結構分析模型構件偏心數據轉換方法研究

鄒　帥， 賴華輝， 鄧雪原

(上海交通大學土木工程系，上海 200240)

結構分析模型構件偏心數據轉換方法研究

鄒帥， 賴華輝， 鄧雪原

(上海交通大學土木工程系，上海 200240)

針對不同結構分析軟件之間的模型數據轉換的問題，在早期建立的基于XML的結構通用格式實現了SGF與SAP2000、ETABS、IFC等數據模型的基本轉換。針對當前現有的建筑結構模型轉換平臺大多不能實現復雜構件偏心設置的轉換、對結構計算結果造成偏差的問題，解析了多種結構分析軟件的偏心數據結構，提取偏心表達核心部分與 SGF形成映射，并設計基于SGF的偏心數據轉換算法，實現結構分析模型構件偏心的轉換。通過偏心框架模型轉換實例驗證了該算法的可行性。

結構分析模型；數據轉換；構件偏心；結構通用格式

結構設計中為了安全性考慮一般要選取兩款以上的分析軟件進行比對，由于各款軟件之間的數據交互性差，結構分析人員往往需要重復建模。BIM技術的出現能使多專業之間的信息孤島相互關聯，從而促進多領域的協同工作。在結構分析領域，國內外學者對基于 BIM的結構分析模型自動生成及分析軟件間模型的相互轉換進行了大量的研究。

國外，Vilkner等[1]開發了應用程序編程接口(application programm ing interface, API)解讀CAD的標簽內容，結合二維圖紙快速建立三維分析模型；Serror等[2]以 STEP、CIS/2.0、工業基礎類(industry foundation classes, IFC)標準為基礎創建計算機輔助結構設計信息共享模型(shared computer-aided structural design, sCAsD)，改善結構設計各參與方之間的信息共享；Dean和Nawari[3-4]研究利用信息傳遞手冊(information delivery manual, IDM)、模型視圖定義(model view definition, MVD) 和IFC標準相結合，解決全生命期IFC數據在不同階段使用可能出現的數據冗余的問題；Venugopal 等[5-6]提出語義交換模塊(semantic exchange modules, SEM)的概念，開發模型視圖基于 SEM，解決專業軟件導出 IFC數據的問題；Steel等[7]以 STEP和EMF的技術框架為基礎建立一個建筑模型轉換平臺，該平臺可以實現IFC數據與GDL數據相互轉換，能夠兼容多種應用軟件的數據格式，同時后期還計劃實現模型的校核、分析、優化等功能；在工程應用領域Yang等[8]研究IFC在橋梁結構設計中復雜截面表達，空間曲線約束定義等方面的應用。

國內，鄧雪原等[9-10]較早提出通過定義基于XML的通用建筑結構有限元模型數據標準，提供該數據標準與各類結構分析軟件、IFC標準的雙向轉換接口，實現結構分析模型的提取與相互轉換，后期還通過對IDM和MVD標準研究，進一步探索從建筑IFC模型中提取結構分析模型信息[11]；王勇等[12]也開發了基于XML的建筑結構施工圖設計原型系統，除了建筑結構專業外，系統還擴展了工程算量、4D施工等功能；劉照球等[13]提出建筑結構信息模型集成ASIM框架，實現建筑信息的提取、存儲與轉換；也有研究通過Revit API開發插件提取結構模型信息，生成SAP2000、M IDAS等分析軟件的可讀文本文件[14-15]；此外還有一些針對特殊情況轉換處理的研究，如轉換過程中變截面構件的處理方法[16]、轉換過程中不規則構件的定位[17]。

當前已有的研究針對的是不帶偏心的結構分析模型轉換，還未涉及對于構件偏心這一復雜節點連接問題的研究。然而，在大多數建筑中都存在梁柱的偏心，而當前從建筑模型向結構模型轉換以及分析軟件之間模型轉換的過程中這一重要設置往往會丟失，生成不帶偏心的結構模型，有學者的研究顯示結構中梁柱偏心對構件內力和位移會產生不利影響[18]。

本研究團隊在前期建立了基于XML的結構通用格式(structure general format, SGF)中間數據文件，實現SGF與SAP2000、ETABS、StaadPro等結構分析軟件可讀數據文件的雙向轉換[19]，同時實現SGF與IFC2×版本的數據交換。團隊前期開發的平臺不能轉換偏心模型，且經測試當前由結構設計人員開發的轉換程序以及3d3s、盈建科等具有結構模型轉換功能的軟件大多也不能傳遞偏心節點設置，因此本文嘗試對偏心設置的轉換進行研究。

本文選擇SAP2000、M IDAS兩款主流結構分析軟件進行數據轉換，以SGF作為中間文件，探討構件偏心這一特殊情況轉換所需要的關聯信息，以及實現轉換的原理。最后采用一個典型的框架模型對比分析基于SGF的數據轉換結果。

1　偏心轉換數據表達研究

構件偏心的設定需要很多相關聯的信息，一般涉及到單元坐標定義、復雜截面與單元坐標的關聯規則、在全局坐標下單元坐標的定位系等。因此要實現構件偏心的數據轉換，需要整理關聯參數的對應關系以及各軟件中偏心結構數據的對應轉換關系。

1.1單元坐標研究

1.1.1線單元坐標定義原理

單元劃分是結構分析計算的關鍵，各類分析軟件對線單元坐標的定義略有不同，線單元坐標影響到構件的定位擺放、偏心設定、釋放設置和荷載施加等。SAP2000中線單元坐標定義規則為：單元坐標系原點為單元的起點，單元1軸由線單元的起點指向終點，指向終點方向為正方向；單元2軸與單元截面的弱軸平行，向上為正方向；單元3軸與單元截面強軸平行，向右為正方向。單元坐標定義見表1。

表1　線單元局部坐標

1.1.2線單元坐標與截面的關系

在軟件中，截面的形狀與默認局部坐標的關系是確定的。表2為SAP2000、M IDAS軟件對角鋼的截面定義，因為單元坐標與截面位置關系不同，截面需經過旋轉或者鏡像才能對應一致，因此通過測試統計了所有截面與單元坐標關系。SGF坐標與截面的位置關系與M IDAS相同，僅坐標號表達有差異。

1.1.3全局坐標下的單元坐標定位

同一類構件，因為其所在的位置與放置的方式不同，會導致單元坐標在全局坐標下擺放的位置產生差異，為確保轉換后的構件在其他軟件中實現相同位置擺放，對單元坐標與全局坐標的默認定位規則進行了測試歸納，放置關系見表3，其中X, Y, Z表示全局坐標，x, y, z或1, 2, 3表示局部坐標。

水平或者斜放置的線單元構件，x(1)軸為線單元起點與終點連線所在直線，截面強軸指向與Z軸成銳角，強軸所在的直線一般與XY平面平行；垂直放置的構件單元x(1)軸與Z軸平行，截面強軸所在坐標軸與Y方向平行，弱軸所在坐標軸與X方向平行；線單元構件旋轉角度的定義，都是在局部坐標“2o3”或“yoz”平面內以逆時針旋轉方向為正。SGF的單元坐標定位方式同M IDAS。

表2　角鋼截面與其單元坐標關系

表3　構件單元坐標與整體坐標關系

1.2偏心數據表達解析

1.2.1SAP2000數據文件偏心解析

SAP2000導出的 s2k文件中對偏心的描述在“Frame Insertion Point Assignments”數據表下面，s2k中一段對偏心的描述如下：

偏心數據解析：

(1) CaddinalPt：插入控制點，對于一般截面SAP2000中有11個定義的控制點，規則截面有部分點重合，插入點的位置如圖1所示。軟件默認為截面的形心 10(Centroid)，對控制點的所有描述見表4。

圖1　插入控制點

表4　插入控制點位置對照

(2) M irror2、M irror3：繞局部2、3軸是否有鏡像，是則表示繞該單元軸有鏡像，否則無鏡像。

(3) CoordSys：偏心所依據的坐標系統是局部坐標(單元坐標)還是全局坐標，局部坐標為Local，全局坐標為GLOBAL。

(4) JtOffsetXI～ZJ：偏心數值描述，分別對應節點的偏移量。

1.2.2M IDAS數據文件偏心解析

M IDAS軟件不提供通過單元坐標設置構件偏心的方式，要實現偏心有2種方法：①通過整體移動構件，并在脫離的節點之間添加剛臂。其方式只需經過節點及單元轉換即可實現，但新增節點不方便整體處理；②通過改變截面的控制點，使得截面產生偏移。其方式對構件偏心的類型要求比較高，但基本滿足實際使用需求，因此轉換方案中M IDAS的偏心通過截面設置實現。

mgt文件中一段截面偏心的描述如下：CC, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 數據解析：

(1) Offset：偏心方向，Offset僅僅描述了偏心相對截面的大致方位；

(2) iCENT：偏心控制點為幾何中心還是質心，“0”為質心，“1”為幾何中心；

(3) iREF：用戶定義偏心參照是質心還是邊界，“0”為質心，“1”為邊界；

(4) iREF、iVERT是否存在橫向或豎向偏心，“0”為無偏心，“1”為由用戶設置的偏心；

(5) HUSER、VUSER橫向或豎向的偏心數值，因偏心的方向已經由Offset確定了移動的方位，所以其數值都為正實數。

數據文件中Offset和iCENT共同表達了截面的插入點，二者的組合數據對應了 SGF當中的InsertionPoint，且當 InsertionPoint數值為 8或 10時不能設置偏心數值，具體對應關系見表4。此外M IDAS在兩端的偏心數值不一致或有軸向偏心時不能通過截面實現偏心設置。

2　偏心轉換算法設計

SGF是一種基于XML文件的數據格式，總體結構主要包含5個部分：General總體信息，描述軟件系統、樓層、材料等；Joint節點信息，描述節點坐標、質量、約束等；Frame線單元信息，描述線單元荷載、截面、偏心等；Area面單元信息，描述面單元截面、荷載、洞口等；Load荷載信息，描述荷載組合、工況等。偏心描述在Frame模塊下由FrameOffset表達，線單元 Frame總體表達通過對FrameOffset引用實現線單元構件偏心賦值，FrameOffset中對偏心描述的的XML文件如下：

數據文件中包含了偏心標識號、截面插入控制點、偏心坐標系、截面繞單元軸鏡像情況以及偏心坐標值等信息，將其與s2k, mgt等文件相互映射即可實現構件偏心設置的傳遞。

目前已有基于SGF的通用結構模型轉換系統，在原轉換過程中未考慮偏心，所以算法在對線單元數據處理時并未提取完整的偏心描述部分。將圖2所示的流程添加到已有的總體轉換流程中即可實現平臺對構件偏心的轉換。

圖2　總體轉換流程

提煉數據表達中與偏心相關的核心參數，形成如圖3(a)所示的數據映射，映射中可見s2k文件與SGF模塊基本一致，但與M IDAS數據表述偏差較大；偏心的轉換是通過數據部分以及數值部分共同實現的，通過對軟件反復導出測試，整理出的SGF 與SAP2000和M IDAS的數據文件的數值映射關系，如圖3(b)所示，圖中可見s2k與SGF的數值映射相對簡單，通過一個簡單的矩陣換算即可實現，而mgt與SGF的相互轉換則需要進行邏輯判斷以確定偏心方位。

圖3　轉換映射

在形成數據文件的相互映射關系后進行偏心具體轉換流程的設計，因為數據表達的差異偏心雙向轉換需要分別設計，本文僅介紹SAP2000數據文件經SGF轉換到M IDAS數據文件的轉換流程。算法分4步：①從s2k文件中提取線單元的構件偏心數據按照映射生成SGF文件；②讀取SGF中Frame模塊，并提取參數FrameID, FrameOffsetID, FrameSectionID查找到單元編號以及該線單元對應的截面與偏心參數；③判斷截面是否有偏心，有則參照映射算法生成帶偏心的截面描述，無則直接生成目標截面；④將目標截面關聯到與FrameID相同的單元編號當中形成帶偏心的線單元構件。算法中M IDAS軟件僅通過截面進行偏心處理，對于兩端偏心數值不相等以及通過全局坐標定義偏心等情況都不進行偏心轉換處理。算法流程如圖4所示。

3　實例驗證

3.1設計帶有特殊情況的結構分析模型

為了驗證轉換的可行性，設計一個簡單的三層框架模型，模型橫向兩跨、縱向三跨，有主次梁，外圍梁包含偏心、次梁端部為鉸接，使用SAP2000建立該簡易結構模型，如圖5所示。

由SAP2000導出s2k文件，以SGF為中間格式將s2k文件轉換成mgt文件，部分偏心數據如圖6所示。

圖4　s2k經SGF轉換mgt算法流程

圖5　SAP2000模型

圖6　s2k轉換mgt

3.2轉換之后模型幾何情況對比

為了對比分析轉換的情況，本文采用當前具有結構模型轉換功能的結構分析軟件 3d3s與基于SGF的轉換情況進行對比。由 3d3s轉換后的 mgt文件導入M IDAS中，該模型顯示情況如圖7(a)所示，原模型中的偏心設置部分在轉換過程中變成一個常見的中對中模型；按照SGF映射算法生成包含偏心的mgt文件導入M IDAS軟件中結構物理模型的顯示情況如圖7(b)所示，可見其中偏心的設置并未丟失。

圖7　不同方式轉換的結構模型

3.3分析結果對比

將原模型用SAP2000分析計算，用2種方法轉換后的帶偏心以及不帶偏心模型用M IDAS分析計算。取圖5中1和5兩個支座節點對比支座反力，從表5中可見轉換1偏心丟失后，計算結果產生的相對誤差1較大，而轉換2保留了偏心設置，計算結果的相對誤差2相對較小，細微差別可能由軟件計算模塊略有差別所致，由此可見基于SGF實現偏心的轉換提高模型計算結果精度是可行的。

表5　支座反力計算結果對比分析表

4　結論與展望

通過以上對構件偏心轉換的原理研究，可得出以下結論：

(1) 軟件的各類坐標系統及相互間關系決定了構件偏心設置的方法，及其參數所包含的內容；

(2) 軟件的可讀數據文件中對偏心有嚴格的數據表達格式，通過對其解析能夠實現偏心設置的提取；

(3) 基于SGF的偏心轉換算法經過實例驗證是可行的，能夠解決轉換過程中構件偏心設置丟失的情況。

結構分析軟件之間偏心的轉換可以減少后期對轉換模型的處理加工工作，對于分析模型能夠得出準確的計算結果，具有重要的意義。IFC標準作為目前BIM技術公認的模型數據標準，今后將進一步研究SGF與IFC的偏心轉換，自動從三維建模軟件中提取更加準確的結構分析模型。

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Research on Data Conversion Method for Eccentric Member of Structural Analysis Model

Zou Shuai,Lai Huahui,Deng Xueyuan
(Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The XML-based structure general format had been built in the early stage to carry out basic model data conversion among several different structural models such as SGF, SAP2000, ETABS and IFC. However the conversion of complex eccentrically components was not achieved in most existing platforms which caused negative influence to the results of structural analysis. This research analyzed the eccentric data structures from different structure software applications, and summarized the data expression of eccentric structural members. Moreover, the mapping relationship between SGF and eccentric data was established, and then an eccentric structure analytical model conversion algorithm was proposed to implement the transformation of eccentric components of structure models. Finally the algorithm was validated through a case of model conversion for a typical framework with eccentric members.

structural analysis model; data conversion; eccentric member; structure general format

TU 201.4

10.11996/JG.j.2095-302X.2016020257

A

2095-302X(2016)02-0257-08

2015-07-30；定稿日期：2015-11-01

鄒帥(1990–)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生。主要研究方向為結構分析軟件之間模型數據轉換。E-mail：zoushuaijia@sjtu.edu.cn

鄧雪原(1973–)，男，湖北荊門人，副教授，博士。主要研究方向為建筑CAD協同設計與集成、基于BIM技術的建筑協同平臺。

E-mail：dengxy@sjtu.edu.cn