Revit-ABAQUS 鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換的研究

楊帆YANG Fan；龍宇航LONG Yu-hang；魏國華WEI Guo-hua

（沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，沈陽 110168）

0 引言

隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，復(fù)雜結(jié)構(gòu)越來越多，體量越來越大，往往需要對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)后的成果進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力彈塑性、施工模擬等精細(xì)化有限元分析[1]，因此對建筑結(jié)構(gòu)在有限元分析軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析是十分必要的。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件能夠提供豐富的模型信息和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，一些學(xué)者開展了由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件向有限元分析軟件模型轉(zhuǎn)換的研究。劉慧鵬[2]等開發(fā)了將PKPM 中的模型轉(zhuǎn)換為ABAQUS 有限元參數(shù)模型，從而簡化復(fù)雜高層建筑在ABAQUS 中的建模工作。

近年來，建筑信息模型（Buiding Information Modelling,BIM）技術(shù)在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。其中代表性的Revit軟件作為BIM 模型數(shù)據(jù)共享平臺，擁有強(qiáng)大的參數(shù)化建模能力，得到了廣泛應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)分析能力較弱。一些學(xué)者進(jìn)行了Revit 模型與有限元分析模型信息交互的研究。

宋杰[3]等運(yùn)用Revit API 技術(shù)的模型轉(zhuǎn)換方法，獲取結(jié)構(gòu)分析建模軟件所需的幾何及材質(zhì)信息，從而實(shí)現(xiàn)了Revit 模型轉(zhuǎn)換到ANSYS 分析模型，但僅能進(jìn)行簡單彈性分析，不包含內(nèi)部配筋；王玄玄[4]等基于ACIS 模型轉(zhuǎn)換方法，將Revit 模型轉(zhuǎn)換為ABAQUS 的INP 文件，轉(zhuǎn)換了鋼平臺模架爬升體系，不是結(jié)構(gòu)體系。

上述學(xué)者轉(zhuǎn)換了鋼框架和無配筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，對于實(shí)際復(fù)雜工程中剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)鋼筋的數(shù)據(jù)信息尚未進(jìn)行研究，無法滿足鋼筋混凝土工程結(jié)構(gòu)的精細(xì)化有限元分析需求。為此，本文開展了Revit 中鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)模型與ABAQUS 有限元分析模型間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的研究。

1 Revit 模型數(shù)據(jù)架構(gòu)的研究

Revit 模型中所有數(shù)據(jù)都相互關(guān)聯(lián)，相互依賴[5]，其中結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫下有分析模型和族實(shí)例模型兩中模型形式，分析模型是在族實(shí)例模型基礎(chǔ)上獲得，二者包含了豐富的可用于結(jié)構(gòu)分析的數(shù)據(jù)，如圖1 所示。

圖1 Revit 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2 模型轉(zhuǎn)換思路及流程

2.1 Revit 模型數(shù)據(jù)提取方法的研究

Revit 模型的數(shù)據(jù)提取有IFC 標(biāo)準(zhǔn)和API 接口兩種方式[6-7]。由于IFC 本身存在局限性，在數(shù)據(jù)輸入和輸出時(shí)會造成信息缺失、錯(cuò)誤等問題[8]，API 具有準(zhǔn)確獲取項(xiàng)目工程數(shù)據(jù)并且能引用Revit 內(nèi)置函數(shù)將信息完整的提取等優(yōu)點(diǎn)。本研究基于Revit API 方法進(jìn)行框架剪力墻結(jié)構(gòu)模型信息的提取并在Visual Studio 2017、Revit SDK、和C#.NETFramework4.5 環(huán)境下開發(fā)了RTA-Trans 轉(zhuǎn)換程序。

2.2 轉(zhuǎn)換流程

Revit 模型數(shù)據(jù)形式十分靈活，可以人工建模也可以從其他軟件轉(zhuǎn)換得到。由于不同模型的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不同，各模型中可能存在未生成分析模型、缺少材質(zhì)信息等問題。在模型數(shù)據(jù)提取之前需要對Revit 模型進(jìn)行預(yù)處理，完善模型中缺少的結(jié)構(gòu)分析參數(shù)。首先補(bǔ)充模型中可能缺少的材質(zhì)信息、生成分析模型和工況信息，然后提取標(biāo)準(zhǔn)模型下的結(jié)構(gòu)信息。

Revit 中梁柱實(shí)例均為FamilyInstance 類，墻板分析模型均為AnalyticalModelSurface 類，為準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換模型中所有數(shù)據(jù)，需要詳細(xì)區(qū)分模型內(nèi)部數(shù)據(jù)類型，避免數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。數(shù)據(jù)提取程序?qū)δＰ椭袠?gòu)件的類型進(jìn)行了區(qū)分，通過Revit API 中g(shù)et_Parameter()方法提取“類別”參數(shù)判別該構(gòu)件的類型，從而區(qū)分內(nèi)部數(shù)據(jù)。然后將該類型構(gòu)件其余數(shù)據(jù)整合存儲；數(shù)據(jù)提取完成后將得到的數(shù)據(jù)寫入ABAQUS 中生成模型并做后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析。

3 模型信息提取轉(zhuǎn)換方法

3.1 幾何信息提取

Revit 中生成三維實(shí)體模型的基本方式為由點(diǎn)及線到面最終生成實(shí)體模型，由于實(shí)體模型信息量復(fù)雜，提取節(jié)點(diǎn)相對繁瑣，而分析模型是族實(shí)例模型內(nèi)部生成的構(gòu)件布置、構(gòu)件定位和拓?fù)潢P(guān)系，數(shù)據(jù)構(gòu)成形式相對簡潔。通過GetPoint()方法、GetCurve()方法獲取其中端點(diǎn)坐標(biāo)，刪除重復(fù)節(jié)點(diǎn)得到該模型所有的節(jié)點(diǎn)信息。僅提取節(jié)點(diǎn)信息對結(jié)構(gòu)分析所需要數(shù)據(jù)是不完善的，結(jié)構(gòu)分析必要的信息儲存在實(shí)例模型中，通過get_Parameter()方法獲取其中的截面、構(gòu)件長度等信息。最后合并族實(shí)例模型與分析模型中的兩部分信息組成了Revit 模型中的幾何信息。

3.2 物理力學(xué)屬性信息提取

由于Revit 中建筑結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建形式不同，材質(zhì)提取的方式也不盡相同，梁柱屬于實(shí)例圖元FamilyInstance 類，其材質(zhì)可直接通過Material 類直接獲取，板墻屬于復(fù)合圖元CompoundStructureLayer 類，由裝修、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等層構(gòu)成，需要將其材質(zhì)層轉(zhuǎn)換成Material 類，再訪問PropertySetElement 類獲取構(gòu)件的材質(zhì)名稱、密度、泊松比、彈性模量的信息。

3.3 荷載及邊界條件信息提取

Revit 提供點(diǎn)荷載、線荷載和面荷載，每種荷載形式都能被定義為上述荷載類型，可訪問Revit API 中PointLoad類，LineLoad 類、AreaLoad 類獲取。其中LineLoad 類包含兩個(gè)端點(diǎn)的荷載，AreaLoad 包含了面中每條直線起點(diǎn)和終點(diǎn)的荷載值。

對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的約束有固定，鉸支、滑動和用戶自定義四種，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定構(gòu)件X、Y、Z 三個(gè)方向的平動和轉(zhuǎn)動，然后可訪問Revit API 中Element 類中的Get_Paramater()方法獲取約束條件。最后將信息通過轉(zhuǎn)換程序?qū)懭階BAQUS 的Load 模塊。

3.4 梁柱構(gòu)件鋼筋信息轉(zhuǎn)換

結(jié)構(gòu)鋼筋在結(jié)構(gòu)中起重要的作用，是結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。因在BIM 工程模型中鋼筋存在彎頭、連接構(gòu)造等復(fù)雜因素，這對于在ABAQUS 中采用梁、殼單元模型模擬鋼筋混凝土構(gòu)件屬于冗余信息，應(yīng)予以過濾簡化處理。

3.4.1 梁柱構(gòu)件鋼筋數(shù)據(jù)提取

本文對結(jié)構(gòu)中梁柱構(gòu)件的縱筋信息進(jìn)行提取，然后按面積和位置相等的原則并依據(jù)構(gòu)件截面形式近似等效為對應(yīng)的鋼材截面形式，如圖2 所示。

圖2 柱截面配筋處理

Revit 模型中梁柱構(gòu)件的主筋和箍筋由多段定位線組成，過濾鋼筋類型為“箍筋”的鋼筋，取其余鋼筋的沿構(gòu)件軸線方向的定位線，經(jīng)過程序處理后得到等效面積，并將彎頭、箍筋等結(jié)構(gòu)分析非必要因素在此做簡化處理，從而得到建立有限元模型所需的鋼筋信息。

3.4.2 結(jié)構(gòu)柱主筋數(shù)據(jù)整理

結(jié)構(gòu)柱中主筋分為角部鋼筋、截面寬方向鋼筋、截面高方向鋼筋等。

Revit 中并不區(qū)分鋼筋種類，在鋼筋類中有主體（HostID）信息，通過獲取該信息查詢鋼筋的主體構(gòu)件，然后獲取結(jié)構(gòu)柱構(gòu)件所包含的全部鋼筋，再計(jì)算每根鋼筋相對構(gòu)件的位置關(guān)系從而達(dá)到區(qū)分結(jié)構(gòu)柱中結(jié)構(gòu)鋼筋種類的目的。通過Rebar 類的Get_Parameter()方法獲取每根鋼筋的直徑計(jì)算總面積以及獲取等級和主體等信息，進(jìn)行鋼筋等效處理。

3.4.3 結(jié)構(gòu)梁主筋數(shù)據(jù)整理

梁中主筋可能存在鋼筋截?cái)嗟那闆r，所以左右截面的配筋信息可能不相同。為簡化分析減少單元量，取兩端截面附近所有鋼筋最大值，將這一截面點(diǎn)以及所有鋼筋的總面積和輸出，得到了梁的配筋。通過GetCurve()方法獲取梁定位線和鋼筋定位線，此處篩選鋼筋定位線平行于梁定位線的所有鋼筋，接著判斷鋼筋定位線兩點(diǎn)距梁定位線兩端的距離，若鋼筋兩端距離兩端點(diǎn)距離的最小值小于梁長的二分之一，則認(rèn)為這根鋼筋位于梁的另一側(cè)。

3.5 剪力墻構(gòu)件數(shù)據(jù)提取

墻配筋方式不同于上述構(gòu)件，墻不僅有水平分布筋、豎向分布筋和邊緣構(gòu)件，還可能存在開洞情況。Revit 模型中剪力墻構(gòu)件分為單片和整片建模，且通常不區(qū)分墻梁和墻柱，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中按受力性質(zhì)需區(qū)分為墻梁和墻柱構(gòu)件，為符合實(shí)際需對剪力墻墻梁墻柱進(jìn)行歸并處理。

本文以提取Revit 模型中墻數(shù)據(jù)，進(jìn)行切割處理，由洞口點(diǎn)數(shù)據(jù)向上另做輔助節(jié)點(diǎn)，使洞口點(diǎn)與輔助節(jié)點(diǎn)連線，洞口上下方切割出來的區(qū)域?yàn)閴α?，兩?cè)區(qū)域則為墻肢，并提取相應(yīng)區(qū)域的配筋信息。若Revit 采用單片墻建模方式時(shí)，虛線為每片墻的邊界線，還需對相鄰墻肢進(jìn)行歸并處理，形成墻柱。若相鄰墻肢夾角大于15 度則不歸并，上下層之間的相鄰墻梁歸并方式同墻柱。

墻柱內(nèi)的配筋按包含的墻肢配筋歸并，歸并方式與梁柱構(gòu)件類似。

3.6 ABAQUS 構(gòu)件模型的研究

按照文獻(xiàn)[3]中ABAQUS 構(gòu)件模型的處理方法，本文同樣將Revit 模型中梁柱構(gòu)件信息生成梁單元，墻板構(gòu)件生成殼單元。由于ABAQUS 中不允許同一個(gè)梁單元上賦予混凝土、鋼筋兩種材料屬性，因此本文對梁柱構(gòu)件通過在其本身的位置疊加Stringer，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件中混凝土和鋼筋協(xié)調(diào)變形，共同受力。墻板構(gòu)件建立Rebar Layer 屬性賦予鋼筋信息。

4 轉(zhuǎn)換程序案例

本文選取某框架剪力墻辦公樓轉(zhuǎn)換實(shí)例，驗(yàn)證本文研究內(nèi)容及RTA-Trans 轉(zhuǎn)換程序的準(zhǔn)確性。

該工程為15 層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，此Revit 模型結(jié)構(gòu)配筋由盈建科軟件設(shè)計(jì)而來，如圖3（a）所示，RTA-Trans 程序轉(zhuǎn)換生成的ABAQUS/CAE 模型如圖3（b）所示?？梢钥闯觯瑑蓚€(gè)模型的幾何、拓?fù)湫畔⑼耆呛?，能夠?zhǔn)確地讀取Revit 模型中的結(jié)構(gòu)信息，并創(chuàng)建相應(yīng)的ABAQUS/CAE 模型。由于Revit 軟件本身不具備結(jié)構(gòu)分析功能，本研究將相應(yīng)的盈建科模型與轉(zhuǎn)換后的ABAQUS 模型進(jìn)行分析，質(zhì)量對比結(jié)果如表1 所示、周期對比結(jié)果如表2 所示。

表1 YJK 與ABAQUS 模型計(jì)算結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比

表2 YJK 模型與ABAQUS 模型計(jì)算周期對比

圖3 模型對比圖

由對比圖以及對比結(jié)果可知，RTA-Trans 程序得到的質(zhì)量結(jié)果與YJK 計(jì)算的質(zhì)量結(jié)果基本一致，周期是較好吻合。對比結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了RTA-Trans 程序?qū)τ诳蚣芗袅Y(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

本文針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)在ABAQUS 中建模困難以及BIM結(jié)構(gòu)分析能力較弱等問題，研究Revit 中建筑結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部數(shù)據(jù)構(gòu)成，利用Revit API 編寫RTA-Trans 轉(zhuǎn)換程序，首次實(shí)現(xiàn)了Revit 模型中剪力墻和結(jié)構(gòu)鋼筋信息的準(zhǔn)確提取，進(jìn)而形成有限元軟件ABAQUS 中的精細(xì)化有限元分析模型。本文方法打通了BIM 軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件之間信息交互的渠道，能夠用于結(jié)構(gòu)分析階段與項(xiàng)目周期其他階段的BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)。但對于實(shí)際工程中異形構(gòu)件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)多尺度分析尚未研究，會在后續(xù)做更進(jìn)一步的分析研究。