基于Revit平臺的隔震支座快速建模模塊開發與應用

陳澤云, 陳鑫*, 談麗華, 劉濤, 唐柏鑒, 孫勇

(1. 蘇州科技大學江蘇省結構工程重點實驗室, 蘇州 215011; 2. 中衡設計股份集團有限公司, 蘇州 215021; 3. 江蘇省住房和城鄉建設廳, 南京 210036; 4. 江蘇省建筑科學研究院有限公司, 南京 210008)

建筑信息模型(building information model,BIM)是以三維幾何模型為基礎的多維信息模型,該技術是繼計算機輔助設計(computer-aided design,CAD)技術之后行業內出現的建筑信息表達新技術[1]。近年來,隨著國家社會經濟發展和行業轉型升級需要,該技術已被廣泛應用到建筑規劃、設計、施工、運維等各個方面,貫穿了建筑的全生命周期[2-4]。與傳統CAD技術不同,BIM不僅包含了建筑的幾何信息——三維模型,而且還包含了其他非幾何的信息,如材料強度、密度、配套設備的單價及出廠日期等,使得項目參與各方可在建筑全壽命周期(規劃、設計、施工、運營等階段)共享使用建筑物所有信息,極大降低建筑全壽命管理成本。

隨著BIM技術的發展,如何在結構工程領域高效利用BIM成為近年相關學者研究的重點之一。Caterino等[5]基于BIM提出了一個多標準集成框架(MCDM-BIM),來輔助決策者為現有建筑選擇最優抗震改造策略。Hasan等[6]分析了當前BIM平臺分析模型語義方面的缺陷,建立了一種基于有限元和邊界元方法的BIM結構分析系統。陳培智等[7]在對FEMA P-58解讀的基礎上,提出一套基于BIM和本體的建筑抗震性能評估方法,并以某建筑為例進行可行性驗證。Shin[8]以結構工程協作的視角,分析了BIM中結構、施工、建筑和管理模型之間信息互操作性的可能性,發現信息互操作性僅限于開發水平等級(levels of detail,LOD)為300時。嚴旭[9]在某鋼結構廠房中采用了全過程BIM正向設計,結果表明結構專業單純地用Revit替代AutoCAD完成布置設計,減少了“畫圖”工作量,可讓工程師更專注地投入“設計”之中。

隔震技術在建筑上部結構與下部結構之間設置柔性連接(隔震系統),使上部結構與地震動的水平成分絕緣,從而保護上部結構抗震安全。相關設計理論和應用方法已較為成熟,理論、試驗和實際震災均表明即使遭受罕遇地震,隔震結構也能維持上部結構功能,保障建筑內部生命財產安全。尚守平等[10]開展了三維隔震墩的擬靜力試驗,建立了該隔震裝置的理論模型,并對某4層框架結構進行隔震分析,結果表明隔震結構水平加速度可降低40%以上,梁截面內力可減小30%以上。李祥秀等[11]開展了巨-子結構抗震體系振動臺試驗,結果表明相對抗震體系,巨-子結構隔震體系地震響應顯著降低。周福霖等[12]現場考察了仙臺地區在3月11日日本東北地區太平洋近海地震中的地震災害情況,發現隔、減震技術能夠有效提升建筑抗震能力。因此,近年來我國大力推行隔震技術工程應用,先后頒布了《建筑隔震設計標準》《建設工程抗震管理條例》等文件,其中明確規定:鼓勵建設工程中采用隔震減震等技術,提高抗震性能,其中位于高烈度設防地區、地震重點監視防御區的新建學校、幼兒園、醫院等公共建筑或對已建成的該類建筑進行抗震加固時,應當采用隔震減震技術。

隨著常規隔震技術的日趨成熟,學者們在隔震領域的研究逐漸轉移至新型高性能隔震支座的開發,如Xu等[13]提出了一種具有非耦合壓縮和剪切機制的新型混合隔震支座(hybrid isolation support, HIB),并完成了對兩種尺寸HIB的實驗研究,與傳統的LRB隔震結構相比,HIB隔震結構在地震下從頻繁到罕見的響應變化相似,在極其罕見的地震下,HIB具有更穩定的力學行為。Xiong等[14]開發了板簧摩擦系統(flat-spring friction system ,FFS)用于隔震,數值模擬結果表明,當FFS作為隔振器安裝時,結構響應可以顯著降低。潘欽鋒[15]等提出滑板支座、復位裝置相結合的新型組合隔震系統,分析表明,新型組合隔震系統能保證近斷層脈沖型地震下隔震的有效性,且具有較為良好的減震性能。

上述新型隔震裝置的研發為隔震技術推廣應用提供了更高性能的裝置和更多的可選方案,但在BIM技術已全面進入建筑工程行業的當下,如何提升BIM的建模效率,已成為學者及工程人員的重點研究方向。鄒貽權等[16]研究并設計了基于數據驅動的裝配式建筑預制構件的快速建模,實現了預制構件的快速與精細化建模,提高了裝配式構件深化設計效率。祝兵等[17]基于CATIA軟件,提出了一種橋梁參數化智能建模方法與相應技術路線,采用該技術實現了湘江特大橋主橋的全橋BIM模型的參數化智能建模、三維可視化展示和數字化交付,驗證了該技術的可行性以及工程適用性。Wang等[18]提出一種自動化BIM建模的技術,該技術可根據激光掃描數據準確提出機械電氣管道(mechanical electrical plumbing,MEP)構件的幾何信息與連接關系,將提出的數據導入Dynamo軟件中即可自動生成參數化BIM模型,最后通過實驗證明該方法能夠準確生成用于設施管理的BIM模型。Girardet等[19]針對現有BIM建模技術對橋梁等基礎設施項目的應用較少的現象,提出了一種針對橋梁的參數化建模的方案,該方案開發出了一個參數文件,其中的參數化算法可在設計軟件中快速建立橋梁元素。

基于上述對隔震技術及BIM建模技術的分析,發現對隔震支座進行BIM快速建模的相關研究在已有文獻中較為缺乏,因此,現根據現有隔震支座分類和特性提出隔震支座BIM快速建模模塊的基本架構,在此基礎上聯合Revit和Visual Studio平臺開發包含疊層橡膠隔震支座、滑移摩擦隔震支座以及其他隔震支座的快速建模模塊,并實現連接節點參數化布置、支座批量/手動布置等功能,最后在某隔震加固實際工程中開展應用實踐,討論快速建模模塊對隔震支座BIM建模效率的提升。

1 隔震支座分類及建模模塊架構

1.1 隔震支座及其分類

隔震支座是實現結構隔震的關鍵構件,一般設置于上部結構與下部結構之間。它一方面需要承受上部結構傳遞而來的豎向和水平荷載,另一方面需要在地震作用下具備足夠的變形和耗能能力。如圖1所示,通常可以將隔震支座分為疊層橡膠支座、滑移摩擦支座和其他支座三大類[20]。

圖1 隔震支座分類Fig.1 Classification of the isolators

(1)疊層橡膠支座,是由天然橡膠片或氯丁二烯橡膠片與鋼板疊合而成,可分為天然橡膠支座、高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座。其中,高阻尼橡膠支座采用高阻尼橡膠材料制造,構造與天然橡膠支座相同;鉛芯隔震支座則是在天然橡膠支座中間開孔,灌入鉛形成圓柱體的鉛芯耗散能量。

(2)滑移摩擦支座,是一種在支座上部和下部之間設置摩擦層,傳遞有限而恒定的摩擦力的支座,可分為摩擦擺隔震支座、盆式滑動支座等。其中,摩擦擺隔震支座是一種通過球面擺動延長結構振動周期和滑動界面摩擦消耗地震能量實現隔震功能的支座;盆式滑動支座則是一種水平滑動的滑移摩擦支座。

(3)其他類型支座,除了上述兩大主要的隔震支座類別之外,相關學者和工程師們還開發了金屬隔震支座、復合隔震支座等其他隔震支座[21-23],由于這些支座尚未形成明確的體系,無法明確分類,本文統稱為其他類型支座。

1.2 隔震支座快速建模模塊基本架構

Revit是Autodesk公司推出的三維建模軟件,目前該軟件被全世界廣泛用于建筑工程設計中,也是國內建筑業BIM技術實踐應用中使用最為廣泛的軟件之一。Reivt API提供了大量二次開發可用的名稱空間、名稱空間下的類、類中的屬性及方法。用戶在進行Revit二次開發時主要是通過調用其對應的應用程序接口(application program interface,API ),使用C++、C#、VB等語言進行開發并且集成到Revit中。本文在進行二次開發時主要采用了Revit API中的Revit API.dll和Revit APIUI.dll兩個程序集,前者用于數據提取與編輯,后者用于圖形界面創建[24]。

考慮Revit平臺二次開發的特點,基于1.1節對隔震支座的分類,建立隔震支座快速建模模塊的基本架構如圖2(a)所示:①圖形界面的菜單欄設置以隔震支座分類為基礎,分為疊層橡膠支座、滑移摩擦支座和其他支座三大類;②由于天然橡膠支座與高阻尼橡膠支座的構造相同,在建模模塊中將兩者共用一個子菜單;③其他支座分類中,目前僅開發和展示了課題組研發的新型形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)隔震支座[23],其他隔震支座的快速建模功能可根據需求進一步按照相同的方法拓展;④在模塊開發過程中,實現連接節點參數化布置和支座批量/手動布置的操作功能,以適應不同工程需求,并提高建模效率。基于上述架構,編制隔震支座快速建模模塊圖形用戶界面如圖2(b)所示。

圖2 隔震支座快速建模模塊架構及圖形用戶界面Fig.2 Structure and graphical user interface of the rapid modeling module for isolators

2 隔震支座快速建模模塊開發

2.1 疊層橡膠支座快速建模功能

疊層橡膠支座在BIM軟件中的模型構造如圖3所示,其中,天然(高阻尼)橡膠支座主要由上下封板、橡膠層、鋼板層組成,鉛芯橡膠支座的構造在上述部件的基礎上增加了鉛芯。

圖3 疊層橡膠隔震支座構造Fig.3 Configurations of the laminated rubber isolators

基于上述構造,分別開發了天然(高阻尼)橡膠支座和鉛芯橡膠支座建模功能。其中,鉛芯橡膠支座的參數化建模圖形用戶界面如圖4(a)所示,界面中各參數含義如圖4(b)所示,天然(高阻尼)橡膠支座的建模圖形界面僅比鉛芯橡膠支座少鉛芯半徑1項,其余相同,此處不做重復介紹。鋼板層和橡膠層的數量可通過支座高度、橡膠層厚、鋼板層厚和封板厚度計算獲得

(1)

圖4 疊層橡膠支座參數化建模圖形用戶界面Fig.4 Graphical user interface for the parametric modeling of the laminated rubber isolators

式(1)中:Ns為鋼板層數量;H為支座高度;tr為橡膠層厚;tf為封板層厚;ts為鋼板層厚。

Nr=Ns+1

(2)

式(2)中:Nr為橡膠層數量。

2.2 滑移摩擦支座快速建模功能

2.2.1 摩擦擺隔震支座

根據《建筑摩擦擺隔震支座》(GB/T 37358—2019),按照滑動摩擦面的形式將摩擦擺支座分為兩類:Ⅰ型為單主滑動摩擦面;Ⅱ型為雙主滑動摩擦面型。上述摩擦擺隔震支座在BIM軟件中的模型構造如圖5所示,可見Ⅰ型和Ⅱ型摩擦擺隔震支座均由上座板、下座板、球冠體和滑動摩擦面組成,其中Ⅰa型支座的滑動摩擦面在上座板與球冠體之間;Ⅰb型支座的滑動摩擦面在下座板與球冠體之間;Ⅱ型支座的具有兩個滑動摩擦面,即上下座板與球冠體之間均有摩擦面。

圖5 摩擦擺隔震支座構造Fig.5 Configurations of the friction pendulum isolators

考慮摩擦擺隔震支座球冠體和摩擦面的復雜構型,根據摩擦擺隔震支座常用型號的參數,預定義了相應的BIM模型,如圖6所示的摩擦擺隔震支座快速建模圖形用戶界面中,可通過下拉菜單選擇不同型號、不同參數的摩擦擺隔震支座模型,進而選擇布置功能,即可快速完成摩擦擺隔震支座的快速建模。

圖6 摩擦擺隔震支座快速建模圖形用戶界面Fig.6 Graphical user interface for fast modeling of the friction pendulum isolators

2.2.2 盆式滑動支座

盆式滑動支座主要由鋼盆、滑移面板、滑移材料板、中間鋼板和橡膠層等部分組成,其中滑移面板一般為不銹鋼板,滑移材料一般選用聚四氟乙烯板。其在BIM軟件中的模型構造如圖7(a)所示,通過調整圖7(b)中的參數大小,即可完成對盆式滑動支座的參數化建模。

圖7 盆式滑動支座構造及參數化建模圖形用戶界面Fig.7 Configuration and parametric modeling graphical user interface of the basin sliding isolators

2.3 其他類型隔震支座快速建模功能

隨著隔震技術的發展,各類新型隔震支座越來越多,其構造各不相同,難以通過統一分類開展參數化建模。針對這種情況,本文研究開發了其他類型隔震支座族庫,開發某一新型支座后,首先建立該支座的族,而后保存到族庫指定文件夾,隨后即可通過本模塊的其他類型支座族庫實現批量/手動加載建模,提高支座模型的管理和建模效率。目前,該族庫收錄了課題組開發的SMA隔震支座[25],其圖形用戶界面如圖8所示。

圖8 其他類型支座族庫圖形用戶界面Fig.8 Graphical user interface for the other type isolators

2.4 連接節點參數化建模功能

隔震支座與上、下部結構之間一般通過預埋錨栓和法蘭板的方式連接。針對不同的結構設計,螺栓的型號、數量以及法蘭板的尺寸均會有所不同,這給BIM建模過程帶來了不便,為此在快速建模模塊中開發了連接節點的參數化建模功能。連接節點的法蘭板分為方形與圓形兩種形式,其參數設置的圖形用戶界面如圖9所示。

圖9 法蘭板參數化建模圖形用戶界面Fig.9 Graphical user interface for parametric modeling of the flange

連接節點的錨栓或者螺栓通常會采用承壓型高強螺栓或者普通螺栓,其孔徑一般要比螺栓的公稱直徑大1.0～1.5 mm,中心距與邊距等構造要求按照《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)執行。本文的螺栓參數化建模利用了Revit自帶的普通C級六角頭螺栓族,參數化建模圖形用戶界面如圖10所示。

圖10 螺栓參數設置圖形用戶界面Fig.10 Graphical user interface for the parameter-setting of the bolt

上述參數化建模過程已嵌入每個隔震支座建模功能中,如圖11(a)所示為鉛芯橡膠支座的參數化建模圖形用戶界面,其中,除了支座本身的參數化建模功能之外,也包含了螺栓和法蘭板的參數化建模功能。參數化建模表單填寫完成后,即可生成如圖11(b)所示的鉛芯橡膠支座。

圖11 鉛芯橡膠支座參數化建模示例Fig.11 Example of parametric modeling of lead rubber isolator

2.5 批量與手動布置功能

真實工程中,隔震系統內包含的隔震支座數量較多,安裝的平面和立面位置也不盡相同,為此在快速建模模塊中開發了批量和手動布置的功能。其中,批量布置功能通過繼承接口類IExternalCommand實現外部命令的加載,代碼編制的邏輯是:先選中要布置支座的下支墩,遍歷所有下支墩并獲取其上表面中心的三維坐標,最后加載族并創建族實例;手動布置針對特殊位置的隔震支座建模,建模方式更為靈活,代碼編制的邏輯是:通過鼠標點擊獲取擬安裝位置三維坐標,而后在相應坐標處創建族實例。兩者布置方式的對比如圖12所示。

圖12 支座布置方式對比Fig.12 Comparison between the different isolator arrangements

3 隔震結構快速建模應用實踐

3.1 工程概況

某化工公司庫房[圖13(a)]始建于1981年,于2019年采用隔震技術進行加固改造,主體結構為4層裝配式框架結構[圖13(b))],高度為15.70 m,建筑面積約為6 912 m2,建筑抗震設防類別丙類,結構安全等級三級,抗震設防烈度7度,設計基本加速度0.10g(g為重力加速度),設計地震分組第二組,場地類別Ⅱ類,場地特征周期0.40 s。

圖13 某化工公司庫房Fig.13 A ware house of a chemical company

本項目所采用的疊層橡膠支座的產品性能均符合《建筑隔震橡膠支座》(JG/T 118—2018)的規定,其力學性能參數、幾何參數以及連接節點參數如表1～表3所示,其中,GZP500和GZP600為天然橡膠隔震支座,GZY700為鉛芯橡膠隔震支座。支座設置于結構底層柱底,平面位置如圖14所示。利用快速建模模塊生成的各型號隔震支座BIM模型如圖15所示。

表1 隔震支座力學性能參數Table 1 Design parameters of the isolators

表2 隔震支座幾何參數Table 2 Geometric parameters of the isolators

表3 法蘭板及螺栓參數Table 3 Flange plate and bolt parameters

圖14 隔震支座平面布置圖Fig.14 Layout of the isolators

圖15 各型號隔震支座BIM模型Fig.15 BIM models of these types of isolators

3.2 隔震層BIM建模實踐

圖16給出了直接建模方式和采用隔震支座快速建模模塊的建模方式的操作步驟,對比操作過程可見:①采用直接建模方式需要拉伸實體、陣列實體、螺栓建模等7個步驟,而利用快速建模模塊的方式僅需輸入參數、選擇柱底兩大主要步驟,建模所需操作步驟明顯少于常規的直接建模方式;②采用快速建模模塊的建模方式降低了建模者對支座構造細節的高要求認知,對隔震支座有初步認知的專業人員即可通過該模塊進行高效建模。采用隔震支座快速建模模塊建成的該庫房隔震層BIM模型如圖17所示,對比真實隔震支座可見,建成的隔震支座模型能夠真實展現隔震支座的各個部件和構造細節。

圖16 隔震層不同建模方式對比Fig.16 Comparison between different modeling methods of the isolation layers

圖17 某庫房隔震層BIM模型Fig.17 The BIM model of the warehouse’s isolation layer

4 結論

針對隔震支座分類與特性,提出了隔震支座BIM快速建模模塊基本架構,聯合Revit和Visual Studio平臺開發了隔震支座快速建模模塊,實現了橡膠隔震支座、滑移摩擦隔震支座以及其他隔震支座BIM模型的快速建模功能,并通過開發連接節點參數化建模、支座批量/手動布置等功能提升了實際工程應用時的建模效率。最后,針對某化工公司的庫房隔震加固項目開展了隔震層BIM建模實踐,結果表明:利用快速建模模塊可將隔震層BIM建模操作從7個步驟降低至2個步驟,且使用過程中對隔震支座構造細節的認知要求相對較低,同時建成后的BIM模型與實際工程在建筑信息的多個方面具有較好的一致性。