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基于BIM数据的建筑抗震弹塑性分析建模技术

基于BIM数据的建筑抗震弹塑性分析建模技术
发布时间:2014年10月07日 23:06 来源:陆新征个人主页
摘要:

0.引言 随着城市化的发展,地震对经济发展和人民生活的潜在威胁越来越严重,城市建筑震害预测成为防灾减灾的一个重要方面。城市区域内的建筑群震害预测包含两个层次:宏观层次和微观层次。宏观层次模型将建筑抽象

0. 引  言

    随着城市化的发展,地震对经济发展和人民生活的潜在威胁越来越严重,城市建筑震害预测成为防灾减灾的一个重要方面。城市区域内的建筑群震害预测包含两个层次:宏观层次和微观层次。宏观层次模型将建筑抽象成一个或少量自由度的结构,进行不同烈度下地震损失分析预测。微观层次模型[2]将建立建筑物更加精细化的分析模型(例如杆系模型等),可以考虑结构的足够多的自由度和精确的动力特性,进行高精度的震害分析预测。

    城市建筑震害预测,需要获取和存储城市建筑的基础数据。如果只是建立宏观层次模型,则只需要建筑面积、年代、层数、结构类型等少量宏观数据,其数据来源可以是城市GIS数据库等。基于GIS的城市震害预测已经有一定的研究基础[3]。而建立微观层次的精细化模型需要更详细的数据,如梁柱的尺寸、配筋等,若采用手动方法建立精细化模型,不仅工作量太大,也容易出错,特别对于某些开源的有限元软件(如OpenSees),没有前处理界面,建模极不方便。比较合理的方法是利用建筑已有的数字化模型,从中提取建筑震害分析所需要的详细数据,自动建模供计算模块进行分析计算。然而不同软件生成的建筑数字化模型有着不同的数据格式,而计算模块也可能由不同的结构分析软件组成(如Marc,OpenSees等)。因此,需要采用一个统一的数据标准,以实现不同软件之间的数据交换。

    建筑信息模型(Building Information Model,BIM)致力于在建筑的全生命期实现不同建筑工程领域的信息共享和协同管理,基于BIM的建筑数字化模型是未来重要的发展方向。目前,BIM采用IFC标准作为建筑产品的数据交换标准,不同软件之间通过IFC这个统一的标准来交换数据。然而研究表明[4],基于IFC标准的建筑模型与结构模型之间的信息传递与共享还不是十分成熟。张剑涛等[5],刘照球[6, 7]等开发了IFC与PKPM结构模型的数据转换接口,能初步实现二者的几何、材料等信息的转换,但缺乏载荷信息等的转换。也有学者尝试建立通用建筑结构模型转换平台,以IFC为通用数据转换标准,实现任意常用结构分析软件间的结构分析模型数据转换。但这类研究尚处于起步阶段,目前仅实现了SATWE、ETABS、SAP2000等软件与IFC标准的转换接口,所能实现的数据转换也仅限于几何、材料等信息。

    因此,能否利用BIM的共享性,解决城市建筑震害预测的数据获取以及自动建模问题,具有重要的研究价值。

1. 建筑震害分析及数据需求


    对于钢筋混凝土框架结构,通常采用纤维梁模型作为抗震弹塑性分析的精细化计算模型。不少软件都能具备建筑抗震弹塑性分析能力,其中两类典型的软件是Marc和OpenSees。

    由于城市建筑信息是以单体建筑为基础的,因此,本文利用C++编写了一个模型转换程序,从一个单体钢筋混凝土建筑的(IFC格式的)数字化模型中,提取建筑震害分析所需的信息,自动生成Marc和OpenSees软件模型,验证转换后的模型能否用于分析建筑结构在地震作用下的响应,如图1所示。

 
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图1 编写模型转换程序,将IFC格式模型转换成Marc模型和OpenSees模型
Fig.1  Convert IFC-format files into Marc and OpenSees models using a model converter


1.1 Marc与OpenSees软件

    Marc是一款功能齐全的高级非线性通用有限元软件[8],用Marc进行建筑震害模拟,可以得到较为理想的分析结果,且适用于大多数分析需求。

    基于纤维模型原理,清华大学土木工程系利用Marc软件提供的二次开发接口,编写了THUFIBER程序[9],使Marc软件能对钢筋混凝土结构进行纤维模型计算。THUFIBER将混凝土构件的截面分为36个混凝土纤维,以及4个钢筋纤维(纤维划分方法也可以由用户自定义),各纤维的面积由截面尺寸和配筋决定。对每根纤维定义特定的本构关系,便可以进行不同精度的有限元分析。

    OpenSees(Open System for Earthquake Engineering Simulation),是一个能进行结构抗震弹塑性分析的开源软件[10]。相比内部代码不透明的商用有限元软件,OpenSees的开源性使得研究者能全面掌握它的运行机制,并能根据自身需求进行二次开发,因此,OpenSees是进行建筑震害研究的重要工具。OpenSees中,混凝土梁柱也用纤维模型模拟。

    选用上述两种软件进行震害分析,可以同时利用商业软件的健壮性和开源软件的透明性。

1.2  建筑震害分析的数据需求


    为了从IFC文件中提取充分的信息,以自动生成Marc和OpenSees结构模型,需要全面了解这两种软件的建筑震害分析建模方法,并总结震害分析所需的数据信息。这些数据信息分为两类,一类与混凝土结构模型有关,如结构构件的位置、几何信息、材料信息、载荷等。另一类则与震害分析的方法和过程有关,如地震波的选取、载荷工况的增量步总数和每个增量步的时间步长等,这类数据随着分析方法和要求的变化而变化,并且在软件中可以很方便地实现这类参数的调整。因此,应该重点关注第一类数据需求,即与混凝土结构模型有关的数据。

    通过考察这两种软件的建筑抗震分析模型,得到抗震分析的数据需求如表1所示。
 

表1  建筑抗震分析的数据需求
Tab.1  Data requirements for structural seismic analysis
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2. 抗震分析的数据需求的IFC表达

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