BIM技術(shù)在化工建設(shè)項(xiàng)目中的施工信息分類系統(tǒng)搭建

曹小菊，王 群，崔莉萍

(西安歐亞學(xué)院，陜西 西安 710065)

隨著我國(guó)工業(yè)不斷升級(jí)，化學(xué)工業(yè)品需求量不斷增大，化工廠的數(shù)量也在呈指數(shù)變化。而化工廠建筑結(jié)構(gòu)，決定著化工廠能否安全運(yùn)行?；S通常存放大量化工制品，如氫氧化鈉、硫酸鹽、鹽酸等無(wú)機(jī)物，以及酒精、苯乙烯等有機(jī)物，若發(fā)生建筑結(jié)構(gòu)倒塌，會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致上述化工材料發(fā)生泄露，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)丨h(huán)境，并存在極大安全隱患。近年來(lái)，針對(duì)化工廠建筑得到越來(lái)越多的重視[1]。同時(shí)，為了更好地實(shí)現(xiàn)建筑師的設(shè)計(jì)理念，展現(xiàn)更完美的設(shè)計(jì)形式，很多化工建筑需要從傳統(tǒng)的鋼筋混凝土模型中尋求突破[2]。隨著有機(jī)材料的快速革新，如碳纖維、高效減水劑、水玻璃等有機(jī)材料在混凝土中的摻入、高強(qiáng)度及耐久性強(qiáng)的混凝土不斷應(yīng)用在實(shí)際工程中，實(shí)現(xiàn)了許多新的空間體系，如空間弦梁結(jié)構(gòu)[3]、開(kāi)合空間結(jié)構(gòu)[4]、索拱頂結(jié)構(gòu)[5]等體系。且隨著計(jì)算機(jī)水平不斷提高，BIM技術(shù)逐漸應(yīng)用于化工廠建筑工程施工，可以在其軟件中對(duì)鋼筋、混凝土、樓板進(jìn)行繪制，通過(guò)三維渲染等功能將建筑以3D形式展現(xiàn)。同時(shí)也可以將BIM模型導(dǎo)入到有限元軟件中對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。但目前針對(duì)有限元軟件中，其軟件無(wú)法有效識(shí)別BIM模型，尤其是對(duì)鋼筋與復(fù)合材料混凝土無(wú)法有效識(shí)別，極易造成建模后工程量計(jì)算不正確，不僅導(dǎo)致施工成本增加，進(jìn)一步增加施工風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)也會(huì)為未來(lái)化工廠生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)，且由于有限元軟件對(duì)復(fù)合材料混凝土中的有機(jī)材料(水泥、減水劑等)無(wú)法有效識(shí)別，進(jìn)一步導(dǎo)致施工中出現(xiàn)施工材料浪費(fèi)等現(xiàn)象發(fā)生。因此，本文基于BIM模型，在VFEAP有限元軟件基礎(chǔ)上，借助LS-DYNA程序?qū)S建筑施工中鋼筋與混凝土進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)一步提高BIM建模的準(zhǔn)確性。

1 模型元素類型的選擇

LS-DYNA軟件的單元庫(kù)包括：實(shí)體單元、殼體單元、梁?jiǎn)卧?；桿單元，慣性單元，質(zhì)量單元，彈性單元[6-7]。所有的單元都采用了較低質(zhì)量的單元，并采用了直線位移內(nèi)插的方法，其預(yù)設(shè)的計(jì)算方法是簡(jiǎn)單的積分運(yùn)算。經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算與分析，證明了這種基于線性位移內(nèi)插和單點(diǎn)積分的顯式動(dòng)力學(xué)單元能夠有效地解決各類大形變及非線性問(wèn)題。對(duì)于化工廠建筑結(jié)構(gòu)，采用三維實(shí)體單元SOL-ID164(BIM模型)；圖1為化工廠硫酸鹽、鹽酸等材料存儲(chǔ)庫(kù)房，其基本特征：

圖1 SOLID164單元Fig.1 SOLID164 unit

薄殼單元被選取為模擬地面的SHELL163，具體如圖2所示。

圖2 SHELL163Fig.2 SHELL163

SHELL163主要特點(diǎn):

(1)它是一種具有4個(gè)結(jié)點(diǎn)的空間薄殼單元。在各結(jié)點(diǎn)上，應(yīng)考慮各結(jié)點(diǎn)的位移與轉(zhuǎn)動(dòng);

(2)默認(rèn)算法采用Belytschko-Tsay單點(diǎn)積分的殼元算法；

(3)針對(duì)不同的殼單元計(jì)算方法，可以根據(jù)不同的計(jì)算方法來(lái)選取沿著厚度的積分點(diǎn)數(shù);

(4)外殼的厚度是用一個(gè)真實(shí)的參數(shù)來(lái)確定的，它不可能是0;

(5)SHELL163元素的面積不能為0[8]。退化元素可以通過(guò)同一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)2次來(lái)定義；

(6)SHELL163元素支持大多數(shù)材料模型算法。

2 三維實(shí)體單元的基本顯式算法

以8個(gè)結(jié)點(diǎn)的立體實(shí)體為實(shí)例，給出了LS-DYNA的顯式積分方法。LS-DYNA的主要算法采用拉格朗日增量法來(lái)跟蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于空間(α1，α2，α3)初始矩的粒子，軌跡方程[9]：

xi=xi(α,t)

(1)

式中：α為材料點(diǎn)的初始位置；(α1、α2、α3)運(yùn)動(dòng)的初始條件：

(2)

此外，彈性動(dòng)力空間問(wèn)題的運(yùn)動(dòng)微分方程:

(3)

上式滿足以下邊界條件：

(1)位移邊界條件：

(4)

(2)應(yīng)力邊界條件：

(5)

(3)滑動(dòng)接觸面位移不連續(xù)處的跳躍條件：

(6)

(7)

式中：δu是滿足位移邊界條件的虛擬位移場(chǎng)；δε是與δu對(duì)應(yīng)的虛擬應(yīng)變場(chǎng)。

若整體是一個(gè)有限的分立單元，可以將其整體勢(shì)能的改變用各個(gè)單位的位能總和來(lái)表達(dá)，由此得出動(dòng)態(tài)問(wèn)題的一個(gè)基本方程式。例如，一個(gè)8個(gè)結(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體元，可以用以下幾種方法來(lái)表達(dá)。在各單位中，利用節(jié)點(diǎn)座標(biāo)進(jìn)行插補(bǔ)，可以獲得任意點(diǎn)的坐標(biāo)[10]，即:

(8)

圖3 8節(jié)點(diǎn)實(shí)體等參數(shù)單元原理圖Fig.3 Schematic diagram of 8-node entity and other parameter units

式(8)中，插值函數(shù)(形狀函數(shù))為：

(9)

式中：(ξj、ηj、j)是元素的第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，上述公式可以用矩陣形式表示：

X(ζ,η,ζ,t)=N·Xe

(10)

式中:X(ξ、η、、t)是單元中任意一個(gè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)(包括3個(gè)分量);Xe為t時(shí)刻單位各節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)數(shù)組;X(ξ、η、、t)=NXe是插值函數(shù)矩陣，可以寫(xiě)成以下形式:

N(ζ,η，ζ)=[N1,.....,N8]

(11)

式中:第j個(gè)子塊為Nj=φjI3×3。

當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)是一系列離散元素時(shí)，可以由虛擬位移原理得到：

(12)

其中，柯西應(yīng)力向量為:

σ=[σx,σy,σz,σxy,σyz,σzx]T

(13)

應(yīng)變矩陣為:

B=LN

(14)

L為微分算子矩陣，其具體元素為[11]：

(15)

MX=P(t)-F

(16)

上述的計(jì)算式是一個(gè)離散的運(yùn)動(dòng)方程式，M是一個(gè)完整的質(zhì)點(diǎn)；F是一個(gè)單元的應(yīng)力散度矢量，可由以下公式得到：

(17)

P為由集中的節(jié)點(diǎn)力、表面力、物理力等形成的整體節(jié)點(diǎn)載荷矢量，計(jì)算公式：

(18)

考慮阻尼影響的LS-DYNA三維離散結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程為：

Mx=P-F+H-CX

(19)

時(shí)間積分采用顯式中心差分原則，格式如下：

(20)

其中t(n-1)/2= (tn+tn-1)/2，t(n+1)/2=(tn+tn-1)/2在tn+時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)速度矢量為二分之一。

LS-DYNA3D中，為確保其收斂性，使用了一種可變步積分法。所采用的積分步一定要比一定的閾值低，不然會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定。柵格中的最小單位將確定選取的時(shí)間步:

Δt=min{Δte1,.....,ΔteN}

(21)

式中：Δtei為第i個(gè)單位的極限時(shí)間步長(zhǎng)；N為單位總數(shù)。在LS-DYNA3D中，每種類型元素的極限時(shí)間步長(zhǎng)可以統(tǒng)一為以下形式：

(22)

式中：α為小于1的時(shí)間步長(zhǎng)因子，程序默認(rèn)為0.9；L為元素的特征尺度；c為材料的聲速。固體元素對(duì)應(yīng)的L和c的計(jì)算公式：

(23)

3 基于BIM建模項(xiàng)目中的施工信息分類系統(tǒng)

由于化工廠建筑鋼筋與復(fù)合材料砼的特性及性能差別很大，單純采用線性彈塑性分析法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真是不正確的，且有限元軟件對(duì)水泥、粉煤灰等有機(jī)化學(xué)材料等無(wú)法有效識(shí)別。因此，本文對(duì)這種復(fù)合材料采用了非線性分析方法，將鋼筋與復(fù)合材料混凝土進(jìn)行識(shí)別，加強(qiáng)化工建筑BIM建模的準(zhǔn)確性[12]。然而，常用的有限元分析軟件不能準(zhǔn)確描述復(fù)雜的復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)，如框架結(jié)構(gòu)的變截面和空心結(jié)構(gòu)。

在化工廠建筑中，由于受力的關(guān)系，立柱不僅要承擔(dān)垂直荷載及橫向荷載[13]，還要防止鹽酸、硫酸等侵蝕。同時(shí)在眾多的震害中，化工廠建筑物的剪力損傷占有相當(dāng)大的比重。因此，要達(dá)到“三級(jí)”地震響應(yīng)指標(biāo)，確保整個(gè)建筑不會(huì)受到重大的損傷[14]，必須對(duì)其進(jìn)行抗剪承載能力的分析。自21世紀(jì)起，化工建筑結(jié)構(gòu)工程中已被大量采用了有限元分析技術(shù)。該方法既能反映結(jié)構(gòu)的裂紋發(fā)展及整個(gè)結(jié)構(gòu)失效的全過(guò)程，又能對(duì)其弱點(diǎn)及承載量進(jìn)行分析[15]。為此，本論文利用 VFEAP軟件，利用BIM對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合化工廠倉(cāng)庫(kù)混凝土的縱向配筋率、混凝土強(qiáng)度和軸壓比等參數(shù)，通過(guò)一套比較的方法來(lái)研究混凝土柱受力、剛度退化和韌性特性的變化。結(jié)構(gòu)模型如圖4所示；基于BIM和計(jì)算機(jī)的仿真模型如圖5所示。

圖4 鋼筋柱的空間模型Fig.4 Spatial model of reinforced column

圖5 中心加固柱的鋼筋網(wǎng)格模型Fig.5 Reinforcement grid model of central reinforced column

對(duì)中心加強(qiáng)柱核心部位的箍筋效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估，提出了4種不同箍筋間距的中心加強(qiáng)柱模型。本文利用荷載-位移曲線、剛度衰減曲線等方法，對(duì)中心部位鋼筋間距的影響進(jìn)行了分析；其模型參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)Tab.1 Model parameters

每個(gè)類型的極限載荷和位移如表2所示。

表2 各類型極限載荷和位移統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of limit load and displacement of each type

柱核心區(qū)縱向鋼筋的布置，就是中心鋼筋柱的核心區(qū)[16]。即便是在外層混凝土破壞后，核心區(qū)的縱梁和箍筋仍能限制核心區(qū)域的混凝土，并維持其工作特性。因此，中心區(qū)縱向配筋率是中心配筋柱的重要影響因素。本文通過(guò)改變核心區(qū)縱向鋼筋的直徑來(lái)改變縱向鋼筋的比例[17]。共建立了6個(gè)模型，縱向鋼筋直徑為14～36 mm；具體參數(shù)如表3所示。

表3 不同核心區(qū)縱向配筋比模型Tab.3 Model of longitudinal reinforcement ratio in different core areas

由表3可知，核心區(qū)縱向配筋率為0.68%～4.46%時(shí)，隨著化工廠倉(cāng)庫(kù)鋼筋混凝土配筋率的增加，極限荷載及極限位移均呈顯著升高趨勢(shì)；由此可見(jiàn)，在構(gòu)件加載的中后期，核心區(qū)域的縱向鋼筋起著承載荷載的作用。隨著核心區(qū)域縱向鋼筋配筋率的增大，側(cè)向阻力逐漸增大，構(gòu)件破壞延遲[18-19]。化工廠建筑倉(cāng)庫(kù)外層混凝土開(kāi)裂，剛度突然下降。當(dāng)試件承受最大荷載作用下，隨著軸向截面的增大，其剛性衰減速率變緩，剛性衰減程度也隨之增大。在核心區(qū)域進(jìn)行縱向加固可以有效緩解構(gòu)件的剛度退化，從而提高構(gòu)件的側(cè)向阻力[20]。

通過(guò)上述分析可知，本文構(gòu)建的系統(tǒng)具有一定的效果，與實(shí)際情況基本一致，可有效將化工廠倉(cāng)庫(kù)混凝土與鋼筋識(shí)別。在此基礎(chǔ)上，本文通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模型對(duì)多個(gè)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，并對(duì)模型的數(shù)據(jù)處理效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)仿真。通過(guò)對(duì)某化工廠建筑結(jié)構(gòu)的模擬，共模擬72組數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果如表4所示。

由表4可知，從以上分析結(jié)果來(lái)看，本文構(gòu)建的基于BIM和計(jì)算機(jī)模型的建筑結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)仿真方面表現(xiàn)良好。接下來(lái)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真效果進(jìn)行評(píng)估。

表4 基于BIM和計(jì)算機(jī)模型結(jié)構(gòu)仿真效果評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical table for evaluation of structural simulation effect based on BIM and computer model

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)仿真是一門涉及多學(xué)科的綜合性計(jì)算機(jī)技術(shù)，化工廠建筑結(jié)構(gòu)仿真對(duì)于化工廠安全運(yùn)行尤為重要。本文對(duì)化工廠建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)分布的計(jì)算機(jī)圖形模擬方法進(jìn)行了研究和探討。由于建筑結(jié)構(gòu)仿真是一個(gè)復(fù)雜而龐大的研究課題，各種荷載作用下結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理在不斷的研究和探索中。因此，本文在BIM和有限元技術(shù)的支持下，構(gòu)建了一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)，并結(jié)合化工廠實(shí)際建筑，對(duì)建筑的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，并對(duì)該系統(tǒng)的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，本文構(gòu)建的化工廠建筑結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)具有一定的效果。