基于BIM技術的大型鋼結構建筑可靠性 檢測方法研究

田國鋒 王學民 郭慧娟

摘? 要： 針對現有大型鋼結構建筑可靠性檢測方法執行效率低、檢測精度低等問題，設計基于BIM技術的大型鋼結構建筑可靠性檢測方法。首先以大型建筑鋼結構為研究對象，運用BIM技術建立合理的建筑鋼結構的功能函數用于描述極限狀態，以極限狀態方程為約束條件構建大型鋼結構建筑可靠性分析約束優化模型。其次使用曾廣乘子法將約束優化模型轉變為無約束優化模型，使用模擬退火算法對該模型進行求解。最后模擬大型建筑鋼結構形變狀態設計對比實驗，實驗結果表明與同類檢測方法相比，應用基于BIM技術的大型鋼結構建筑可靠性檢測方法后，檢測精度提升97.77%以上，有效緩解了檢測效率低下情況。

關鍵詞： 大型鋼結構; 可靠性檢測; BIM技術; 無約束優化模型; 參數設定; 對比驗證

中圖分類號： TN957?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）06?0090?03

Research on large?scale steel structure building reliability detection

method based on BIM technology

TIAN Guofeng， WANG Xuemin， GUO Huijuan

（Hebei University of Water Resources and Electric Engineering， Cangzhou 061000， China）

Abstract： As the low execution efficiency and detection precision of reliability detection methods for existing large?scale steel structure buildings， a large?scale steel structure building reliability detection method based on BIM technology is designed. The large?scale building steel structure is taken as the research object， and the functional function of the reasonable building steel structure is established with BIM technology to describe the limit state， and the constraint optimization model for reliability analysis of large steel structures is built taken the limit state equation as the constraint condition. The constrained optimization model is transformed into the unconstrained optimization model by means of the augmented multiplier method， which is solved by means of the simulated annealing algorithm. A comparative experiment to simulate the deformation state of large?scale building steel structure is designed. The experimental results show that， in comparison with the similar detection methods， after the application of BIM technology based reliability detection method for large?scale steel structure buildings， the detection precision is improved to more than 97.77%， which effectively alleviates the detection inefficiency.

Keywords： large?scale steel structure; reliability detection; BIM technology; unconstrained optimization model; parameter setting; comparison validation

0? 引? 言

在實際工程中，由于受眾多外界因素的影響，大型建筑鋼結構的實際幾何參數與設計理想值的偏離度較大。在設計階段有效分析外界影響因素對大型建筑鋼結構的影響，需要通過可靠性檢測來判斷大型建筑鋼結構的承載能力[1?2]。

關于大型鋼結構建筑的可靠性檢測，國內外很多學者都進行了大量的探索，例如熊殿華等人針對大型建筑結構的分析，依據大型建筑鋼結構參數分析所形成的影響程度，結合粗糙集理論建立鋼結構模型[3]。對該模型的不確定性進行區間描述，結合可靠性區間分析方法以及粗糙集變量功能函數創建建筑鋼結構可靠指標評價方式，實現大型鋼結構建筑可靠性檢測性能的提升。該方法存在的弊端是：如果功能函數較為復雜，將會導致整個檢測結果誤差較大。盧巍等人充分考慮影響大型建筑鋼結構可靠性因素之間的關聯性[4]，引入網絡分析法進行相關可靠性因素權重的計算，創建影響鋼結構可靠性因素的模糊隸屬度矩陣，進而對大型建筑鋼結構的可靠性進行檢測。該方法存在的弊端是執行效率較低。成宏等考慮到大型建筑鋼結構的材料關聯性對鋼結構可靠性指數的影響[5]，采用有限元分析法建立大型建筑鋼結構模型，該模型能有效體現結構的可靠性。范興朗通過點估計法獲取功能函數的概率密度函數，并依據大型建筑鋼結構可靠性的定義計算鋼結構失效概率，進行可靠性檢測[6]。該方法存在的弊端是測量精度有限。

為解決上述存在的問題，本文引入BIM技術，設計了大型鋼結構建筑可靠性檢測方法。對比實驗結果驗證了所提方法的精度、效率以及穩定性。

1? 鋼結構建筑可靠性分析無約束優化模型

建筑鋼結構極限狀態實質是鋼結構承載過程中可靠與不可靠的臨界狀態。根據建筑鋼結構的支撐狀態是否達到臨界值來對建筑結構的可靠性進行分析與檢測。前提條件是獲取能準確描述鋼結構的功能函數，來描述其極限狀態[7]。

將建筑鋼結構功能函數描述為：

式中：[R]表示大型建筑鋼結構強度;[S]表示該結構的實際應力值。

設大型建筑鋼結構的可靠概率為[Pr]，失效概率為[Pf]，兩者之間和事件是必然事件，存在以下關系：

由式（4）即可獲得大型建筑鋼結構失效概率[Pf]與[β]之間的數學關系，將[β]視為結構可靠性指標。運用BIM技術，構建優化模型：

式中：[M]用于描述適應度;[X=[X1，X2，…，Xn]];[μv]和[σv]分別表示[Xv]相應的均值和標準差。

式（5）為含有[m]個約束項[gj（X）]的模型，可采用曾廣乘子法將式（5）轉換為無約束優化模型，即：

式中：[Mλ]用于描述無約束優化模型的適應度;[r]表示懲罰因子;[λ=[λ1，…，λm]]表示Lagrange算子;等式右邊第二項表示懲罰項，第三項表示乘子項。

采用曾廣乘子法無需懲罰因子趨于無窮大，需選取一個較大的值或是根據一定比例逐漸增加[8]。

2? 無約束優化模型求解

模擬退火算法采用輔助分布和多重馬爾科夫鏈，等同于吉布斯采樣器[9?10]，同時吉布斯分布又被稱之為玻爾茲曼分布，其表達式描述如下：

式中：[i]用于描述迭代次數;[Z]表示正則化參數;[U（i）]表示玻爾茲曼常數;[T]表示溫度;[E（i）]表示系統能量。

采用模擬退火算法對模型進行求解，利用[μ-1]計算迭代步長：

式中：變量元素[Xrand]與變量[X]元素的數量等同，且全部元素是處于區間[[-1，1]]內的隨機變量;[sgn（·）]表示符號函數。

3? 實驗結果與分析

本實驗采用Ribbon檢測硬件、Geomagic Qualify檢測軟件的仿真計算機，對大型建筑鋼結構進行模擬，通過施加載的方式，模擬大型建筑鋼結構發生形變，以此對其可靠性進行檢測。為了確保以實驗結果的真實有效，對相關實驗參數進行設定，如表1所示。

表1中，參數APP用于描述大型鋼結構建筑可靠性檢測處理系數，參數ETL用于描述執行效率上限，參數SCC用于描述結構基準檢測系數，參數LFA表示大型鋼結構可靠性測量精度極限。參數ELL用于描述實驗時間。為了實驗結果真實、有效，實驗組、對照組參數選取一致。記錄給定時間內，實驗組、對照組結構可靠性檢測方法執行效率的變化趨勢，具體實驗結果如圖1和圖2所示。

分析圖1、圖2可知，隨著實驗時間的增加，實驗組?本文檢測方法對應的執行效率呈現出先上升后下降一些，再上升的趨勢，實驗進行至50 min時，本文檢測方法對應的執行效率約達到78.45%，比上限值高出3%;對照組?文獻[4]方法對應的執行效率呈現出先下降后上升的趨勢，實驗進行至50 min時，對照組文獻[4]方法對應的執行效率達到70.21%，比上限值低5.24%，遠遠低于本文方法。

分析圖2可知，隨著實驗時間的不斷增加，本文檢測方法對應的執行效率逐漸呈現出先下降后上升最后下降的變化趨勢;實驗進行至17.3 min時，本文方法對應的執行效率達到79.25%，比上限值高出9.00%;對照組?文獻[4]方法對應的執行效率呈現出先上升后下降循環出現的變化趨勢，實驗進行至25.5 min時，對照組?文獻[4]方法檢測效率達到最大60.90%，遠低于實驗組?本文方法。分別記錄在給定實驗時間內，本文方法、文獻[4]方法進行大型鋼結構建筑可靠性分析精度的變化結果，具體對比結果如表2、表3所示。

分析表2、表3結果可知，隨著實驗時間的增加，實驗組本文方法的檢測精度逐漸呈現出先上升后穩定的變化趨勢，當實驗時間增加至50 min時，本文方法檢測精度達到最大值97.77%，文獻[4]方法檢測精度達到最大值92.36%，遠低于本文方法。

4? 結? 語

基于BIM技術將模擬退火算法用于大型鋼結構建筑可靠性檢測。研究結果表明，本文方法用于大型鋼結構建筑可靠性分析檢測具有較高的檢測精度和執行效率。本文采用模擬退火算法求解了大型建筑鋼結構的可靠性指標，求解結果與傳統檢測方法相比，更加快速精準。未來，將不斷提升建筑結構可靠性檢測方法對于可靠性指標數據的處理精度，并構建更完善的大型鋼結構建筑可靠性檢測方法。

參考文獻

[1] 于艷春，李建操，陳衛東，等.有限體積法的實體結構疲勞可靠性分析[J].哈爾濱工程大學學報，2017，38（9）：1413?1419.

[2] 李正川，王星星，李航，等.基于最佳側移剛度分布的鋼框架結構抗震設計方法[J].工程抗震與加固改造，2018，40（6）：104?109.

[3] 熊殿華，文常保.建筑可靠性的非線性粗糙多變量不確定分析[J].控制工程，2017，24（7）：1481?1485.

[4] 盧巍，何洪明，劉興旺，等.基于ANP的既有建筑結構可靠性模糊綜合評價[J].河北農業大學學報，2017，40（2）：119?122.

[5] 成宏，唐壽高.鋼筋混凝土結構非線性的可靠性評估[J].太原理工大學學報，2017，48（4）：657?662.

[6] 范興朗，董玲瓏，吳熙.基于廣義Lambda分布逼近的結構可靠度計算方法[J].計算力學學報，2017，34（4）：417?421.

[7] 王元清，廖小偉，周暉，等.基于SINTAP?FAD方法的含裂紋缺陷鋼結構構件安全性評定研究[J].工程力學，2017，34（5）：49?58.

[8] 崔路苗，部志宇.地震區居民建筑鋼結構極限承載力測試與分析[J].地震工程學報，2018，40（1）：54?59.

[9] 呂國軍，張合，孫麗娜，等.廊坊市重要建筑物易損性分析[J].地震研究，2017，40（4）：638?645.

[10] 張興奇，郝紅福，李德軍，等.北京中弘大廈鋼結構工程BIM技術應用[J].施工技術，2017（z1）：366?369.