基于BIM技術的高性能鋼纖維混凝土梁截面非線性分析

孫云鵬　刁 波　劉文鵬

（北京航空航天大學交通科學與工程學院土木工程系，北京 100191）

基于BIM技術的高性能鋼纖維混凝土梁截面非線性分析

孫云鵬刁 波劉文鵬

（北京航空航天大學交通科學與工程學院土木工程系，北京 100191）

【摘 要】在建筑信息模型（BIM，Building Information Model）技術基礎上，通過研究其標準BIM文件格式IFC（Industry Foundation Class）標準，得到向IFC中性文件中擴展幾何屬性、混凝土材料屬性數據和鋼筋材料屬性相關參數的方法，并通過C＋＋編寫的“數據整合模塊”訪問和分析處理IFC文件中的相關數據，生成供Fortran截面非線性程序讀取的文件形式，進行非線性分析計算。最后將該方法應用到高性能鋼纖維混凝土梁截面非線性分析實例分析中，分析結果與試驗結果吻合較好，說明了所建議方法的合理性和適用性。

【關鍵詞】建筑信息模型（BIM）；IFC；截面非線性分析；高性能鋼纖維混凝土梁

1　引言

近十幾年來，我國建筑行業(yè)從招投標到設計、施工都基本實現了數字化，計算機廣泛應用于建筑的各個環(huán)節(jié)。然而由于歷史原因，我國建筑行業(yè)組織結構相對松散，大量CAD（Computer Aided Design計算機輔助設計）軟件都是針對設計的某一階段獨立開發(fā)，一方面現有的CAD軟件無法包含建筑的全壽命信息，另一方面，不同專業(yè)不同階段的應用軟件產生的信息無法相互識別，普遍采用人工或圖紙作為不同系統(tǒng)之間數據交換和共享的媒介，不但設計效率低下，而且還會造成數據錯誤和信息的流失［1］。鑒于以上兩方面原因，近年來，基于IFC標準的BIM（Building Information Model建筑信息模型）技術應運而生。BIM技術使用IFC格式的中性文件進行數據交換與共享，從而實現數據在各個不同專業(yè)軟件之間的無縫交換。“BIM技術及其應用”屬于國際上一個嶄新的學術領域，從80年代中期萌芽至今不過20年的歷史，而且直到近幾年隨著計算機軟硬件的發(fā)展，才逐漸受到建筑行業(yè)的重視。我國在這方面的研究剛剛起步。

目前國內外對BIM的研究主要集中在建筑結構建模的理論研究和技術方法，如美國Burcu Akinci等基于IFC產品模型，提出了一種根據不同施工工序要求自動生成所需工作空間的方法，并建立了結合空間信息的產品模型，提供了4D CAD模擬，時空沖突分析及工作空間計劃的功能。傅筱［2］探討了建筑信息模型設計的一些基本概念，并結合實踐，分析了在方案設計階段如何運用Revit建筑信息模型進行設計。而將BIM與非線性分析相結合一直還沒有涉及。

長期以來，在對鋼筋混凝土結構的受力性能研究上，人們通常用線彈性理論來分析鋼筋混凝土結構的應力和變形，而以極限狀態(tài)的設計方法來確定構件的承載能力、剛度等，這顯然是不協(xié)調的。隨著經濟的發(fā)展，越來越多的大型鋼筋混凝土構筑物需要修建，而且對設計周期和工程質量都提出了更高的要求。因此，常規(guī)設計的經驗公式就暴露出許多缺點，而鋼筋混凝土非線性分析方法因具有準確模擬結構受力狀況的特點，已受到人們越來越多的重視。同時，隨著計算機水平的不斷進步，非線性分析量較大的問題得以解決，使得該方法得到了迅速的發(fā)展并發(fā)揮出巨大的作用。

綜上，本文將Fortran編寫的截面非線性程序與BIM技術相結合，提出了應用IFC標準中定義的BIM模型存儲非線性分析的相關參數，讀取和調用BIM數據，并用于截面非線性分析計算的理論和方法，最后通過分析實例證明，本文提出的計算方法的可行性和實用性。

2　IFC標準數據存儲方式

BIM技術旨在解決現今建筑領域普遍存在的信息孤島問題，而解決信息孤島問題的核心方法就是要有一個統(tǒng)一的數據存儲標準，能夠規(guī)范各行各業(yè)以及建筑各階段的大量信息，IFC標準的出現實現了這個目標。IFC標準是開放的建筑產品數據表達與交換的國際標準，BIM可以以IFC作為產品信息表達的標準進行數據交流，是建筑工程軟件共享信息的基礎。本文便是以IFC為標準，探討將BIM技術與混凝土截面非線性分析相結合的方法。

IFC標準中定義的模型是面向對象建筑數據模型，該模型通過表達建筑全生命周期的信息，實現工程中不同專業(yè)、不同階段的數據交換。它的體系結構由四個層次構成，從下到上分別是：資源層（Resource Layer）、核心層（CoreLaver）、交互層（Interoperability Layer）和領域層（Domain Layer）［3］。每個層次都包含一些信息描述模塊，并且遵守：“每個層次只能引用同層次和下層的信息資源，而不能引用上層資源”的原則［3］。這樣上層資源變動時，下層資源不受影響，保證信息描述的穩(wěn)定性。本文涉及到鋼纖維混凝土的材料信息、幾何信息等均處在資源層，是最底層的基礎信息，可供所有上層領域訪問使用。

資源層多是基礎信息定義，描述有建筑產品各方面的信息，通過面向對象的建模方法，將具有相似屬性的物體歸為一類（Class），例如門（IfcDoor）和窗（IfcWindow）以及梁（IfcBeam）、柱（IfcColumn）等實體信息，這些實體定義中包含有從父類中繼承下來的材料信息、幾何信息等繼承屬性，更包含有該類的專有屬性。比如“IfcDoor”中的“Overall-Height”就是該類的專有屬性，表示“門”實體在IFC描述中占用的立方體包圍空間的高度。此外IFC中也包括了很多抽象的實體定義（比如計劃、空間、組織、造價等等）。這些類別模型的定義共同組成了IFC標準（Industrial Foundation Classes）。

IFC對信息的描述都采用了面向對象建模語言EXPRESS，通過字符串或者引用其他實體信息進行實體描述。如圖1所示，實體名稱后面的括號里面的內容描述的是該實體的屬性，屬性值是由“，”分隔隔，由“（”、“）”符號包圍在一起的屬性，表達了一個集合，其中的各個元素也是用“，”分隔；由“＃”領起的數字，表示該屬性是一個IFC對象，“＃”號和數字共同組成了該對象的標識符；普通的文字代表數字或特殊的標識符；字符串一般存儲用戶的特定信息［4］。上文中提到的“IfcDoor”、“IfcBeam”等實體的描述都是按照該語法進行的。本文所涉及到的語句實例在后文詳述。

圖1　IFC中性文件語句實例

3　Fortran截面非線性分析程序

Fortran語言產生于1951年，經過66、77、90、95等多個版本至今已有近60年的歷史，雖然其歷史久遠，但在數值計算中，Fortran語言仍然具有其他程序語言不可替代的明顯優(yōu)點。Fortran90標準引入的數組計算等非常利于矩陣運算的功能。在數組運算時，Fortran能夠自動進行并行運算，這是很多編程語言不具備的。另外Fortran語言有很多現成的函數軟件包，所以非常便利。本文使用的截面非線性分析程序就是用Fortran語言編寫的，而本研究應用的IFC平臺為C＋＋編寫，鑒于我國很多工程計算程序均為Fortran程序，因此本文需要研究在C＋＋環(huán)境中載入Fortran的方法，同時與BIM相連接，為今后類似需求提供參考。

首先對此截面非線性程序所必需的輸入數據進行整理分類。該非線性分析程序是通過讀入構件的截面材料屬性（鋼筋和混凝土容重、本構關系等）、截面尺寸參數以及其他一些程序循環(huán)控制參數（材料種類數、截面種類數、本構關系分段數等），對讀入的混凝土和鋼筋本構關系分段點進行三次多項式擬合，分別得出混凝土和鋼筋的本構關系曲線，并采用弧長法等進行非線性分析，得出本文需要的鋼纖維混凝土梁構件彎矩曲率關系。

根據Fortran截面非線性程序，總結出程序的所有輸入參數，如表1所示：

上述參數可分為兩類，一類是材料相關參數，另一類是幾何相關參數，循環(huán)控制參數可歸為材料相關參數與鋼筋或混凝土材料相關聯。在處于資源層的IFC文件中主要都是基礎實體定義等基本信息。因此本文根據IFC與C＋＋實體對象的映射關系［5］，用面向對象方法編寫數據整合模塊程序，將上述參數中的容重、本構模型以及與材料相關的上述循環(huán)控制參數與鋼筋和混凝土標號相關聯，實現對IFC的讀取和與非線性程序的連接。混凝土截面頂點坐標、輪廓線曲率半徑以及鋼筋直徑、坐標（加粗標出）則通過上述整合模塊在IFC文件中相關實體參數中加以分析后讀取。

4　非線性分析相關數據擴展與訪問

4.1數據擴展的相關“類”

通過比較上文總結出的非線性分析程序所需數據和IFC中性文件中保存的數據，發(fā)現IFC中存儲的數據不能滿足對構件進行非線性分析的數據需求，因此需要擴展BIM中的相關數據。

上文中提到，IFC中性文件的表達方式為EXPRESS語言，如果要將數據補充進IFC文件并可以自由訪問，就必須了解EXPRESS語言的語法。

IFC中用面向對象的“類”和“類”的屬性存儲數據，“實體”用于表達建筑產品中的實體構件，如梁（IfcBeam）、柱（IfcColumn）等，“屬性”為描述實體的特點所需存儲的數據，如實體的位置（Object-Placement）、形狀（Representation）等，這兩者之間通過“關系”實體連接，從而表達出不同“實體”與自身“屬性”的對應關系，并可以實現“實體”和“屬性”獨立的繼承關系。

下面以梁構件為例，說明IfcBeam的實體定義內容［6］：

ENTITY IfcBeam

SUBTYPE OF（IfcBuildingElement）；

END＿ENTITY；

IfcBeam實體繼承于IfcBuildingElement實體，直接從父類中繼承了26個屬性［7］，沒有定義專有屬性，梁的截面尺寸參數是存儲在IfcProduct實體類的對象中，IfcProduct中的Representation屬性包含了其幾何形狀的數據。例如下面這條語句：

＃14735＝IFCBEAM（′2mw6Lulfn73R8o90g CtRpi′，

＃13，″，＄，＄，＃14798，＃14788，＄）；

該IfcBeam實體存儲的數據及意義如表2所示：

表1　直接從BIM中讀取的數據

表2　IfcBeam語句格式列表

該梁實體所引用的外部實體如下：

＃13＝IFCOWNERHISTORY（＃12，＃5，＄，.NOCHANGE.，＄，＄，＄，1135158983）；

＃14788＝IFCPRODUCTDEFINITIONSHAPE

（，＄，（＃14771，＃14783））；

＃14798＝IFCLOCALPLACEMENT

（＃6241，＃14795）；

IfcBeam實體在表述時候通過標識符“＃”引用了其他的實體，上述“＃13”實體描述該實體的修改歷史記錄信息，“＃14788”實體描述實體的名稱尺寸，“＃14798”實體描述了實體在局部坐標系的位置以及此局部坐標系同全球坐標系的位置關系。

由此可見，IFC在進行實體和屬性描述時是按照固定的格式分項描述，按此依次向上級檢索可得到該梁部分尺寸信息如下：

＃14776＝

IFCCARTESIANPOINT（（－150.，0.，－400.））；

＃14780＝

IFCBOUNDINGBOX（ 14776，300.，2000.，400.）；

這兩個語句分別描述該梁一個頂點在局部坐標系（IfcLocalPlacement3D）中的的坐標以及一個可完全包圍該梁的矩形尺寸。其余尺寸信息亦可按此方法檢索到，在此不再贅述。根據這些幾何信息，通過數據整合模塊計算便可得到上文提到的截面頂點坐標。

其次，BIM中沒有定義鋼筋實體，對于混凝土材料也只有從名稱上進行了定義，混凝土的具體屬性目前版本的IFC規(guī)范中尚沒有定義，如水灰比、單位體積水泥用量、骨料粒徑等。所以在本算例中所需的鋼筋數據以及鋼筋和混凝土的材料屬性均需要擴展。

根據非線性分析的需要，將混凝土標號、鋼筋標號、直徑以及保護層厚度數據擴展到IFC文件中，在此基礎上，通過自主開發(fā)的“數據整合模塊”對擴展后的IFC文件中的數據進行訪問，根據計算分析的需要，對容重、本構模型等復雜屬性進行智能判斷與調用。下文中3.3小節(jié)詳細介紹了本研究所開發(fā)的“數據整合模塊”的工作原理以及數據需求。

4.2數據擴展方法

有了上文的保證，現在只需要將所需數據存入IFC中性文件中即可。本研究通過動態(tài)屬性集IfcPropertySet實體的應用來實現對IFC文件的擴展，該實體相當于一個數據存儲包，用于封裝需要擴充的數據與相對應的實體通過“關系”實體建立連系。IfcPropertySet實體的語句結構中包含五項屬性信息，如表3所示。

＃244＝IFCPROPERTYSET（‘1EIQqO8sL8x 9Ms7IhFHKbY’，＃13，’GraphisoftAC90COLUMN’，’Graphisoft AC90’，（＃239）

最后一項屬性中所包含的語句為IfcProperty，該類通過IfcPropertySingleValue或IfcPropertyTable

Value實體實現數據的存儲，比如后文算例中鋼筋的直徑信息就采用這種存儲方式，具體代碼如下：

＃71＝IFCPROPERTYSINGLEVALUE（′STEEL RONGZHONG′，＄，12，＄）；

＃75＝IFCCOMPLEXPROPERTY（′Steel′，＄，′Nonlinear′，（＃71））；

＃76＝IFCPROPERTYSET（′2I0MQnm0D6BB2 StrozKRib′，＃8，′Steel′，″，（＃75））；

綜上，對截面進行非線性分析所需要的數據通過對IFC文件的擴展被存儲到建筑信息模型（BIM）中，并通過“數據整合模塊”進行讀取調用和分析，再將最終的非線性分析程序所需數據按Fortran程序讀入文件的格式輸出，即可載入Fortran非線性分析程序進行分析計算。

表3　IfcPropertySet語句格式列表

4.3數據整合模塊

針對上文擴展完成的數據，通過數據整合模塊建立BIM與非線性分析程序相連接的橋梁和紐帶，根據上文提出的問題，設計出該模塊的判斷調用方法如下：

①容重：讀入IFC中的鋼筋與混凝土標號，從存儲在“數據整合模塊”中的數據庫比對，將符合條件的數據存入目標變量。

②本構關系：由于混凝土應力應變關系較復雜，影響因素眾多，各種理論曲線更多，因此該模塊中存儲了過鎮(zhèn)海［8］等人的多種全曲線方程供今后不同用途備用。本文所使用分線性分析程序所需的輸入數據為本構關系全曲線上的點，因此模塊中也提供了人工輸入各點的應力、應變、切線模量的選擇。

③鋼筋位置坐標：由于IFC中沒有鋼筋實體，無法像混凝土一樣直接得到尺寸信息，本著向IFC文件中只擴展基本信息的原則，由模塊程序根據混凝土截面尺寸以及保護層厚度計算得到。

④循環(huán)控制參數：此部分的數據根據讀入數據的數量等由模塊程序自行判斷得出。

綜上，通過該數據整合模塊，可以對IFC中性文件中的非線性分析相關信息進行準確的讀取、整合、判斷，通過初步的數據處理便可得到費線性分析程序中所必須的數據。

5　高性能鋼筋鋼纖維混凝土梁非線性分析

鋼纖維混凝土受壓本構關系采用以下公式，

RI根據試驗中梁試件材料屬性確定。受拉區(qū)本構關系由試驗數據直接輸入程序。經程序自動多項式擬合，鋼纖維混凝土本構關系模型全曲線如下圖2所示：

圖2　程序擬合后鋼纖維混凝土本構關系全曲線

梁幾何尺寸及配筋如圖3所示。

圖3　鋼筋鋼纖維混凝土尺寸及配筋圖

在前面所述數據整合方法基礎上，將高性能纖維混凝土梁的幾何屬性和材料屬性寫入IFC文件，通過C＋＋程序調用非線性分析軟件（Fortran編程）進行全過程分析，得到不同纖維體積率時梁的荷載－跨中撓度曲線關系，繪于圖4－圖7。

圖4　鋼纖維體積率2.5%荷載撓度曲線

圖5　鋼纖維體積率0.5%荷載撓度曲線

圖6　鋼纖維體積率2.0%荷載撓度曲線

圖7　鋼纖維體積率1.0%荷載撓度曲線

上圖中帶星號（*）的曲線為Fortran軟件非線性分析結果。圖4－圖7顯示出，本文提出的數據整合方法在數據采集和傳輸中準確性較高，非線性分析方法與試驗結果吻合較好。

6　結論

1、采用面向對象方法分析設計軟件是未來建筑行業(yè)信息化發(fā)展的方向，本文對鋼筋鋼纖維混凝土梁非線性分析軟件進行了面向對象處理，提煉了非線性計算所需數據的關鍵類，如IfcBeam中包含的材料類、幾何尺寸類等，為后期進行結構非線性分析以及安全等級劃分奠定了數據基礎。

2、對高性能纖維混凝土梁截面非線性分析，分析結果與試驗數據吻合良好，說明本文提出的數據整合方法在數據采集和傳輸中準確性較高。

3、BIM作為建筑行業(yè)信息化發(fā)展的趨勢，其遵循的IFC標準具有廣泛的適用性和實用性。本文驗證了基于IFC的各種應用軟件可以通過面向對象的方式調用和補充各自需要的數據，為基于BIM的各專業(yè)軟件開發(fā)提供參考。

參考文獻

［1］邱奎寧.IFC標準在中國的應用前景分析.建筑科學.2003，19（2）

［2］傅筱.從二維走向三維的信息化建筑設計［J］.世界建筑，2006（09）

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［7］邱奎寧，張漢義，王靜，王琳.IFC標準及實例介紹.土木建筑工程信息技術.北京.2010

［8］過鎮(zhèn)海，張秀琴等.混凝土應力－應變全曲線的試驗研究.建筑結構學報，1982，3（1）：1～12

【中圖分類號】TU311

【文獻標志碼】A

【文章編號】1674－7461（2010）03－0066－06

【基金項目】國家科技支撐計劃項目（2007BAF23B02－06）；國家自然科學基金（50978010）

【作者簡介】孫云鵬（1986－），男，碩士研究生。主要研究方向：基于BIM技術的建筑耐久性及非線性研究。E-mail：searchwind＠163.com

Cross-section Non linear Analysis of Steel Fiber-Rein forced High Performance Concrete Beam Based on BIM

Sun Yunpeng，Diao Bo，Liu Wenpeng
（Civil Engineering Department，School of Transportation Science，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 10091，China）

Abstract：Based on building Information Model（BIM，Building Information Model），this paper introduced a method of adding related parameters such as material attribute and constitutive relation of concrete by the study of the standard file format of IFC（Industry Foundation Class）.The“Data Integration Module”written by C＋＋could access and analyze the necessary data of IFC files，and then it generated the input file of section nonlinear analysis program.Finally，after comparing with the experiment results，the computational result of steel fiber reinforced concrete beam by the nonlinear program fits well.

Key Words：BIM；IFC；Section Nonlinear Analysis；High Performance Steel Fiber Reinforced Beam