基于BIM技術的混凝土截面時效非線性分析

葉英華，劉文鵬，刁 波

(1.北京航空航天大學土木工程系，100191北京;2.中國建筑科學研究院，100013北京)

BIM(Building Information Model)將取代傳統2D CAD技術成為未來計算機輔助建設項目生命期信息集成與管理的主流技術［1］.芬蘭、挪威、德國等歐洲國家基于BIM技術的應用軟件普及率已達 60% ～70%［2］.隨著 IAI(International Alliance for Interoperability)發布 IFC(Industry Foundation Class)標準信息模型［3－7］，BIM 技術的研究和應用在國外引起了廣泛關注，Vanlande等［8］建立了設計階段與使用維護階段的信息模型AEC(Architecture，Engineering and Construction);Wan等［9］研究了用于表達預應力荷載和荷載組合的信息模型;Yu等［10］建立了用于設備管理的FMC(Facilities Management Classes)信息模型;Schein［11］建立了針對建筑自動化系統(Building Automation System)的信息模型.然而BIM技術在我國的研究尚處于起步階段，清華大學張建平、胡振中等［12］建立了4D施工沖突和安全分析與管理信息模型，開發了基于IFC標準的建筑工程4D施工管理系統4D－GCPSU;上海交通大學鄧雪原、張之勇等［13］研究了IFC模型自動生成結構分析模型的方法，實現了從IFC文件自動提取結構分析信息;十一五期間，清華大學、中國建筑科學研究院、北京航空航天大學共同承接的國家十一五科技支撐計劃“基于BIM技術的下一代建筑工程應用軟件研究”項目目標是將BIM技術和IFC標準應用于建筑設計、成本預測、建筑節能、施工優化、安全分析、耐久性評估、信息資源利用7個方面，本研究為其中基于BIM技術的建筑工程耐久性評估軟件系統子課題的核心功能模塊.

由于混凝土材料的本構關系具有非線性，并且在環境、荷載和內部因素下隨時間產生不可逆的變化，基于本構關系進行的截面非線性分析也具有時效性，其過程涉及大量信息處理.目前截面非線性分析主要用于實驗中，截面的荷載、環境和內部信息來自實驗條件，而且實驗構件數目不多，分析的結果主要用于理論研究.而實際工程中需要從海量的工程數據中提取相關信息工作量巨大，而且分析過程采用人工管理任務也非常繁重，應用BIM技術來解決截面時效非線性分析中的信息提取、整合、轉化和交換能夠很好地解決上述問題，而目前在國內外BIM相關研究中尚未見相關報導.本研究應用BIM技術建立描述與表達混凝土截面非線性分析相關信息的完整、一致的參數化信息模型，并建立了與IFC標準信息模型的數據映射機制，能夠全面支持截面時效非線性分析過程中的信息提取、信息轉換、信息集成、信息存儲、信息計算以及信息的交流與共享.應用這些模型，將考慮環境、荷載和內部因素影響的材料耐久性劣化理論應用于混凝土時效本構關系模型的擬合和截面時效非線性分析，得到截面的時效全過程模型，用于研究構件截面在環境、荷載和內部因素作用下力學性能隨時間的劣化規律以及評估構件的耐久性水平.

1 基于BIM的混凝土時效本構關系擬合

將BIM技術應用于具體工程階段，主要包括信息模型的建立、理論成果的集成和信息模型應用模式的開發3個主要問題［10］.建立信息模型需要相關原始工程數據的種類、關系、層次以及這些數據在IFC模型中的表達方式，確定表達這些信息的模型名稱和數據類型、建立數據關系并建立與IFC模型的映射規則，形成滿足特定工序數據需求的信息模型基本結構［14］;理論模型的集成是將領域內相關的理論研究成果進行規范化修正，用建模語言集成于信息模型的行為函數中，信息模型可以通過這些行為函數提取數據實現具體工序和功能［15］;模型應用模式是應用上述建立的信息模型和行為函數實現信息提取、整合、轉化、存儲、結成和共享等操作的具體規則［16］.

目前國內外采用的本構關系模型形式各異，但其本質都是應用參數化的分段函數表達本構關系曲線.在BIM的應用模式中，采用信息模型對象的方式管理與應用本構關系模型，因此根據本構關系模型的“參數化分段函數”的特點，本研究開發了本構關系信息模型CConstitutive.這里以清華大學過鎮海［17］建議的典型的參數化分段函數本構關系為例說明CConstitutive模型工作原理.

式中:σNc為N次凍融循環的混凝土峰值壓應力;εNc為N次凍融循環的混凝土峰值壓應力對應的應變;a為本構關系曲線上升段形狀的參數;b為本構關系曲線下降段形狀的參數.

CConstitutive模型通過參數 a、b、σNc和 εNc滿足本構關系的信息需求，成員函數 Constitutive(float e)用于在本模型上查找應變ε對應的應力.在運算中，每個CConstitutive對象都描述一個本構關系曲線，能夠根據需求獲得曲線的所有特征和信息.

實現材料時效本構關系擬合的另一個重要功能模型是時間模型，圖1為時間信息模型結構，時間模型分為時間點模型(CTimePoint)和時間段模型(CTimeLength)，二者派生自抽象模型CTime.

時間點模型表達絕對時間軸上的時間點，以公歷年、月、日為單位，FormerPoint和 LaterPoint屬性分別指向與當前對象相鄰的前、后時間點對象;成員函數包括用于計算兩個時間點模型之間的時間段模型長度的GetLengthYear()和GetLengthDay()函數、用于設定時間值的SetTimePoint()函數、用于返回時間點的GetTimePoint()函數以及用于訪問當前時間節點的工程屬性的AccessObject()函數，其中 GetLengthYear()和 GetLengthDay()返回值的符號反映目標時間點和當前時間點先后關系.

時間段模型反映時間段的長度，可以在天、月和年3種單位間轉換，StartPoint屬性引用一個外部時間點對象作為起始點，Connected屬性引用一個時間段對象，表達當前對象以被引用對象的結束點為起點;成員函數ConvertUnit()用于轉化與設定模型度量單位，GetEndPoint()根據StartPoint屬性和時間段長度計算并返回時間段終點時間點對象.

圖1 時間模型結構

進行基于BIM技術的混凝土本構關系時效分析過程的實質是建立信息模型CConstitutive的對象，相關的信息模型結構見圖2.CConstitutive模型存儲了分析方法、理論模型、材料模型和分析結果，所建立的CConstitutive對象可以被后續分析過程共享與應用.建立CConstitutive對象的過程封裝于在材料信息模型CMaterial的成員函數CreateConstitutive(tPoint:CTimePoint)，該函數根據環境、荷載和材料信息，應用材料耐久性劣化理論模型擬合實參cTimePoint提供的時間點處的本構關系模型，工作原理如下:

1)訪問CMaterial的屬性m－pParameters所引用的CMaterialParameterSet對象，提取該對象的屬性m－pParameters－＞m－fWCRatio和m－pParameters－＞m－fFreezeThawFrequency，分別存放到本地變量k1，k2中.

2)訪問屬性m－pBirthday所引用的 CTime-Point對象，將本函數的實參對象 tPoint與 mpBirthday所指向的對象進行對象的差運算(運算規則在CTimePoint類中定義)，獲得對象的服役時間，存放于本地參數k3.

3)k2*k3得到實際凍融循環次數N，根據k1，k2，k3 擬合本構關系中參數 a 與 b.馬彬等［18］通過不同尺寸、配比和環境下的大量凍融循環實驗數據偶合而提出了N次凍融循環后過鎮海本構關系模型中的參數a，b的取值方法，其研究的條件與本研究解決的問題一致，因此將其研究成果集成應用于信息模型中.

式中:a為本構關系曲線上升段形狀的參數;b為本構關系曲線下降段形狀的參數;w/c為混凝土水灰比;N為凍融循環次數.

4)創建CConstitutiveParameterSet對象，取名為Constitutive－1，分配GlobalID 值.將a、b、當前CMaterial的地址、實參CTimePoint地址值分別交給Constitutive－1.m－fa、Constitutive－1.m－fb、Constitutive－1.m－pMaterial和 Constitutive－1.m－pAge.

圖2 混凝土時效本構關系擬合模型結構

CConstitutive模型的時間屬性表明了該本構關系的時間節點，材料屬性表明了該本構關系所屬于的混凝土材料.一個混凝土對象可以有許多時效本構關系模型對象，每個本構關系模型對象只反映一個時間點.為了驗證該方法是否能夠合理擬合混凝土材料的本構關系，進行了混凝土在侵蝕作用下的材性實驗來比較應用BIM技術擬合的時效本構關系與實驗測得的本構關系的符合程度，混凝土材性實驗見表1.

表1 混凝土配合比

共制備 A、B兩類試件，其水灰比分別為0.50、0.55.每一類試件包括5組共計10個立方體試件，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.試驗采用質量分數為3%的氯化鈉溶液和5%的硫酸鈉溶液組成的混合溶液作為侵蝕介質.凍融試驗依據《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》［19］中的快凍法.試件養護齡期為28 d，其中帶模養護1 d，拆模后在標準條件下養護23 d，之后將試件在20±3℃的混合侵蝕性溶液中浸泡4 d后開始凍融試驗.對各組試件分別進行0、50、100、150、200次凍融循環.凍融循環結束后，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》［20］中之規定進行混凝土試塊的力學性能試驗.實驗結果和通過BIM擬合的本構關系模型見圖3.

圖3 混凝土本構關系模型分析與試驗結果對比

圖3表明通過BIM技術擬合的混凝土在侵蝕環境和凍融作用綜合作用下的本構關系與實驗測得的本構關系基本一致，分析結果可以用于后續的截面時效非線性分析.在應用BIM的過程中還可以發現與傳統的手動擬合方法相比，BIM技術通過信息的自動提取、轉化和運算應用，顯著提高了分析擬合的效率和準確性，適用于實際工程中大量構件分析的應用.

2 基于BIM技術的截面時效非線性分析

截面時效非線性分析相關模型的建立、理論模型的集成和信息模型應用模式的開發過程與時效本構關系擬合相似，只是內容有所不同，因此不再贅述開發過程.建立了C++信息模型37個，包括200多個數據成員和29個核心功能函數，圖4所示為截面時效非線性分析信息模型主體結構的框架，其中各個對象和數據成員的語義在表2進行了說明.下面說明信息模型如何實現截面時效非線性分析的功能.

圖4 截面時效非線性分析信息模型結構

圖5 信息模型與實體對象的對應關系

在進行非線性分析時，需要指定分析的時間節點，時間節點以實參的方式交給信息模型的行為函數，模型提取材料在指定時間點處的本構關系用于非線性分析.圖4中構件模型CComponent的屬性m－pCrossSections為1至n個CCrossSection對象，每個CCrossSection對象描述一個特征截面，圖5(a)所示的一個名稱為Beam－1的CComponent對象包含的3個特征截面，分別用名稱為 CrossSection－1、CrossSection－2、CrossSection－3的3個CCrossSection對象描述.

表2 截面時效非線性分析信息模型語義

截面模型CCrossSection除了表達截面的幾何信息外，通過屬性 m－pMaterial引用 1至 n個CMaterial對象，每個對象表達該截面包括的一種材料，圖5(b)所示Section－1截面由3種材料組成，包括一種混凝土和兩種鋼筋.

CSectionWholeProcess模型用于表達截面在特定時間節點處的內力－變形全過程曲線，該模型引用CTimePoint模型作為m－pTimePoint屬性，表達非線性分析進行的時間節點;引用CCrossSection模型作為m－pSection屬性，表達非線性分析的目標截面.應用BIM技術對截面進行分線性分析的過程的實質是建立CSectionWholeProcess模型的對象，該對象存儲了分方法、目標截面以及分析結果.

截面非線性分析的過程封裝于截面模型CCrossSection的成員函數 NonLinearAnalysis()中，該函數的全部聲明為CSectionWholeProcess*NonLinearAnalysis(CTimePoint timePoint)，其功能實現的過程為:

1)訪問屬性m－pMaterial中描述本截面所用混凝土材料的CMaterial對象，獲得混凝土材料的本構關系庫.根據輸入參數timePoint的值獲取本構關系庫中timePoint時間節點對應的CConstitutive對象，constitutive－t，該對象存儲的是混凝土材料在齡期為timePoint處的本構關系分析結果，是根據工作條件和劣化規律分析獲得的，采用這個本構關系進行分析，可以得到在該時間節點處的全過程曲線.

2)同理獲得時間節點為timePoint處的鋼筋本構關系.

3)應用葉英華等［21］建立的混凝土截面非線性分析方法的FORTRAN程序，并將 FORTRAN與C++模型行為函數混編，將模型數據輸入分析函數，經過分析生成輸出文件.

4)打開并解析輸出文件，將其中的內力－變形的數據提取.創建CSectionWholeProcess對象，將timePoint的值交給其 m－pTimePoint屬性，將CCrossSection對象指針交給m－pSection屬性.將內力－變形的數據交給屬性m－ArrayM和m－ArrayDisplayment.

至此實現了截面在時間點timePoint處的非線性分析，可以選取不同的timtPoint的值來指定分析的時間節點.分析結果為CSectionWholeProcess對象，這些對象和其他對象一樣被軟件系統存儲、交換和管理，能夠靈活地被其他下游應用程序和模型訪問和應用，適用于批量構件的截面分析.

3 實例應用

應用本研究開發的信息模型和模型應用方法建立了軟件系統功能模式，混凝土截面時效非線性分析相關信息模型位于4D耐久信息模型庫內，模型映射接口從存儲工程全生命期完整數據的IFC文件自動提取進行截面時效非線性分析的原始數據，轉化為截面時效非線性分析模型存放到信息模型數據庫;耐久性分析功能模塊調用這些模型實現分析過程并將結果輸出到用戶界面，圖6所示為應用混凝土截面時效非線性分析信息模型開發的非線性分析軟件系統NLAS(Non－Linear Analysis System)，左側為構件信息管理區，現實從IFC文件中提取進行截面時效分線性分析的原始數據，用戶可以查看并根據需要進行數據的更新，通過反向映射IFC文件也被隨時更新;界面左下窗口輸出混凝土本構關系時效擬合結果;截面右下窗口輸出截面時效非線性分析得到的截面內力－變形全過程曲線.

為了驗證NLAS系統分析結果的準確性，進行了腐蝕環境下鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力實驗，腐蝕環境下混凝土梁在100、150、200次凍融循環的極限承載力實驗結果與應用NLAS系統分析的結果見表3，數據表明誤差均在20%以內，能夠完成預期的分析目標，NLAS系統還能夠給出在各個時間節點的位移－荷載截面全過程曲線，見圖7.

圖6 NLAS系統用戶截面

圖7 考慮內部、外部因素共同作用下截面時效非線性分析

表3 腐蝕梁抗彎承載力計算結果與實驗結果比較

4 結論

1)在應用層面，建立了相關模型和工作機制，并開發了軟件系統NLAS，通過對比分析實驗數據和NLAS系統的分析結果驗證了研究成果能夠有效地支持混凝土截面時效非線性分析過程中大量信息的頻繁提取、轉換、集成、存儲和處理等操作，并能提高其效率和準確度.

2)在理論層面，應用BIM技術將考慮環境、荷載和內部因素影響的材料耐久性劣化理論模型應用到本構關系擬合與非線性分析中，實現了多元化理論模型的協同工作，不但可以促進理論研究的發展，還能促進理論研究成果的應用和推廣.

3)從BIM推廣層面，所提出的BIM技術在混凝土結構時效非線性分析領域推廣應用的探索過程和開發方法同樣也適用于在建設工程的其他領域中BIM技術的推廣，加快了實現全生命期信息管理的進程.

后續工作重點將放在把考慮更多影響因素的耐久性理論模型通過BIM技術整合至截面時效非線性分析信息模型，使分析結果更符合實際情況;并進一步探索將混凝土截面時效非線性分析結果應用在基于BIM技術的建筑工程耐久性評估方法中.

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