基于BIM的Midas Gen鋼結(jié)構(gòu)有限元分析

摘要：目前，BIM模型參與的有限元分析的實際案例相對較少，因此，急需解決通過結(jié)合BIM和有限元分析進行應(yīng)用的問題。本文主要基于BIM和Midas Gen對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性能進行有限元分析研究，首先，通過對本工程鋼結(jié)構(gòu)的材料進行構(gòu)件屬性定義；其次，使用BIM軟件Revit將兼職建筑信息模型導(dǎo)入Midas Gen，根據(jù)實際工程條件定義設(shè)計參數(shù)，并說明結(jié)構(gòu)的荷載定義及邊界條件；再次，通過有限元軟件Midas Gen分別對鋼結(jié)構(gòu)進行靜力分析和動力分析，獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形結(jié)果；最后，得出結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為192.4 MPa，最大位移數(shù)值為14.8 mm，均滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：BIM；Midas Gen；有限元分析；荷載；地震作用

中圖分類號：TU355"""""""""""" 文獻標(biāo)識碼：A""""""""""""" """文章編號：

Finite Element Analysis of Midas Gen Steel Structure Based on BIM

FAN Chuanqi，WANG Kui，JIANG Yong，Hu Wendong

（China Overseas Construction Limited，Shenzhen Guangdong 518000）

Abstract： Currently， there are relatively few actual cases of finite element analysis involving BIM models， therefore， it is urgent to solve the problem of combining BIM and finite element analysis for application. This article mainly conducts finite element analysis and research on the safety performance of steel structure design based on BIM and Midas Gen， firstly， the material properties of the steel structure in this project are defined; Secondly， use BIM software Revit to import the part-time building information model into Midas Gen， define design parameters based on actual engineering conditions， and explain the load definition and boundary conditions of the structure; Again， static and dynamic analyses were conducted on the steel structure using the finite element software Midas Gen to obtain the stress and deformation results of the structure; Finally， the maximum stress of the structure is 192.4 MPa， and the maximum displacement value is 14.8 mm， both of which meet the requirements of the specifications.

Keywords：BIM；Midas Gen；finite element analysis；load；earthquake action

0 引言

建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）是通過系列軟件建立相關(guān)三維模型，可實現(xiàn)建筑全生命期管理功能。Midas Gen是一款國內(nèi)通用的結(jié)構(gòu)設(shè)計有限元分析軟件，可實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析。目前，BIM相關(guān)建模軟件僅能建立建筑信息模型，并不能對結(jié)構(gòu)進行復(fù)雜的力學(xué)分析；在鋼結(jié)構(gòu)進行相關(guān)力學(xué)分析研究上，大多數(shù)的研究尚未考慮BIM軟件Revit與有限元軟件的模型有效結(jié)合問題。本文采用BIM軟件Revit建模有效導(dǎo)入有限元分析Midas Gen軟件，利用BIM軟件Revit建立建筑信息模型，然后將其導(dǎo)入Midas Gen，通過軟件的相關(guān)計算和分析來評估鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性能[1-4]。

1 模型建立

1.1 材料定義

本文以安徽省合肥市中安創(chuàng)谷科技園1#樓為例，該工程的屋面頂部含有鋼結(jié)構(gòu)工程?，F(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)工程的材料構(gòu)件進行定義，詳見表1。

1.2 BIM模型導(dǎo)入有限元軟件Midas Gen

鋼結(jié)構(gòu)的BIM模型首先是利用Revit進行建模；然后在軟件中安裝兼容Midas Gen和Revit的軟件模型接口插件。安裝完成后，打開已建好Revit模型，點擊軟件標(biāo)題欄中的附加模塊將模型導(dǎo)入到Midas Gen；隨后進行相關(guān)軟件設(shè)置，最終成功將BIM模型導(dǎo)入有限元軟件Midas Gen，并進行相關(guān)力學(xué)分析。Revit模型如圖1所示，Midas Gen模如圖2所示[5-6]。

1.3 荷載定義

根據(jù)設(shè)計說明，本工程鋼結(jié)構(gòu)的荷載分類及大小定義：恒荷載取值1.5 kN/M2；雪荷載取值0.60" kN/M2，風(fēng)荷載取值0.35 kN/M2。對靜力荷載作用進行組合，其組合工況見表2。

1.4 邊界條件

根據(jù)本工程屋面鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范，屋面鋼結(jié)構(gòu)的柱腳可以根據(jù)不同約束條件分別視為剛接和鉸接。在Midas Gen軟件建模中，分別建立這2種柱腳支座，然后通過軟件賦予支座不同約束條件，最后通過對鋼結(jié)構(gòu)焊接位置逐步釋放約束條件模擬得到實際作用情況。Midas Gen模型建立的邊界條件如圖3所示。

2 靜力分析

首先需要對鋼結(jié)構(gòu)進行靜力分析。一般情況下，結(jié)構(gòu)的靜力分析會先進行應(yīng)力分析，然后再進行變形分析[7]。

2.1 應(yīng)力分析

2.1.1" 應(yīng)力分析

通過Midas Gen的計算分析，可以獲得鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力比（見圖4）。由此得出該鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力比均＜1，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.1.2" 構(gòu)件應(yīng)力分析

通過Midas Gen軟件的計算分析，可以獲取鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力，應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

2.2 變形分析

通過Midas Gen軟件的分析計算，在包絡(luò)的各種靜力荷載工況下，可得到鋼結(jié)構(gòu)的最大豎向變形，最大豎向變形如圖6所示。

根據(jù)計算結(jié)果，可以清晰得到最大結(jié)構(gòu)變形數(shù)值為6.5 mm，由于此鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的跨度為12 m，根據(jù)規(guī)范要求變形不超過構(gòu)件長度的1/250，經(jīng)計算規(guī)范要求為48 mm；6.5 mm＜48 mm，滿足規(guī)范要求。

3 動力分析

完成靜力分析后，還需要對鋼結(jié)構(gòu)進行動力分析。結(jié)構(gòu)動力分析一般先進行模態(tài)分析再進行反應(yīng)譜分析[8-9]。

3.1 模態(tài)分析

通過Midas Gen有限元分析軟件對鋼結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，經(jīng)過軟件計算分析后，可以獲得結(jié)構(gòu)的前十二階固有頻率及結(jié)構(gòu)的振型質(zhì)量參與系數(shù)，通過表3中的數(shù)據(jù)，總結(jié)出一般規(guī)律：即隨著結(jié)構(gòu)的振型階數(shù)不斷逐步增大，其自振頻率也不斷提高，而且變化的頻率會逐漸減小。經(jīng)過模態(tài)分析后，通過表4中的數(shù)據(jù)，得出結(jié)構(gòu)前三陣型結(jié)論：該結(jié)構(gòu)第1階～第3階振型分別是結(jié)構(gòu)在X向的平動、在Y向的平動及繞Z軸的轉(zhuǎn)動。結(jié)構(gòu)的第1平動自振周期T1=2.6286 s，結(jié)構(gòu)第1扭轉(zhuǎn)自振周期Tt=1.8562 s，通過計算得出其中周期比Tt/T1=0.706＜0.85，滿足相關(guān)規(guī)范要求。經(jīng)過Midas Gen軟件計算得到結(jié)構(gòu)的振型圖（見圖7）。

3.2 反應(yīng)譜分析

根據(jù)振型分解法，可知該結(jié)構(gòu)在某一時刻所受到的地震作用為各個振型的累加之和。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的可近似地震作用效應(yīng)組合公式為：

（1）

式（1）中：S為組合的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)，Sj為第j振型地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)。

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)見表5。

由表5可以得到地震影響系數(shù)（見圖8）。本工程鋼結(jié)構(gòu)不需要進行豎向地震作用的考慮，而水平地震作用需要考慮下面2種工況：X方向的地震作用Ex和Y方向地震作用的Ey，在地震作用下結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)組合工況見表6。

通過反應(yīng)譜分析法對軟件的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果進行分析，獲得結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向地震作用的工況，結(jié)構(gòu)總位移云圖如圖9所示，結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖10所示，地震作用下結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力最大值見表7。

通過計算分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下，各工況的X方向、Y方向的響應(yīng)結(jié)果進行分析，可以得知結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力數(shù)值是174.2 MPa，規(guī)范要求數(shù)值是f=345.0 MPa，即結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)的最大位移數(shù)值是4.2 mm，規(guī)范要求數(shù)值是1/250=48.0 mm，即結(jié)構(gòu)位移結(jié)果滿足規(guī)范要求。通過荷載組合下的結(jié)構(gòu)總應(yīng)力云圖、總位移云圖如圖11所示。

根據(jù)計算分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下，各種荷載組合工況下的響應(yīng)結(jié)果分析可得：結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力數(shù)值是192.4 MPa，規(guī)范要求數(shù)值f=345.0 MPa，即結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)最大位移數(shù)值14.8 mm，規(guī)范要求數(shù)值是1/250=48.0 mm，即結(jié)構(gòu)位移結(jié)果滿足規(guī)范要求。綜上所述，通過振型分解法的反應(yīng)譜分析，在地震荷載作用下，該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移結(jié)果均滿足規(guī)范要求[10]。

4 結(jié)語

本文主要基于BIM和Midas Gen對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性能進行有限元分析研究，通過定義鋼結(jié)構(gòu)的材料屬性，將鋼結(jié)構(gòu)Revit模型導(dǎo)入Midas Gen，根據(jù)實際工程條件對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)、荷載定義、邊界條件進行說明。通過Midas Gen進行有限元計算：對鋼結(jié)構(gòu)進行靜力分析，通過應(yīng)力分析和變形分析得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力比均小于規(guī)范要求1，最大結(jié)構(gòu)變形數(shù)值為6.5 mm小于規(guī)范要求48.0 mm；對鋼結(jié)構(gòu)進行動力分析，通過模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析得出結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力192.4 MPa小于規(guī)范要求345.0 MPa，最大位移數(shù)值14.8 mm小于規(guī)范要求48.0 mm。

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編輯：劉 巖

收稿日期：2024-01-09

作者簡介：范傳祺（1994～），男，安徽省馬鞍山市人，工程師，碩士，研究方向：BIM技術(shù)應(yīng)用。