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结构分析模型转换系统

查看: 11070| 评论: 0| 发布者: admin |来自: 龙图杯全国BIM大赛

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简介:基于BIM的结构分析模型转换系统及其应用1 工程概况1.1 项目简介 近年来,建筑业已逐渐成为国民经济的重要支柱产业,然而建筑领域复杂多样,劳动密集,造成安全事故不断。随着多种有限元分析软件的应运而生,在结构设 ...

基于BIM的结构分析模型转换系统及其应用

1  工程概况
1.1  项目简介
    近年来,建筑业已逐渐成为国民经济的重要支柱产业,然而建筑领域复杂多样,劳动密集,造成安全事故不断。随着多种有限元分析软件的应运而生,在结构设计尤其是大型复杂结构计算中多软件的联合分析与对比需求增加,如何保证模型转换的准确高效就是至关重要的问题。然而由于不同分析软件模型信息表达不同,数据结构及存储存在差异,导致现如今多软件联合分析中重复建模工作量大,消耗大量人力物力,如何保证模型转换的一致性、兼容性和高效性是亟待解决的重要难题。本课题拟引入BIM、WebGL等核心技术,通过研究各有限元分析软件的信息表达,形成系统的软件解析大纲;并研究基于BIM的模型转换机制,对多项核心技术进行攻克,最终自主研发跨平台的模型转换系统Web-BIM(B/S端)和Unitive-BIM(C/S端),支持模型的高效转换和编辑,大大减少重复建模工作,节省人力物力,应用效果显著。本系统已在不同的项目、不同的结构形式中得以应用,如图1所示。

1.2  工程特点和难点
    平安金融中心是中国平安开发的深圳市目前为止最大的、最著名的城市综合体之一,设地下5层,地上118层,主楼由一栋660 m高超高层塔楼和不超过52 m的裙楼组成,建成后将成为中国第一高楼;某超级商务广场属钢筋混凝土框架结构,主体高度240.6 m,外形呈梭型,超B类型结构;某商住楼属钢筋混凝土框剪结构,共42层。可以看出,本系统应用广泛,涉及框架、框剪等不同结构类型,涵盖成千上万个建筑构件,多种类型的材料及截面,如何保证模型转换的准确高效难度较大。
2  BIM组织与应用环境
2.1  BIM应用目标
    本项目应用BIM技术,研发具有自主知识产权的跨平台结构分析模型转换系统,解决多种结构分析软件联合分析与对比需求,减少重复建模所消耗的人力物力,节省时间成本,具有较大的社会效益。
2.2  实施方案
    通过问题分析、理论及方法研究、关键技术突破,开发基于BIM的模型转换平台并进行应用测试,同时基于BIM技术,改变传统点对点的单项传递,提出模型转换的总体思路:即以统一信息模型为中心,实现各分析软件与模型的双向数据接口来实现模型间的相互转换。具体实施方案如图2所示。

图2  项目实施方案


2.3  团队组织
    清华大学土木工程系是国内最早开始关注和开展BIM方面研究的单位之一。近年来从BIM理论研究到系统研发再到工程应用等方面都取得了突破性进展,本次参赛人员及主要职责如表1所示。

2.4  软硬件环境
    本研究的开发环境及软硬件应用环境如表2所示。

3  BIM应用
3.1  BIM建模
    本系统应用BIM技术,在与主流建模软件信息对接中,一方面着手ifc文件的接口开发,拓展对结构分析信息的正确读取与存储,一方面针对特殊需求对软件做定制二次开发,弥补接口文件传递所带来的信息丢失、错误等问题,如图3所示。目前已就Autedesk Revit软件进行二次开发,从中提取出结构分析所需的关键信息,并转换为自定义的sam文件,作为一种模型数据源。除ifc文件外,本系统还支持e2k (ETABS)、s2k (SAP2000)、mac (ANSYS)、mgt (MIDAS)等模型文件转换。

图3  与主流建模软件信息对接示意图


3.2  BIM应用情况
    (1) 统一信息模型的建立。IFC是当前主导BIM构建的技术标准,本研究通过深入学习IFC大纲,针对本系统需求,结合建筑和结构模型各自的特点,提出如下的数据存储及数据管理模式,为多软件联合分析提供统一信息模型如图4。

图4  统一信息模型示意图


    (2) 基于BIM的模型转换机制。在上述统一信息模型的基础上,提出如图5所示的模型转换及显示机制,以BIM模型为中心数据源,通过开发各个结构分析软件与其双向数据接口来实现多种结构分析模型间的相互转换。同时本研究将数据转换过程中信息存储与模型显示分离,提高转换效率,还可将转换接口封装,具有很好的可移植性。

    (3) 建筑结构模型转换技术研究。本研究通过分析建筑模型、结构模型及结构分析模型间的异同,抓住其本质特征,提出如图6所示的建筑结构模型转换识别算法:从建筑到结构主要识别各个构件协同工作区并转换为统一共用节点,从结构到建筑主要提取拓扑信息,根据轴线截面属性反算建筑构件轮廓。

图6  建筑与结构模型转换识别算法


    (4) 基于WEB的优化存储与应用流程。JSON格式的轻量性、文本性、语言的非依赖性、便携性与结构性令其成为理想的信息交换格式,本研究设计如图7左图所示的数据接口,为系统Web前端模型交互奠定数据基础;并通过研究现有的文本压缩算法,基于GZIP压缩和针对本系统数据接口的固定字典压缩实现数据的高效压缩,为更高级实时交互提供技术基础。而在B/S端进行框架设计、模型显示、实时交互、信息优化及UI设计主要采用的技术及B/S端整体应用流程如图7右图所示。

4  应用效果
    本研究开发Web-BIM (B/S)与Unitive-BIM (C/S),二者共用相同的数据库,实现模型信息、用户账户等统一管理与实时更新;并且两平台采用相同的数据转换接口,大大减少代码的重复性,同时可扩展至其他合适的系统中,具有很好的可移植性;多平台的研发也能够最大程度的满足用户在不同工作条件及环境下的需求。本系统支持多种结构分析软件间的相互转换,并在框架、框剪等大型结构中得以应用,如图8所示,将转换后的模型文件分别导入对应的结构分析软件中,并进行自振周期和振幅的计算,如图9所示,计算结果相近,结合软件本身特点及自身存在的差异性,误差在允许范围,满足工程要求。

图8  系统应用示意图

图9  多软件分析计算对比图

5  总  结
5.1  创新点
    (1) 基于BIM的模型转换机制研究:改变传统点对点模型转换方式,提出基于BIM的模型转换机制,通过主流有限元分析软件的大纲解析,实现基于BIM的多软件双向数据转换接口,具有很好的可移植性;
    (2) 实现信息共享和集成管理:建立统一的信息模型,集成建筑、结构各阶段所需信息,为设计阶段不同分析软件提供统一数据源,既避免了分析模型不统一造成分析结果差异的发生,也大大提高了建立分析模型的效率,同时后期可将设计信息直接应用于施工阶段,解决阶段间信息断层的问题;
    (3) 研发通用性强的模型转化平台:通过研发具有自主知识产权的基于BIM的结构分析模型转换系统WEB-BIM (B/S端)及Unitive-BIM (C/S端),实现跨平台的数据统一及组织管理,保证用户使用的准确性和稳定性,并且针对不同用户具有通用性,可产生较大的社会经济效益,为用户使用带来最大便利。
5.2  应用展望
    本研究在模型转换的细度和深度方面还需进一步完善,后续工作将在此基础上,引入4D技术,开发施工期时变结构安全性能模拟和分析系统,一方面为设计阶段考虑施工动态受力提供参考,一方面为施工现场提供新的安全分析手段和管理工具,而本研究也将为最终系统研发提供多软件联合分析基础。


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