，任何IFC子信息模型中都包含IfcProject實(shí)體，用于表征一個(gè)建筑項(xiàng)目。IFC4中，用IfcStructuralAnalysisModel實(shí)體表示一個(gè)結(jié)構(gòu)分析模型，該實(shí)體有結(jié)構(gòu)分析類型、全局坐標(biāo)系、所包含的載荷工況等屬性。載荷工況由IfcStructuralLoadGroup實(shí)體的子類，即IfcStructuralLoadCase表達(dá)，該實(shí)體的主要屬性有載荷類型（永久載荷、可變載荷、偶然載荷等）與載荷模式（恒載荷、活載荷、風(fēng)載荷等）。一個(gè)IfcProject可對(duì)應(yīng)幾個(gè)IfcStructuralAnalysisModel，二者之間通過IfcRelDeclares關(guān)系實(shí)體建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，其EXPRESS-G表達(dá)如圖4所示，圖中實(shí)體屬性未全部列出，黃色標(biāo)出的是主要實(shí)體。

圖4 IFC4結(jié)構(gòu)分析模型的描述方法
Fig.4 Description of IFC4 structural analysis model

2.3.2 其他建筑抗震分析數(shù)據(jù)的IFC4描述方法

與2.3.1小節(jié)類似地，建立了結(jié)構(gòu)構(gòu)件、載荷、支座約束、材料、截面幾何特性等信息的IFC4描述方法。以載荷為例，如圖5所示，圖中實(shí)體屬性未全部列出。IFC4能描述線性變化的分布載荷，但為了降低復(fù)雜性，本文建議將這類載荷轉(zhuǎn)換成等效均布載荷，用IfcStructuralLinearAction實(shí)體表達(dá)。

圖5 載荷信息在IFC4中的描述方法
Fig.5 Description of load in IFC4 standard

3. 模型轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

    根據(jù)第2章所建立的完整的IFC4結(jié)構(gòu)分析子信息模型框架，可以構(gòu)建滿足抗震分析數(shù)據(jù)需求的IFC4模型文件，進(jìn)而采用C++語言設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換程序，解析IFC模型文件，自動(dòng)生成Marc和OpenSees軟件模型。

    IFC模型由EXPRESS語言定義，是ASCII格式純文本文件形式，因此IFC文件需要經(jīng)過解析識(shí)別，才能供程序代碼處理。本文使用IFCEngine.dll作為IFC文件解析工具，這是一款免費(fèi)工具包，但要求編程者對(duì)IFC體系十分熟悉。

    根據(jù)表1所示建筑震害的數(shù)據(jù)需求，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)、單元、支座約束、截面幾何、材料等5個(gè)類（class），并用Map、Vector等C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫中的容器將各個(gè)類的不同對(duì)象有序地組織起來。程序的輸入模塊通過調(diào)用類的成員函數(shù)，從IFC模型文件中提取所需數(shù)據(jù)，賦值給相應(yīng)的數(shù)據(jù)成員。例如節(jié)點(diǎn)類Node調(diào)用SetCoordinate函數(shù)提取并設(shè)置節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。模型轉(zhuǎn)換程序的IFC解析及提取數(shù)據(jù)部分的流程如圖6所示。

圖6 模型轉(zhuǎn)換程序的IFC解析及提取數(shù)據(jù)部分的流程圖
Fig.6 Flow chart of the IFC parse and data obtaining part of the model converter

由于采用了合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，程序的輸出模塊的實(shí)現(xiàn)比較方便，分別遍歷相應(yīng)容器，按照Marc和OpenSees的建模規(guī)則輸出節(jié)點(diǎn)、單元、材料等類的數(shù)據(jù)成員，便可自動(dòng)生成這兩種軟件模型。

4. 實(shí)例驗(yàn)證模型轉(zhuǎn)換效果

為了驗(yàn)證模型轉(zhuǎn)換程序的正確性，用IFC4標(biāo)準(zhǔn)建立了一個(gè)鋼筋混凝土框架模型。模型為清華大學(xué)主樓的一榀10層3跨平面框架[16]，邊跨7.5米，中跨3.5米，框架總高度45.05米，模型詳細(xì)尺寸及配筋等信息見文獻(xiàn)。IFC模型以及轉(zhuǎn)換后的Marc模型如圖7所示（OpenSees沒有顯示模型的界面），由圖可知單元、節(jié)點(diǎn)、支座約束轉(zhuǎn)換正確。檢查模型參數(shù)，截面、材料、載荷等也都轉(zhuǎn)換正確。

圖7 IFC模型（左）及自動(dòng)生成的Marc模型（右）
Fig.7 IFC model(left) and auto-generated Marc model(right)

分別用Marc和OpenSees對(duì)自動(dòng)生成的模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到的前三階振型所對(duì)的頻率相差小于1%，如表3所示：

表3 Marc與OpenSees模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比
Tab.3 Modal analysis result of Marc and OpenSees

對(duì)框架輸入Y方向地震動(dòng)加速度，分別用Marc和OpenSees進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。選用El Centro地震波，地震峰值加速度設(shè)為400Gal，頂點(diǎn)位移的時(shí)程曲線如圖8所示，吻合得很好。

圖8 Marc與OpenSees彈塑性時(shí)程分析結(jié)果對(duì)比
Fig.8 Elasto-plastic time-history analysis result of Marc and OpenSees

    兩個(gè)軟件的模態(tài)分析和時(shí)程分析結(jié)果的一致性，進(jìn)一步說明了模型的單元、材料等各參數(shù)都得到了正確轉(zhuǎn)換。

5. 結(jié) 論

    本文從建筑震害分析的數(shù)據(jù)需求出發(fā)，逐一分析了這些數(shù)據(jù)需求在IFC4中的表達(dá)方法，建立了一個(gè)完整的IFC4結(jié)構(gòu)分析子信息模型。利用該子信息模型，就能通過IFC4標(biāo)準(zhǔn)來描述可進(jìn)行建筑抗震彈塑性分析的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型。

    根據(jù)建立的IFC4結(jié)構(gòu)分析子信息模型以及Marc和OpenSees軟件的建模規(guī)則，編寫了模型轉(zhuǎn)換程序，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件、載荷、支座約束、材料、截面幾何等所有抗震分析所必要的信息的正確轉(zhuǎn)換，進(jìn)行了IFC文件到Marc和OpenSees軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的新嘗試。

    在此基礎(chǔ)上，還有很多研究內(nèi)容可以繼續(xù)開展。例如，擴(kuò)展本文建立的IFC4結(jié)構(gòu)分析子信息模型，使之能描述樓板、剪力墻等其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件；考慮城市建筑群信息的IFC表達(dá)方法等。

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