基于BIM技術(shù)的混凝土截面時效非線性分析

葉英華，劉文鵬，刁 波

(1.北京航空航天大學(xué)土木工程系，100191北京;2.中國建筑科學(xué)研究院，100013北京)

BIM(Building Information Model)將取代傳統(tǒng)2D CAD技術(shù)成為未來計算機(jī)輔助建設(shè)項目生命期信息集成與管理的主流技術(shù)［1］.芬蘭、挪威、德國等歐洲國家基于BIM技術(shù)的應(yīng)用軟件普及率已達(dá) 60% ～70%［2］.隨著 IAI(International Alliance for Interoperability)發(fā)布 IFC(Industry Foundation Class)標(biāo)準(zhǔn)信息模型［3－7］，BIM 技術(shù)的研究和應(yīng)用在國外引起了廣泛關(guān)注，Vanlande等［8］建立了設(shè)計階段與使用維護(hù)階段的信息模型AEC(Architecture，Engineering and Construction);Wan等［9］研究了用于表達(dá)預(yù)應(yīng)力荷載和荷載組合的信息模型;Yu等［10］建立了用于設(shè)備管理的FMC(Facilities Management Classes)信息模型;Schein［11］建立了針對建筑自動化系統(tǒng)(Building Automation System)的信息模型.然而BIM技術(shù)在我國的研究尚處于起步階段，清華大學(xué)張建平、胡振中等［12］建立了4D施工沖突和安全分析與管理信息模型，開發(fā)了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑工程4D施工管理系統(tǒng)4D－GCPSU;上海交通大學(xué)鄧雪原、張之勇等［13］研究了IFC模型自動生成結(jié)構(gòu)分析模型的方法，實現(xiàn)了從IFC文件自動提取結(jié)構(gòu)分析信息;十一五期間，清華大學(xué)、中國建筑科學(xué)研究院、北京航空航天大學(xué)共同承接的國家十一五科技支撐計劃“基于BIM技術(shù)的下一代建筑工程應(yīng)用軟件研究”項目目標(biāo)是將BIM技術(shù)和IFC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于建筑設(shè)計、成本預(yù)測、建筑節(jié)能、施工優(yōu)化、安全分析、耐久性評估、信息資源利用7個方面，本研究為其中基于BIM技術(shù)的建筑工程耐久性評估軟件系統(tǒng)子課題的核心功能模塊.

由于混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系具有非線性，并且在環(huán)境、荷載和內(nèi)部因素下隨時間產(chǎn)生不可逆的變化，基于本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行的截面非線性分析也具有時效性，其過程涉及大量信息處理.目前截面非線性分析主要用于實驗中，截面的荷載、環(huán)境和內(nèi)部信息來自實驗條件，而且實驗構(gòu)件數(shù)目不多，分析的結(jié)果主要用于理論研究.而實際工程中需要從海量的工程數(shù)據(jù)中提取相關(guān)信息工作量巨大，而且分析過程采用人工管理任務(wù)也非常繁重，應(yīng)用BIM技術(shù)來解決截面時效非線性分析中的信息提取、整合、轉(zhuǎn)化和交換能夠很好地解決上述問題，而目前在國內(nèi)外BIM相關(guān)研究中尚未見相關(guān)報導(dǎo).本研究應(yīng)用BIM技術(shù)建立描述與表達(dá)混凝土截面非線性分析相關(guān)信息的完整、一致的參數(shù)化信息模型，并建立了與IFC標(biāo)準(zhǔn)信息模型的數(shù)據(jù)映射機(jī)制，能夠全面支持截面時效非線性分析過程中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換、信息集成、信息存儲、信息計算以及信息的交流與共享.應(yīng)用這些模型，將考慮環(huán)境、荷載和內(nèi)部因素影響的材料耐久性劣化理論應(yīng)用于混凝土?xí)r效本構(gòu)關(guān)系模型的擬合和截面時效非線性分析，得到截面的時效全過程模型，用于研究構(gòu)件截面在環(huán)境、荷載和內(nèi)部因素作用下力學(xué)性能隨時間的劣化規(guī)律以及評估構(gòu)件的耐久性水平.

1 基于BIM的混凝土?xí)r效本構(gòu)關(guān)系擬合

將BIM技術(shù)應(yīng)用于具體工程階段，主要包括信息模型的建立、理論成果的集成和信息模型應(yīng)用模式的開發(fā)3個主要問題［10］.建立信息模型需要相關(guān)原始工程數(shù)據(jù)的種類、關(guān)系、層次以及這些數(shù)據(jù)在IFC模型中的表達(dá)方式，確定表達(dá)這些信息的模型名稱和數(shù)據(jù)類型、建立數(shù)據(jù)關(guān)系并建立與IFC模型的映射規(guī)則，形成滿足特定工序數(shù)據(jù)需求的信息模型基本結(jié)構(gòu)［14］;理論模型的集成是將領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)的理論研究成果進(jìn)行規(guī)范化修正，用建模語言集成于信息模型的行為函數(shù)中，信息模型可以通過這些行為函數(shù)提取數(shù)據(jù)實現(xiàn)具體工序和功能［15］;模型應(yīng)用模式是應(yīng)用上述建立的信息模型和行為函數(shù)實現(xiàn)信息提取、整合、轉(zhuǎn)化、存儲、結(jié)成和共享等操作的具體規(guī)則［16］.

目前國內(nèi)外采用的本構(gòu)關(guān)系模型形式各異，但其本質(zhì)都是應(yīng)用參數(shù)化的分段函數(shù)表達(dá)本構(gòu)關(guān)系曲線.在BIM的應(yīng)用模式中，采用信息模型對象的方式管理與應(yīng)用本構(gòu)關(guān)系模型，因此根據(jù)本構(gòu)關(guān)系模型的“參數(shù)化分段函數(shù)”的特點，本研究開發(fā)了本構(gòu)關(guān)系信息模型CConstitutive.這里以清華大學(xué)過鎮(zhèn)海［17］建議的典型的參數(shù)化分段函數(shù)本構(gòu)關(guān)系為例說明CConstitutive模型工作原理.

式中:σNc為N次凍融循環(huán)的混凝土峰值壓應(yīng)力;εNc為N次凍融循環(huán)的混凝土峰值壓應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變;a為本構(gòu)關(guān)系曲線上升段形狀的參數(shù);b為本構(gòu)關(guān)系曲線下降段形狀的參數(shù).

CConstitutive模型通過參數(shù) a、b、σNc和 εNc滿足本構(gòu)關(guān)系的信息需求，成員函數(shù) Constitutive(float e)用于在本模型上查找應(yīng)變ε對應(yīng)的應(yīng)力.在運算中，每個CConstitutive對象都描述一個本構(gòu)關(guān)系曲線，能夠根據(jù)需求獲得曲線的所有特征和信息.

實現(xiàn)材料時效本構(gòu)關(guān)系擬合的另一個重要功能模型是時間模型，圖1為時間信息模型結(jié)構(gòu)，時間模型分為時間點模型(CTimePoint)和時間段模型(CTimeLength)，二者派生自抽象模型CTime.

時間點模型表達(dá)絕對時間軸上的時間點，以公歷年、月、日為單位，F(xiàn)ormerPoint和 LaterPoint屬性分別指向與當(dāng)前對象相鄰的前、后時間點對象;成員函數(shù)包括用于計算兩個時間點模型之間的時間段模型長度的GetLengthYear()和GetLengthDay()函數(shù)、用于設(shè)定時間值的SetTimePoint()函數(shù)、用于返回時間點的GetTimePoint()函數(shù)以及用于訪問當(dāng)前時間節(jié)點的工程屬性的AccessObject()函數(shù)，其中 GetLengthYear()和 GetLengthDay()返回值的符號反映目標(biāo)時間點和當(dāng)前時間點先后關(guān)系.

時間段模型反映時間段的長度，可以在天、月和年3種單位間轉(zhuǎn)換，StartPoint屬性引用一個外部時間點對象作為起始點，Connected屬性引用一個時間段對象，表達(dá)當(dāng)前對象以被引用對象的結(jié)束點為起點;成員函數(shù)ConvertUnit()用于轉(zhuǎn)化與設(shè)定模型度量單位，GetEndPoint()根據(jù)StartPoint屬性和時間段長度計算并返回時間段終點時間點對象.

圖1 時間模型結(jié)構(gòu)

進(jìn)行基于BIM技術(shù)的混凝土本構(gòu)關(guān)系時效分析過程的實質(zhì)是建立信息模型CConstitutive的對象，相關(guān)的信息模型結(jié)構(gòu)見圖2.CConstitutive模型存儲了分析方法、理論模型、材料模型和分析結(jié)果，所建立的CConstitutive對象可以被后續(xù)分析過程共享與應(yīng)用.建立CConstitutive對象的過程封裝于在材料信息模型CMaterial的成員函數(shù)CreateConstitutive(tPoint:CTimePoint)，該函數(shù)根據(jù)環(huán)境、荷載和材料信息，應(yīng)用材料耐久性劣化理論模型擬合實參cTimePoint提供的時間點處的本構(gòu)關(guān)系模型，工作原理如下:

1)訪問CMaterial的屬性m－pParameters所引用的CMaterialParameterSet對象，提取該對象的屬性m－pParameters－＞m－fWCRatio和m－pParameters－＞m－fFreezeThawFrequency，分別存放到本地變量k1，k2中.

2)訪問屬性m－pBirthday所引用的 CTime-Point對象，將本函數(shù)的實參對象 tPoint與 mpBirthday所指向的對象進(jìn)行對象的差運算(運算規(guī)則在CTimePoint類中定義)，獲得對象的服役時間，存放于本地參數(shù)k3.

3)k2*k3得到實際凍融循環(huán)次數(shù)N，根據(jù)k1，k2，k3 擬合本構(gòu)關(guān)系中參數(shù) a 與 b.馬彬等［18］通過不同尺寸、配比和環(huán)境下的大量凍融循環(huán)實驗數(shù)據(jù)偶合而提出了N次凍融循環(huán)后過鎮(zhèn)海本構(gòu)關(guān)系模型中的參數(shù)a，b的取值方法，其研究的條件與本研究解決的問題一致，因此將其研究成果集成應(yīng)用于信息模型中.

式中:a為本構(gòu)關(guān)系曲線上升段形狀的參數(shù);b為本構(gòu)關(guān)系曲線下降段形狀的參數(shù);w/c為混凝土水灰比;N為凍融循環(huán)次數(shù).

4)創(chuàng)建CConstitutiveParameterSet對象，取名為Constitutive－1，分配GlobalID 值.將a、b、當(dāng)前CMaterial的地址、實參CTimePoint地址值分別交給Constitutive－1.m－fa、Constitutive－1.m－fb、Constitutive－1.m－pMaterial和 Constitutive－1.m－pAge.

圖2 混凝土?xí)r效本構(gòu)關(guān)系擬合模型結(jié)構(gòu)

CConstitutive模型的時間屬性表明了該本構(gòu)關(guān)系的時間節(jié)點，材料屬性表明了該本構(gòu)關(guān)系所屬于的混凝土材料.一個混凝土對象可以有許多時效本構(gòu)關(guān)系模型對象，每個本構(gòu)關(guān)系模型對象只反映一個時間點.為了驗證該方法是否能夠合理擬合混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)行了混凝土在侵蝕作用下的材性實驗來比較應(yīng)用BIM技術(shù)擬合的時效本構(gòu)關(guān)系與實驗測得的本構(gòu)關(guān)系的符合程度，混凝土材性實驗見表1.

表1 混凝土配合比

共制備 A、B兩類試件，其水灰比分別為0.50、0.55.每一類試件包括5組共計10個立方體試件，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.試驗采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氯化鈉溶液和5%的硫酸鈉溶液組成的混合溶液作為侵蝕介質(zhì).凍融試驗依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》［19］中的快凍法.試件養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，其中帶模養(yǎng)護(hù)1 d，拆模后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)23 d，之后將試件在20±3℃的混合侵蝕性溶液中浸泡4 d后開始凍融試驗.對各組試件分別進(jìn)行0、50、100、150、200次凍融循環(huán).凍融循環(huán)結(jié)束后，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［20］中之規(guī)定進(jìn)行混凝土試塊的力學(xué)性能試驗.實驗結(jié)果和通過BIM擬合的本構(gòu)關(guān)系模型見圖3.

圖3 混凝土本構(gòu)關(guān)系模型分析與試驗結(jié)果對比

圖3表明通過BIM技術(shù)擬合的混凝土在侵蝕環(huán)境和凍融作用綜合作用下的本構(gòu)關(guān)系與實驗測得的本構(gòu)關(guān)系基本一致，分析結(jié)果可以用于后續(xù)的截面時效非線性分析.在應(yīng)用BIM的過程中還可以發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的手動擬合方法相比，BIM技術(shù)通過信息的自動提取、轉(zhuǎn)化和運算應(yīng)用，顯著提高了分析擬合的效率和準(zhǔn)確性，適用于實際工程中大量構(gòu)件分析的應(yīng)用.

2 基于BIM技術(shù)的截面時效非線性分析

截面時效非線性分析相關(guān)模型的建立、理論模型的集成和信息模型應(yīng)用模式的開發(fā)過程與時效本構(gòu)關(guān)系擬合相似，只是內(nèi)容有所不同，因此不再贅述開發(fā)過程.建立了C++信息模型37個，包括200多個數(shù)據(jù)成員和29個核心功能函數(shù)，圖4所示為截面時效非線性分析信息模型主體結(jié)構(gòu)的框架，其中各個對象和數(shù)據(jù)成員的語義在表2進(jìn)行了說明.下面說明信息模型如何實現(xiàn)截面時效非線性分析的功能.

圖4 截面時效非線性分析信息模型結(jié)構(gòu)

圖5 信息模型與實體對象的對應(yīng)關(guān)系

在進(jìn)行非線性分析時，需要指定分析的時間節(jié)點，時間節(jié)點以實參的方式交給信息模型的行為函數(shù)，模型提取材料在指定時間點處的本構(gòu)關(guān)系用于非線性分析.圖4中構(gòu)件模型CComponent的屬性m－pCrossSections為1至n個CCrossSection對象，每個CCrossSection對象描述一個特征截面，圖5(a)所示的一個名稱為Beam－1的CComponent對象包含的3個特征截面，分別用名稱為 CrossSection－1、CrossSection－2、CrossSection－3的3個CCrossSection對象描述.

表2 截面時效非線性分析信息模型語義

截面模型CCrossSection除了表達(dá)截面的幾何信息外，通過屬性 m－pMaterial引用 1至 n個CMaterial對象，每個對象表達(dá)該截面包括的一種材料，圖5(b)所示Section－1截面由3種材料組成，包括一種混凝土和兩種鋼筋.

CSectionWholeProcess模型用于表達(dá)截面在特定時間節(jié)點處的內(nèi)力－變形全過程曲線，該模型引用CTimePoint模型作為m－pTimePoint屬性，表達(dá)非線性分析進(jìn)行的時間節(jié)點;引用CCrossSection模型作為m－pSection屬性，表達(dá)非線性分析的目標(biāo)截面.應(yīng)用BIM技術(shù)對截面進(jìn)行分線性分析的過程的實質(zhì)是建立CSectionWholeProcess模型的對象，該對象存儲了分方法、目標(biāo)截面以及分析結(jié)果.

截面非線性分析的過程封裝于截面模型CCrossSection的成員函數(shù) NonLinearAnalysis()中，該函數(shù)的全部聲明為CSectionWholeProcess*NonLinearAnalysis(CTimePoint timePoint)，其功能實現(xiàn)的過程為:

1)訪問屬性m－pMaterial中描述本截面所用混凝土材料的CMaterial對象，獲得混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系庫.根據(jù)輸入?yún)?shù)timePoint的值獲取本構(gòu)關(guān)系庫中timePoint時間節(jié)點對應(yīng)的CConstitutive對象，constitutive－t，該對象存儲的是混凝土材料在齡期為timePoint處的本構(gòu)關(guān)系分析結(jié)果，是根據(jù)工作條件和劣化規(guī)律分析獲得的，采用這個本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析，可以得到在該時間節(jié)點處的全過程曲線.

2)同理獲得時間節(jié)點為timePoint處的鋼筋本構(gòu)關(guān)系.

3)應(yīng)用葉英華等［21］建立的混凝土截面非線性分析方法的FORTRAN程序，并將 FORTRAN與C++模型行為函數(shù)混編，將模型數(shù)據(jù)輸入分析函數(shù)，經(jīng)過分析生成輸出文件.

4)打開并解析輸出文件，將其中的內(nèi)力－變形的數(shù)據(jù)提取.創(chuàng)建CSectionWholeProcess對象，將timePoint的值交給其 m－pTimePoint屬性，將CCrossSection對象指針交給m－pSection屬性.將內(nèi)力－變形的數(shù)據(jù)交給屬性m－ArrayM和m－ArrayDisplayment.

至此實現(xiàn)了截面在時間點timePoint處的非線性分析，可以選取不同的timtPoint的值來指定分析的時間節(jié)點.分析結(jié)果為CSectionWholeProcess對象，這些對象和其他對象一樣被軟件系統(tǒng)存儲、交換和管理，能夠靈活地被其他下游應(yīng)用程序和模型訪問和應(yīng)用，適用于批量構(gòu)件的截面分析.

3 實例應(yīng)用

應(yīng)用本研究開發(fā)的信息模型和模型應(yīng)用方法建立了軟件系統(tǒng)功能模式，混凝土截面時效非線性分析相關(guān)信息模型位于4D耐久信息模型庫內(nèi)，模型映射接口從存儲工程全生命期完整數(shù)據(jù)的IFC文件自動提取進(jìn)行截面時效非線性分析的原始數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為截面時效非線性分析模型存放到信息模型數(shù)據(jù)庫;耐久性分析功能模塊調(diào)用這些模型實現(xiàn)分析過程并將結(jié)果輸出到用戶界面，圖6所示為應(yīng)用混凝土截面時效非線性分析信息模型開發(fā)的非線性分析軟件系統(tǒng)NLAS(Non－Linear Analysis System)，左側(cè)為構(gòu)件信息管理區(qū)，現(xiàn)實從IFC文件中提取進(jìn)行截面時效分線性分析的原始數(shù)據(jù)，用戶可以查看并根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新，通過反向映射IFC文件也被隨時更新;界面左下窗口輸出混凝土本構(gòu)關(guān)系時效擬合結(jié)果;截面右下窗口輸出截面時效非線性分析得到的截面內(nèi)力－變形全過程曲線.

為了驗證NLAS系統(tǒng)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力實驗，腐蝕環(huán)境下混凝土梁在100、150、200次凍融循環(huán)的極限承載力實驗結(jié)果與應(yīng)用NLAS系統(tǒng)分析的結(jié)果見表3，數(shù)據(jù)表明誤差均在20%以內(nèi)，能夠完成預(yù)期的分析目標(biāo)，NLAS系統(tǒng)還能夠給出在各個時間節(jié)點的位移－荷載截面全過程曲線，見圖7.

圖6 NLAS系統(tǒng)用戶截面

圖7 考慮內(nèi)部、外部因素共同作用下截面時效非線性分析

表3 腐蝕梁抗彎承載力計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較

4 結(jié)論

1)在應(yīng)用層面，建立了相關(guān)模型和工作機(jī)制，并開發(fā)了軟件系統(tǒng)NLAS，通過對比分析實驗數(shù)據(jù)和NLAS系統(tǒng)的分析結(jié)果驗證了研究成果能夠有效地支持混凝土截面時效非線性分析過程中大量信息的頻繁提取、轉(zhuǎn)換、集成、存儲和處理等操作，并能提高其效率和準(zhǔn)確度.

2)在理論層面，應(yīng)用BIM技術(shù)將考慮環(huán)境、荷載和內(nèi)部因素影響的材料耐久性劣化理論模型應(yīng)用到本構(gòu)關(guān)系擬合與非線性分析中，實現(xiàn)了多元化理論模型的協(xié)同工作，不但可以促進(jìn)理論研究的發(fā)展，還能促進(jìn)理論研究成果的應(yīng)用和推廣.

3)從BIM推廣層面，所提出的BIM技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)時效非線性分析領(lǐng)域推廣應(yīng)用的探索過程和開發(fā)方法同樣也適用于在建設(shè)工程的其他領(lǐng)域中BIM技術(shù)的推廣，加快了實現(xiàn)全生命期信息管理的進(jìn)程.

后續(xù)工作重點將放在把考慮更多影響因素的耐久性理論模型通過BIM技術(shù)整合至截面時效非線性分析信息模型，使分析結(jié)果更符合實際情況;并進(jìn)一步探索將混凝土截面時效非線性分析結(jié)果應(yīng)用在基于BIM技術(shù)的建筑工程耐久性評估方法中.

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