基于BIM數(shù)據(jù)的建筑抗震彈塑性分析建模技術(shù)

曾翔+陸新征+許鎮(zhèn)

摘要： 針對建筑信息模型（Building Information Model， BIM）的共享數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為IFC標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)有軟件導(dǎo)出的IFC格式模型缺少關(guān)鍵數(shù)據(jù)，不能滿足結(jié)構(gòu)非線性抗震分析數(shù)據(jù)需求的問題，提出建筑抗震彈塑性分析數(shù)據(jù)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的表達方法，編寫C++轉(zhuǎn)換程序?qū)IM包含的數(shù)據(jù)正確地轉(zhuǎn)換成不同軟件（如Marc和OpenSees等）的模型，從而可以使用不同的結(jié)構(gòu)分析軟件實現(xiàn)建筑抗震彈塑性分析.該方法為基于BIM數(shù)據(jù)實現(xiàn)建筑抗震彈塑性分析提供參考.

關(guān)鍵詞： 建筑抗震分析； 纖維模型； 結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)換； IFC標(biāo)準(zhǔn)； IFC子信息模型； 前處理

中圖分類號： TU318文獻標(biāo)志碼： B

Abstract： The data sharing standard of BIM （Building Information Model） is IFC. However， the IFC models exported by the current softwares lack some key data， which cannot satisfy the data requirements for nonlinear structural aseismic analysis. Therefore， the building aseismic elastoplastic analysis data expression method is proposed on the basis of IFC standard ； a conversion program is developed by C++， which can correctly convert the BIM data into the structural analytical models of different softwares（e.g. Marc， OpenSees， etc.）； so the building aseismic elastoplastic analysis can be performed by different kinds of structural analysis softwares. The method can provide reference for the building aseismic elastoplastic analysis based on BIM data.

Key words： building aseismic analysis； fiber model； structural information conversion； IFC standard； IFC submodel； preprocessing

0引言

隨著城市化的發(fā)展，地震對經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的潛在威脅越來越嚴重，城市建筑震害預(yù)測成為防災(zāi)減災(zāi)的重要方面之一.城市區(qū)域內(nèi)的建筑群震害預(yù)測包含2個層次：宏觀層次和微觀層次.宏觀層次模型[1]將建筑抽象為具有一個或少數(shù)個自由度的結(jié)構(gòu)，進行不同烈度下的地震損失分析預(yù)測.微觀層次模型[2]建立建筑物更加精細化的分析模型（例如桿系模型等），可以考慮結(jié)構(gòu)足夠多的自由度和精確的動力特性，進行高精度的震害分析預(yù)測.

城市建筑震害預(yù)測需要獲取和存儲城市建筑的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，若只是建立宏觀層次模型，則只需要建筑面積、年代、層數(shù)和結(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)測已經(jīng)有一定的研究基礎(chǔ).[3]建立微觀層次的精細化模型需要更詳細的數(shù)據(jù)，如梁柱的尺寸和配筋等，若采用手動方法建立精細化模型，不僅工作量太大，還容易出錯，特別是對于某些開源的有限元軟件（如OpenSees），由于沒有前處理界面，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數(shù)據(jù)，自動建模供計算模塊進行分析計算.然而，不同軟件生成的建筑數(shù)字化模型其數(shù)據(jù)格式不同，而計算模塊也可能由不同的結(jié)構(gòu)分析軟件組成（如Marc和OpenSees等）.因此，需要采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以實現(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)字化模型是未來發(fā)展的重要方向.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標(biāo)準(zhǔn)交換數(shù)據(jù).研究表明，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和共享還不十分成熟.[4]張劍濤等[5]和劉照球等[67]開發(fā)IFC與PKPM結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，初步實現(xiàn)兩者的幾何和材料等信息的轉(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，以IFC為通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，實現(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.這類研究尚處于起步階段，目前僅實現(xiàn)SATWE，ETABS和SAP2000等軟件與IFC標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換接口，所能實現(xiàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也僅限于幾何和材料等信息.

因此，能否利用BIM的共享性，解決城市建筑震害預(yù)測的數(shù)據(jù)獲取以及自動建模問題，具有重要的研究價值.

1建筑震害分析和數(shù)據(jù)需求

對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化計算模型.不少軟件都具備建筑抗震彈塑性分析能力，其中2類典型的軟件是Marc和OpenSees.

由于城市建筑信息以單體建筑為基礎(chǔ)，因此，本文利用C++編寫模型轉(zhuǎn)換程序，從一個單體鋼筋混凝土建筑的數(shù)字化模型（IFC格式）中，提取建筑震害分析所需的信息，自動生成Marc和OpenSees軟件模型，驗證轉(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)，分析流程見圖1.

1.1Marc和OpenSees軟件

Marc是一款功能齊全的高級非線性通用有限元軟件.[8]用Marc進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)土木工程系陸新征等[9]利用Marc提供的二次開發(fā)接口，編寫THUFIBER程序，使Marc能對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行纖維模型計算.THUFIBER將混凝土構(gòu)件的截面分為36個混凝土纖維以及4個鋼筋纖維（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.對每根纖維定義特定的本構(gòu)關(guān)系，便可以進行不同精度的有限元分析.

OpenSees是能夠進行結(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其運行機制，并能根據(jù)自身需求進行二次開發(fā)，因此，OpenSees是進行建筑震害研究的重要工具.在OpenSees中，混凝土梁柱也用纖維模型模擬.

選用上述2種軟件進行震害分析，可以同時利用商業(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

為從IFC文件中提取足夠的信息，以自動生成Marc和OpenSees結(jié)構(gòu)模型，需要全面了解這2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2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、材料信息和載荷等；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)和每個增量步的時間步長等，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現(xiàn)這類參數(shù)的調(diào)整.因此，應(yīng)該重點關(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2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，見表1.

5結(jié)束語

從建筑震害分析的數(shù)據(jù)需求出發(fā)，逐一分析這些數(shù)據(jù)需求在IFC 4中的表達方法，建立完整的IFC 4結(jié)構(gòu)分析子信息模型.利用該子信息模型，就能通過IFC 4標(biāo)準(zhǔn)描述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IFC 4結(jié)構(gòu)分析子信息模型以及Marc和OpenSees的建模規(guī)則，編寫模型轉(zhuǎn)換程序，實現(xiàn)節(jié)點、構(gòu)件、載荷、支座約束、材料和截面幾何等所有抗震分析所必要的信息的正確轉(zhuǎn)換，進行IFC文件到Marc和OpenSees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，擴展本文建立的IFC 4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表達方法等.

參考文獻：

[1]韓博， 陸新征， 許鎮(zhèn)， 等. 基于高性能GPU計算的城市建筑群震害模擬[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報， 2012， 21（5）： 1622.

[2]盧嘯， 陸新征， 張萬開， 等. 特大地震下超高層建筑的倒塌模擬[J]. 中國科學(xué)： 技術(shù)科學(xué)， 2011， 41（11）： 14051416.

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[6]劉照球， 李云貴， 呂西林， 等. 建筑結(jié)構(gòu)信息集成的程序?qū)崿F(xiàn)[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2009， 25（3）： 467473.

[7]劉照球， 李云貴， 呂西林， 等. 基于BIM 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模型集成框架應(yīng)用開發(fā)[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2010， 38（7）： 948953.

[8]蔣學(xué)武， 吳新躍， 朱石堅. 綜合應(yīng)用UG， HyperMesh和MSC Marc軟件進行有限元分析[J]. 計算機輔助工程， 2007， 16（2）： 1114.

[9]陸新征， 葉列平， 繆志偉， 等. 建筑抗震彈塑性分析： 原理、模型與在Abaqus，MSC Marc和SAP2000上的實踐[M]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2009： 143162.

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[12]張洋. 基于BIM的建筑工程信息集成與管理研究[D]. 北京： 清華大學(xué)， 2009.

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[15]Data modelling using EXPRESSG for IFC development[EB/OL]. （20130310）[20130701].http：//www.stanford.edu/group/narratives/classes/0809/CEE215/ReferenceLibrary/Industry%20Foundation%20Classes%20（IFC）/IFC%20General/Data_Modelling_Using_EXPRESSG_for_IFC_Development.pdf.

[16]鄒積麟. 空間RC框架結(jié)構(gòu)全過程靜力彈塑性分析[D]. 北京： 清華大學(xué)， 2001.（編輯武曉英）

1.1Marc和OpenSees軟件

Marc是一款功能齊全的高級非線性通用有限元軟件.[8]用Marc進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)土木工程系陸新征等[9]利用Marc提供的二次開發(fā)接口，編寫THUFIBER程序，使Marc能對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行纖維模型計算.THUFIBER將混凝土構(gòu)件的截面分為36個混凝土纖維以及4個鋼筋纖維（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.對每根纖維定義特定的本構(gòu)關(guān)系，便可以進行不同精度的有限元分析.

OpenSees是能夠進行結(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其運行機制，并能根據(jù)自身需求進行二次開發(fā)，因此，OpenSees是進行建筑震害研究的重要工具.在OpenSees中，混凝土梁柱也用纖維模型模擬.

選用上述2種軟件進行震害分析，可以同時利用商業(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

為從IFC文件中提取足夠的信息，以自動生成Marc和OpenSees結(jié)構(gòu)模型，需要全面了解這2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2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、材料信息和載荷等；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)和每個增量步的時間步長等，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現(xiàn)這類參數(shù)的調(diào)整.因此，應(yīng)該重點關(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2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，見表1.

5結(jié)束語

從建筑震害分析的數(shù)據(jù)需求出發(fā)，逐一分析這些數(shù)據(jù)需求在IFC 4中的表達方法，建立完整的IFC 4結(jié)構(gòu)分析子信息模型.利用該子信息模型，就能通過IFC 4標(biāo)準(zhǔn)描述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IFC 4結(jié)構(gòu)分析子信息模型以及Marc和OpenSees的建模規(guī)則，編寫模型轉(zhuǎn)換程序，實現(xiàn)節(jié)點、構(gòu)件、載荷、支座約束、材料和截面幾何等所有抗震分析所必要的信息的正確轉(zhuǎn)換，進行IFC文件到Marc和OpenSees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，擴展本文建立的IFC 4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表達方法等.

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[14]WAN Caiyun， CHEN P H， TIONG R L K. Assessment of IFCS for structural analysis domain[J]. Inform Technol Construction， 2004（9）： 7595.

[15]Data modelling using EXPRESSG for IFC development[EB/OL]. （20130310）[20130701].http：//www.stanford.edu/group/narratives/classes/0809/CEE215/ReferenceLibrary/Industry%20Foundation%20Classes%20（IFC）/IFC%20General/Data_Modelling_Using_EXPRESSG_for_IFC_Development.pdf.

[16]鄒積麟. 空間RC框架結(jié)構(gòu)全過程靜力彈塑性分析[D]. 北京： 清華大學(xué)， 2001.（編輯武曉英）

1.1Marc和OpenSees軟件

Marc是一款功能齊全的高級非線性通用有限元軟件.[8]用Marc進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)土木工程系陸新征等[9]利用Marc提供的二次開發(fā)接口，編寫THUFIBER程序，使Marc能對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行纖維模型計算.THUFIBER將混凝土構(gòu)件的截面分為36個混凝土纖維以及4個鋼筋纖維（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.對每根纖維定義特定的本構(gòu)關(guān)系，便可以進行不同精度的有限元分析.

OpenSees是能夠進行結(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其運行機制，并能根據(jù)自身需求進行二次開發(fā)，因此，OpenSees是進行建筑震害研究的重要工具.在OpenSees中，混凝土梁柱也用纖維模型模擬.

選用上述2種軟件進行震害分析，可以同時利用商業(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

為從IFC文件中提取足夠的信息，以自動生成Marc和OpenSees結(jié)構(gòu)模型，需要全面了解這2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2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、材料信息和載荷等；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)和每個增量步的時間步長等，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現(xiàn)這類參數(shù)的調(diào)整.因此，應(yīng)該重點關(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2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，見表1.

5結(jié)束語

從建筑震害分析的數(shù)據(jù)需求出發(fā)，逐一分析這些數(shù)據(jù)需求在IFC 4中的表達方法，建立完整的IFC 4結(jié)構(gòu)分析子信息模型.利用該子信息模型，就能通過IFC 4標(biāo)準(zhǔn)描述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IFC 4結(jié)構(gòu)分析子信息模型以及Marc和OpenSees的建模規(guī)則，編寫模型轉(zhuǎn)換程序，實現(xiàn)節(jié)點、構(gòu)件、載荷、支座約束、材料和截面幾何等所有抗震分析所必要的信息的正確轉(zhuǎn)換，進行IFC文件到Marc和OpenSees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，擴展本文建立的IFC 4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表達方法等.

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