基于BIM技術(shù)的大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性 檢測方法研究

田國鋒 王學(xué)民 郭慧娟

摘? 要： 針對現(xiàn)有大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性檢測方法執(zhí)行效率低、檢測精度低等問題，設(shè)計(jì)基于BIM技術(shù)的大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性檢測方法。首先以大型建筑鋼結(jié)構(gòu)為研究對象，運(yùn)用BIM技術(shù)建立合理的建筑鋼結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)用于描述極限狀態(tài)，以極限狀態(tài)方程為約束條件構(gòu)建大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性分析約束優(yōu)化模型。其次使用曾廣乘子法將約束優(yōu)化模型轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束優(yōu)化模型，使用模擬退火算法對該模型進(jìn)行求解。最后模擬大型建筑鋼結(jié)構(gòu)形變狀態(tài)設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與同類檢測方法相比，應(yīng)用基于BIM技術(shù)的大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性檢測方法后，檢測精度提升97.77%以上，有效緩解了檢測效率低下情況。

關(guān)鍵詞： 大型鋼結(jié)構(gòu); 可靠性檢測; BIM技術(shù); 無約束優(yōu)化模型; 參數(shù)設(shè)定; 對比驗(yàn)證

中圖分類號： TN957?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）06?0090?03

Research on large?scale steel structure building reliability detection

method based on BIM technology

TIAN Guofeng， WANG Xuemin， GUO Huijuan

（Hebei University of Water Resources and Electric Engineering， Cangzhou 061000， China）

Abstract： As the low execution efficiency and detection precision of reliability detection methods for existing large?scale steel structure buildings， a large?scale steel structure building reliability detection method based on BIM technology is designed. The large?scale building steel structure is taken as the research object， and the functional function of the reasonable building steel structure is established with BIM technology to describe the limit state， and the constraint optimization model for reliability analysis of large steel structures is built taken the limit state equation as the constraint condition. The constrained optimization model is transformed into the unconstrained optimization model by means of the augmented multiplier method， which is solved by means of the simulated annealing algorithm. A comparative experiment to simulate the deformation state of large?scale building steel structure is designed. The experimental results show that， in comparison with the similar detection methods， after the application of BIM technology based reliability detection method for large?scale steel structure buildings， the detection precision is improved to more than 97.77%， which effectively alleviates the detection inefficiency.

Keywords： large?scale steel structure; reliability detection; BIM technology; unconstrained optimization model; parameter setting; comparison validation

0? 引? 言

在實(shí)際工程中，由于受眾多外界因素的影響，大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何參數(shù)與設(shè)計(jì)理想值的偏離度較大。在設(shè)計(jì)階段有效分析外界影響因素對大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的影響，需要通過可靠性檢測來判斷大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的承載能力[1?2]。

關(guān)于大型鋼結(jié)構(gòu)建筑的可靠性檢測，國內(nèi)外很多學(xué)者都進(jìn)行了大量的探索，例如熊殿華等人針對大型建筑結(jié)構(gòu)的分析，依據(jù)大型建筑鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)分析所形成的影響程度，結(jié)合粗糙集理論建立鋼結(jié)構(gòu)模型[3]。對該模型的不確定性進(jìn)行區(qū)間描述，結(jié)合可靠性區(qū)間分析方法以及粗糙集變量功能函數(shù)創(chuàng)建建筑鋼結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)評價(jià)方式，實(shí)現(xiàn)大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性檢測性能的提升。該方法存在的弊端是：如果功能函數(shù)較為復(fù)雜，將會導(dǎo)致整個(gè)檢測結(jié)果誤差較大。盧巍等人充分考慮影響大型建筑鋼結(jié)構(gòu)可靠性因素之間的關(guān)聯(lián)性[4]，引入網(wǎng)絡(luò)分析法進(jìn)行相關(guān)可靠性因素權(quán)重的計(jì)算，創(chuàng)建影響鋼結(jié)構(gòu)可靠性因素的模糊隸屬度矩陣，進(jìn)而對大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行檢測。該方法存在的弊端是執(zhí)行效率較低。成宏等考慮到大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的材料關(guān)聯(lián)性對鋼結(jié)構(gòu)可靠性指數(shù)的影響[5]，采用有限元分析法建立大型建筑鋼結(jié)構(gòu)模型，該模型能有效體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可靠性。范興朗通過點(diǎn)估計(jì)法獲取功能函數(shù)的概率密度函數(shù)，并依據(jù)大型建筑鋼結(jié)構(gòu)可靠性的定義計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)失效概率，進(jìn)行可靠性檢測[6]。該方法存在的弊端是測量精度有限。

為解決上述存在的問題，本文引入BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)了大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性檢測方法。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的精度、效率以及穩(wěn)定性。

1? 鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性分析無約束優(yōu)化模型

建筑鋼結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)實(shí)質(zhì)是鋼結(jié)構(gòu)承載過程中可靠與不可靠的臨界狀態(tài)。根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)的支撐狀態(tài)是否達(dá)到臨界值來對建筑結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行分析與檢測。前提條件是獲取能準(zhǔn)確描述鋼結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，來描述其極限狀態(tài)[7]。

將建筑鋼結(jié)構(gòu)功能函數(shù)描述為：

式中：[R]表示大型建筑鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;[S]表示該結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力值。

設(shè)大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的可靠概率為[Pr]，失效概率為[Pf]，兩者之間和事件是必然事件，存在以下關(guān)系：

由式（4）即可獲得大型建筑鋼結(jié)構(gòu)失效概率[Pf]與[β]之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，將[β]視為結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)。運(yùn)用BIM技術(shù)，構(gòu)建優(yōu)化模型：

式中：[M]用于描述適應(yīng)度;[X=[X1，X2，…，Xn]];[μv]和[σv]分別表示[Xv]相應(yīng)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

式（5）為含有[m]個(gè)約束項(xiàng)[gj（X）]的模型，可采用曾廣乘子法將式（5）轉(zhuǎn)換為無約束優(yōu)化模型，即：

式中：[Mλ]用于描述無約束優(yōu)化模型的適應(yīng)度;[r]表示懲罰因子;[λ=[λ1，…，λm]]表示Lagrange算子;等式右邊第二項(xiàng)表示懲罰項(xiàng)，第三項(xiàng)表示乘子項(xiàng)。

采用曾廣乘子法無需懲罰因子趨于無窮大，需選取一個(gè)較大的值或是根據(jù)一定比例逐漸增加[8]。

2? 無約束優(yōu)化模型求解

模擬退火算法采用輔助分布和多重馬爾科夫鏈，等同于吉布斯采樣器[9?10]，同時(shí)吉布斯分布又被稱之為玻爾茲曼分布，其表達(dá)式描述如下：

式中：[i]用于描述迭代次數(shù);[Z]表示正則化參數(shù);[U（i）]表示玻爾茲曼常數(shù);[T]表示溫度;[E（i）]表示系統(tǒng)能量。

采用模擬退火算法對模型進(jìn)行求解，利用[μ-1]計(jì)算迭代步長：

式中：變量元素[Xrand]與變量[X]元素的數(shù)量等同，且全部元素是處于區(qū)間[[-1，1]]內(nèi)的隨機(jī)變量;[sgn（·）]表示符號函數(shù)。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)采用Ribbon檢測硬件、Geomagic Qualify檢測軟件的仿真計(jì)算機(jī)，對大型建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，通過施加載的方式，模擬大型建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，以此對其可靠性進(jìn)行檢測。為了確保以實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)有效，對相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如表1所示。

表1中，參數(shù)APP用于描述大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性檢測處理系數(shù)，參數(shù)ETL用于描述執(zhí)行效率上限，參數(shù)SCC用于描述結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)檢測系數(shù)，參數(shù)LFA表示大型鋼結(jié)構(gòu)可靠性測量精度極限。參數(shù)ELL用于描述實(shí)驗(yàn)時(shí)間。為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)、有效，實(shí)驗(yàn)組、對照組參數(shù)選取一致。記錄給定時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對照組結(jié)構(gòu)可靠性檢測方法執(zhí)行效率的變化趨勢，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

分析圖1、圖2可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，實(shí)驗(yàn)組?本文檢測方法對應(yīng)的執(zhí)行效率呈現(xiàn)出先上升后下降一些，再上升的趨勢，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至50 min時(shí)，本文檢測方法對應(yīng)的執(zhí)行效率約達(dá)到78.45%，比上限值高出3%;對照組?文獻(xiàn)[4]方法對應(yīng)的執(zhí)行效率呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至50 min時(shí)，對照組文獻(xiàn)[4]方法對應(yīng)的執(zhí)行效率達(dá)到70.21%，比上限值低5.24%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本文方法。

分析圖2可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的不斷增加，本文檢測方法對應(yīng)的執(zhí)行效率逐漸呈現(xiàn)出先下降后上升最后下降的變化趨勢;實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至17.3 min時(shí)，本文方法對應(yīng)的執(zhí)行效率達(dá)到79.25%，比上限值高出9.00%;對照組?文獻(xiàn)[4]方法對應(yīng)的執(zhí)行效率呈現(xiàn)出先上升后下降循環(huán)出現(xiàn)的變化趨勢，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至25.5 min時(shí)，對照組?文獻(xiàn)[4]方法檢測效率達(dá)到最大60.90%，遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)組?本文方法。分別記錄在給定實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，本文方法、文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性分析精度的變化結(jié)果，具體對比結(jié)果如表2、表3所示。

分析表2、表3結(jié)果可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，實(shí)驗(yàn)組本文方法的檢測精度逐漸呈現(xiàn)出先上升后穩(wěn)定的變化趨勢，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間增加至50 min時(shí)，本文方法檢測精度達(dá)到最大值97.77%，文獻(xiàn)[4]方法檢測精度達(dá)到最大值92.36%，遠(yuǎn)低于本文方法。

4? 結(jié)? 語

基于BIM技術(shù)將模擬退火算法用于大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性檢測。研究結(jié)果表明，本文方法用于大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性分析檢測具有較高的檢測精度和執(zhí)行效率。本文采用模擬退火算法求解了大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的可靠性指標(biāo)，求解結(jié)果與傳統(tǒng)檢測方法相比，更加快速精準(zhǔn)。未來，將不斷提升建筑結(jié)構(gòu)可靠性檢測方法對于可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)的處理精度，并構(gòu)建更完善的大型鋼結(jié)構(gòu)建筑可靠性檢測方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 于艷春，李建操，陳衛(wèi)東，等.有限體積法的實(shí)體結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，38（9）：1413?1419.

[2] 李正川，王星星，李航，等.基于最佳側(cè)移剛度分布的鋼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法[J].工程抗震與加固改造，2018，40（6）：104?109.

[3] 熊殿華，文常保.建筑可靠性的非線性粗糙多變量不確定分析[J].控制工程，2017，24（7）：1481?1485.

[4] 盧巍，何洪明，劉興旺，等.基于ANP的既有建筑結(jié)構(gòu)可靠性模糊綜合評價(jià)[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，40（2）：119?122.

[5] 成宏，唐壽高.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性的可靠性評估[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，48（4）：657?662.

[6] 范興朗，董玲瓏，吳熙.基于廣義Lambda分布逼近的結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算方法[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2017，34（4）：417?421.

[7] 王元清，廖小偉，周暉，等.基于SINTAP?FAD方法的含裂紋缺陷鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全性評定研究[J].工程力學(xué)，2017，34（5）：49?58.

[8] 崔路苗，部志宇.地震區(qū)居民建筑鋼結(jié)構(gòu)極限承載力測試與分析[J].地震工程學(xué)報(bào)，2018，40（1）：54?59.

[9] 呂國軍，張合，孫麗娜，等.廊坊市重要建筑物易損性分析[J].地震研究，2017，40（4）：638?645.

[10] 張興奇，郝紅福，李德軍，等.北京中弘大廈鋼結(jié)構(gòu)工程BIM技術(shù)應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2017（z1）：366?369.