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    BIM技术应用于结构设计的探讨与案例.pdf

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    BIM技术应用于结构设计的探讨与案例.pdf

    第2卷第4期 2010年12月 V01.2 No.4 Dec.2010 BIM技术应用于结构设计的探讨与案例 龙辉元 奥雅纳工程咨询有限公司北京分公司,北京100020 【摘要】本文就笔者在基于BIM技术的Autodesk Revit Structure工具软件应用实践中的体会和遇到的问题,通过 具体的结构设计案例来探讨和分析BIM技术应用于建筑结构设计中的难点和阻力,旨在给BIM技术工具软件和结 构设计分析软件的开发和应用者一些启迪。 【关键词】建筑信息模型;BIM技术;变截面构件族;变截面构件单元 【中图分类号】TU311.41 【文献标志码】A 【文章编号】16747461201004008905 1前言 随着BIM建筑信息模型技术工具软件的不断 完善,BIM技术正逐渐在中国的工程界广泛应用。 BIM技术的优势是不同专业、不同部门可以实现数据 共享,即建筑师、工程师、承包商和业主可以共享一 致的数字设计信息和文档,共同使用项目可视化数字 模型,来进行各种模拟和分析比如性能、外观和成 本,从而达到更快捷、更经济、更及时地完成项目。 但市场调查表明,目前结构工程师接受和应用BIM 技术的深度和广度远远低于建筑师。笔者认为,其主 要原因在于目前BIM技术在3D物理模型与结构分 析模型的双向链接方面还有许多有待解决的技术问 题。下面以笔者在工具软件Autodesk Revit Struc. ture 应用中的实践经验和体会,通过具体的结构设 计案例来探讨和分析BIM技术应用于建筑结构设计 中的难点和阻力,旨在给BIM技术工具软件和结构 设计分析软件的开发和应用者一些启迪。 2 BIM技术在结构设计中应用的难点 结构工程师目前主流的设计方式是利用有限 元结构分析软件程序进行结构建模计算和结构 整体空间受力和变形分析,然后另外利用2D绘图 工具来绘制传统的2D施工图文档。基于BIM技术 的结构设计方式是工程师将物理模型发送到结构 分析软件,分析程序进行分析计算,随后返回设计 信息,并动态更新物理模型和施工图文档。BIM技 术就结构设计本身而言,其基本理念就是要达到结 构计算分析和施工图文档两者相互统一,或者说实 现两者间的无缝链接。 建筑师搭建BIM模型时,关注的是模型空间表 达的真实性和外观视觉上的效果,以及物理模型能否 自动生成2D施工图文档。与建筑专业相关的计算分 析,比如日照分析和建筑能耗分析,对模型数据库的 要求也往往仅限于模型的几何外观和空问尺寸,以及 材料的物理特性。结构工程师搭建BIM模型时,除 了关心物理模型能否自动生成2D施工图文档,同事 也关心物理模型能否自动转化为可以被第三方结构 分析软件认可的结构分析模型。毕竟结构的安全性 分析计算是结构设计的首要环节和重要问题。由于 结构分析模型中包括了大量的结构分析所要求的各 种信息,如材料的力学特性、单元截面特性、荷载、荷 载组合、支座条件等等。所以结构工程师的BIM模 型就会因繁多的参数而异常复杂。 BIM技术是完全的数据库式模型,理论上说,实 现BIM物理模型与结构分析模型、物理模型与2D 施工图文档之间的双向链接是完全可行的。很多 BIM工具软件也将自己可以实现与通用的结构分析 软件双向无缝链接作为其功能特色来宣传。但笔 者在具体的应用中发现,所谓的双向无缝链接是有 【作者简介】龙辉元1963一,男,副总工程师,国家一级注册结构工程师。主要研究方向高层和超限高层建筑结构设计、 复杂大跨度空间钢结构设计与研究、结构方案优化和CAD技术二次开发。Emailhy.1ongarup.oom 条件的。即BIM物理模型中采用的构件单元或 族必须是比较简单或常用的常规标准件。如果构 件的形式复杂或异形,在链接到结构分析软件时就 会丢失很多数据。 所以,在BIM技术应用到结构设计的过程中, 物理模型与结构分析模型双向无缝链接问题是影 响结构工程师接纳BIM技术的一大阻碍障碍。下 面针对这个问题作一些探讨。 3 BIM物理模型与结构分析模型的链接 障碍 在搭建BIM物理模型时,可以随意定义一根构 件的形状和断面。构件截面可以是异形的,截面的 大小沿着构件长向也是变化多样的,例如图1之鱼 腹钢梁。 这个构件在BIM物理模型中是一个独立的单 元,但这样的单元在目前以杆单元和壳单元为基本 刚度单元的结构分析软件中,大都还没有等效的单 元力学模型与之对应。 目前常用的结构分析软件在截面类型的多样 性方面基本实现了可以随意变化,但这仅限于截面 2D平面内尺寸的变化,在3D方向沿着构件长向 的截面变化,目前涉及处理这种较复杂变化的结构 分析软件还很少,能处理的对象也相对简单。因此 解决好物理模型与结构分析模型的链接,一方面要 求BIM工具软件具有将复杂实体构件单元简化为 可以被通用分析软件认可的计算模型的构件单元 的简化规则和手段;另外,结构分析软件也要为适 应BIM技术而增加杆单元类型和截面变化的类型。 一 一 一 J~一一 m_~一....一一0 图1鱼腹钢梁示图 关键还在于分析软件的改进,以便结构模拟分析计 算尽量体现结构体系的实际情况。拓广基本结构 计算单元的参变量和基本刚度矩阵是结构分析软 件适应BIM技术的解决方案。 4 当前结构分析软件处理变截面的方法 4.1单元分段法 这是目前所有的结构分析软件处理变截面结 构构件的方法,其主要是采用增加节点来将构件分 段,每段就变成或可以视作等截面单元。 该方法对于处理截面突变是很合适的,但处理 渐变截面就不太好。另外,该方法将一个结构构件 用断点拆分成多个单元,与BIM物理模型中独立的 构件定义就不能匹配。 4.2线性渐变截面单元法 目前比较多的结构分析软件例如PKPM可以 处理构件两端截面不等高或不等宽,构件截面的变 化从一端到另一端是线性变化,如图3所示的悬 挑梁。 线性渐变截面单元主要是采用了变截面的结构 杆单元,可以处理简单的结构构件变截面问题。其优 点是可以将变截面构件处理单个的单元,可以很好地 与BIM物理模型链接。其不足是多数软件仅可以处 理一次线性变截面仅变截面高度或宽度。 4.3单元分节法 该方法采用在单元内部引入变截面位置及与 之对应的截面几何尺寸参数,来定义复杂的变截面 单元。单元可以内插多个节点来模拟复杂杆件实际 图2截面突变梁 图3渐变截面梁示例 BIM技术应用于结构设计的探讨与案例 91 变化,但杆件依旧是一个独立的单元。 该方法可以处理弯曲刚度沿杆件长向复杂变 化的变截面结构构件。弯曲刚度沿杆长向的变化 可以是一次线性、二次抛物线、或三次曲线;轴向刚 度、剪切刚度、质量、重量属性沿长度线性变化;截 面属性也可以突变。 该方法处理变截面时,复杂变截面构件是独立 的单元,因此叮以很好地与BIM物理模型中的单元 体匹配。目前为中国用户熟悉的结构分析软件 ETABS、SAP2000就是采用这种方法来处理构件复 杂变截面。其主要是采用了“对象”概念来完全定 义实际构件 ,程序运行分析时,自动将基于对象 的模型转换为基于单元的模型来进行分析。 单元分节法定义复杂的变截面单元的手法就 是参数化单元,与BIM参数化建模的理念是一致 的,是结构分析软件的发展方向。 葶 7 ] 『 ’ ■l 2 1 馨 £ I一 一LUL 嚣‘ 。一j 蚕 f ’ 蛰 .. 1_£ 魏} ④ 留 1 1 }j_j 、 ’1 器 .一』髑 I i. 辔 l~r『_1 一■ L 耳 嚣Ⅲl I Il『l_一 一 三 图4原建筑设计 5北京某工程BIM模型案例分析 下面就北京某工程之BIM物理模型的创建,以 及物理模型与结构分析模型链接时遇到的问题来 探讨异形复杂变截面结构构件的BIM技术问题。 5.1 工程的建筑设计背景 项目系一幢集商业和办公为一体的综合性大 楼,占地21 650m2,总建筑面积约为251 600m ,包 括姊妹办公楼,每栋高107.1m,地下四层,地上25 层业主要求设计顾问在原有国内较为惯常采用的 结构柱网的基础上,根据现代办公楼的要求和现代 建筑的理念,进行设计优化图4为原设计,图5为 新设计。主要改变是取消原有设计中的结构内 柱,形成一般结构梁跨度为16m、最大结构梁跨达 20m的办公楼面空间。 } t } j £ ≥ t } 。-{ {一鸯 }.番 』勉 j l l 磊置盹墨堋 睁 l’l 一 I 岛 照 粤 1 {I 一一. I I } {} I 一 l1 一l 图5新建筑设计 图6异型钢梁实例 5.2该工程结构设计上的特点 在设计层高不能有太多调整的条件下,为了实 现建筑师的宽阔办公区域窄间的设计理念,同时又 不希望因为大跨度结构所要求的结构高度影响到 原设计之建筑使用净空的要求,结构T程师在经过 了多种楼盖体系方案比选后,确定采用异形变截面 组合钢梁作为本工程的楼盖体系的最终方案。该 方案将机电管线所要求的净空与结构净空结合在 一起,采用机电管线穿粱和罔绕核心筒布置机电管 廊的方法来实现建筑使用净空最大化,参见图6。 另外,为了体现现代办公楼的设计理念,建筑 立面处理中采用乏面倾斜、一面垂直。倾斜面角度 约为2.5度,这就使得整个楼的结构外边线在倾斜 面处,其底层边线与顶层边线之问有大约3m的平 面偏移,或向内缩窄、或往外突出。建筑造型为了达 到独特视觉效果,要求结构外框斜柱,就导致结构 构件梁的形式变得很复杂,表 为塔楼没有真正 的结构标准层,且同层中完 伞一样的标准化构件也 差兰 兰薹i三三暮复 亘 .兰 竺 19oI 一 End E【ens n CalcUlation 5000 l JI Crank L 600 阜 Cfank R 600 很少。 基于以上结构特点,创建其BIM物理模型的关 键是设计一个通用、灵活、可操作的BIM智能构件 异形构件族一参考Revit工具软件。 5.3 创建本工程BIM结构模型技术处理方法 首先,找出异形构件的截面变化特点及其在结 构平面图中的布置规律性和特殊性,据此来确定定 义此BIM智能构件所要求的参数,并规划好各参数 的参数类型即实例参数或类型参数,其含义参考 Revit用户手册J。比如,将梁跨度、变截面的位 置、梁上洞口的位置等参数定义为“实例”参数;而 将截面尺寸、洞口尺寸、截面变化细部尺寸等参数 要定义为“类型”参数。 其次,分析智能构件各参数的几何意义,来确 定各几何参数的参照平面或参照线。比如,变截面 梁的变截面位置的定义CrankR/CrankL、梁上洞 口的定位及洞口问距的定位参数OpeninglL/Open ing21等等。 Opening 3-2 700 Opening 2-1 700 图7变截面梁的截面变化定位参数 图8 BIM模型结构实例图 BIM技术应用于结构设计的探讨与案例 93 再次,要分析智能构件各参数之间的相互关联 关系,以及各参变量的物理特性设计规范对其的 限定,将部分参数设定为被动参数。比如,钢梁上 洞口的最大高度设定为梁截面高度的一半、洞口的 最小净距要大于或等于梁高等等。 另外,要参考所采用的第二三方结构分析软件对 异形变截面的定义方法。BIM智能构件族的参数名 称和意义尽量与结构分析软件对异形变截面的定 义一致,方便自己借助宏程序,实现异形变截面构 件在两种模型间互相转换。虽然目前还不能完全 实现无缝链接,但可以为将来项目的无缝链接提前 做好准备。 5.4链接分析模型的问题 本工程利用BIM技术软件Revit创建了与实际 完全相符的结构物理模型,图8是BIM结构模型 图片。 但在导出结构分析模型时,就遇到问题首先, 由于异形构件在Revit中是一个构件,导出的分析 模型中只有两端节点,且BIM模型中的异形构件截 面特性信息丢失,仅处理为等截面构件;另外,多构 件交会处,会因BIM模型中构件的偏心定义而导致 交汇处出现多个节点。 这些问题需要在分析软件中对分析模型进行 人工干预和调整,包括增加构件中间节点、重新定 义截面特性、节点合并处理,才可以保证分析模型 能正常运算。而且,经过处理的分析模型就不能再 与物理模型实现同步链接更新。 6总结和建议 1结构分析软件与BIM工具软件对构件单 元的定义方法的不同是BIM物理模型与结构分析 模型实现真正双向链接的障碍。 2第三方的结构分析软件应适应BIM技术 发展的要求,提供复杂杆元的力学模块。主要是拓 广结构分析单元的单元定义变量。 3复杂结构单元的定义要制定标准,规范参 变量的名称和涵义,以便不同软件之间进行数据交 换和共享,实现BIM技术价值最大化。 参考文献 [1]欧特克公司.Revit Structure 2010用户手册,2009. [2]Computem and Structures,Inc.CS1分析参考手册,2OO4,9 General Discussing of Bin Technology Application in Structure Design Long Huiyuan Arup International Consultants Co.,Ltd.,Beijing 1 00020 AbstractBased on author’S practice and a real case in using BIM technology software tool of Autodesk Revit Structure,the difficult issues and obstacle of applying BIM technology in structure design are generally discussed and analysed.This paper offers some guidance for the structure engineers who are using or developing the BIM technology tools and the structure analysis software. Key WordsBIM;BIM Technology;Special Structural Family;Special Structural Element

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