基于BIM的Midas Gen鋼結構有限元分析

摘要：目前，BIM模型參與的有限元分析的實際案例相對較少，因此，急需解決通過結合BIM和有限元分析進行應用的問題。本文主要基于BIM和Midas Gen對鋼結構設計安全性能進行有限元分析研究，首先，通過對本工程鋼結構的材料進行構件屬性定義；其次，使用BIM軟件Revit將兼職建筑信息模型導入Midas Gen，根據實際工程條件定義設計參數，并說明結構的荷載定義及邊界條件；再次，通過有限元軟件Midas Gen分別對鋼結構進行靜力分析和動力分析，獲取結構的應力和變形結果；最后，得出結構最大應力為192.4 MPa，最大位移數值為14.8 mm，均滿足規范要求。

關鍵詞：BIM；Midas Gen；有限元分析；荷載；地震作用

中圖分類號：TU355"""""""""""" 文獻標識碼：A""""""""""""" """文章編號：

Finite Element Analysis of Midas Gen Steel Structure Based on BIM

FAN Chuanqi，WANG Kui，JIANG Yong，Hu Wendong

（China Overseas Construction Limited，Shenzhen Guangdong 518000）

Abstract： Currently， there are relatively few actual cases of finite element analysis involving BIM models， therefore， it is urgent to solve the problem of combining BIM and finite element analysis for application. This article mainly conducts finite element analysis and research on the safety performance of steel structure design based on BIM and Midas Gen， firstly， the material properties of the steel structure in this project are defined; Secondly， use BIM software Revit to import the part-time building information model into Midas Gen， define design parameters based on actual engineering conditions， and explain the load definition and boundary conditions of the structure; Again， static and dynamic analyses were conducted on the steel structure using the finite element software Midas Gen to obtain the stress and deformation results of the structure; Finally， the maximum stress of the structure is 192.4 MPa， and the maximum displacement value is 14.8 mm， both of which meet the requirements of the specifications.

Keywords：BIM；Midas Gen；finite element analysis；load；earthquake action

0 引言

建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）是通過系列軟件建立相關三維模型，可實現建筑全生命期管理功能。Midas Gen是一款國內通用的結構設計有限元分析軟件，可實現對鋼結構進行力學分析。目前，BIM相關建模軟件僅能建立建筑信息模型，并不能對結構進行復雜的力學分析；在鋼結構進行相關力學分析研究上，大多數的研究尚未考慮BIM軟件Revit與有限元軟件的模型有效結合問題。本文采用BIM軟件Revit建模有效導入有限元分析Midas Gen軟件，利用BIM軟件Revit建立建筑信息模型，然后將其導入Midas Gen，通過軟件的相關計算和分析來評估鋼結構設計安全性能[1-4]。

1 模型建立

1.1 材料定義

本文以安徽省合肥市中安創谷科技園1#樓為例，該工程的屋面頂部含有鋼結構工程?，F對鋼結構工程的材料構件進行定義，詳見表1。

1.2 BIM模型導入有限元軟件Midas Gen

鋼結構的BIM模型首先是利用Revit進行建模；然后在軟件中安裝兼容Midas Gen和Revit的軟件模型接口插件。安裝完成后，打開已建好Revit模型，點擊軟件標題欄中的附加模塊將模型導入到Midas Gen；隨后進行相關軟件設置，最終成功將BIM模型導入有限元軟件Midas Gen，并進行相關力學分析。Revit模型如圖1所示，Midas Gen模如圖2所示[5-6]。

1.3 荷載定義

根據設計說明，本工程鋼結構的荷載分類及大小定義：恒荷載取值1.5 kN/M2；雪荷載取值0.60" kN/M2，風荷載取值0.35 kN/M2。對靜力荷載作用進行組合，其組合工況見表2。

1.4 邊界條件

根據本工程屋面鋼結構的設計規范，屋面鋼結構的柱腳可以根據不同約束條件分別視為剛接和鉸接。在Midas Gen軟件建模中，分別建立這2種柱腳支座，然后通過軟件賦予支座不同約束條件，最后通過對鋼結構焊接位置逐步釋放約束條件模擬得到實際作用情況。Midas Gen模型建立的邊界條件如圖3所示。

2 靜力分析

首先需要對鋼結構進行靜力分析。一般情況下，結構的靜力分析會先進行應力分析，然后再進行變形分析[7]。

2.1 應力分析

2.1.1" 應力分析

通過Midas Gen的計算分析，可以獲得鋼結構構件的應力比（見圖4）。由此得出該鋼結構構件的應力比均＜1，滿足相關規范要求。

2.1.2" 構件應力分析

通過Midas Gen軟件的計算分析，可以獲取鋼結構構件的應力，應力結果如圖5所示。

2.2 變形分析

通過Midas Gen軟件的分析計算，在包絡的各種靜力荷載工況下，可得到鋼結構的最大豎向變形，最大豎向變形如圖6所示。

根據計算結果，可以清晰得到最大結構變形數值為6.5 mm，由于此鋼結構構件的跨度為12 m，根據規范要求變形不超過構件長度的1/250，經計算規范要求為48 mm；6.5 mm＜48 mm，滿足規范要求。

3 動力分析

完成靜力分析后，還需要對鋼結構進行動力分析。結構動力分析一般先進行模態分析再進行反應譜分析[8-9]。

3.1 模態分析

通過Midas Gen有限元分析軟件對鋼結構進行模態分析，經過軟件計算分析后，可以獲得結構的前十二階固有頻率及結構的振型質量參與系數，通過表3中的數據，總結出一般規律：即隨著結構的振型階數不斷逐步增大，其自振頻率也不斷提高，而且變化的頻率會逐漸減小。經過模態分析后，通過表4中的數據，得出結構前三陣型結論：該結構第1階～第3階振型分別是結構在X向的平動、在Y向的平動及繞Z軸的轉動。結構的第1平動自振周期T1=2.6286 s，結構第1扭轉自振周期Tt=1.8562 s，通過計算得出其中周期比Tt/T1=0.706＜0.85，滿足相關規范要求。經過Midas Gen軟件計算得到結構的振型圖（見圖7）。

3.2 反應譜分析

根據振型分解法，可知該結構在某一時刻所受到的地震作用為各個振型的累加之和。根據《建筑抗震設計規范》中的可近似地震作用效應組合公式為：

（1）

式（1）中：S為組合的地震作用標準值的效應，Sj為第j振型地震作用標準值的效應。

本工程結構設計參數見表5。

由表5可以得到地震影響系數（見圖8）。本工程鋼結構不需要進行豎向地震作用的考慮，而水平地震作用需要考慮下面2種工況：X方向的地震作用Ex和Y方向地震作用的Ey，在地震作用下結構的荷載效應組合工況見表6。

通過反應譜分析法對軟件的結構計算結果進行分析，獲得結構在X方向和Y方向地震作用的工況，結構總位移云圖如圖9所示，結構應力云圖如圖10所示，地震作用下結構位移和應力最大值見表7。

通過計算分析結果，對結構在地震荷載作用下，各工況的X方向、Y方向的響應結果進行分析，可以得知結構的最大應力數值是174.2 MPa，規范要求數值是f=345.0 MPa，即結構應力結果滿足規范要求；結構的最大位移數值是4.2 mm，規范要求數值是1/250=48.0 mm，即結構位移結果滿足規范要求。通過荷載組合下的結構總應力云圖、總位移云圖如圖11所示。

根據計算分析結果，對結構在地震荷載作用下，各種荷載組合工況下的響應結果分析可得：結構的最大應力數值是192.4 MPa，規范要求數值f=345.0 MPa，即結構應力結果滿足規范要求；結構最大位移數值14.8 mm，規范要求數值是1/250=48.0 mm，即結構位移結果滿足規范要求。綜上所述，通過振型分解法的反應譜分析，在地震荷載作用下，該結構的應力和位移結果均滿足規范要求[10]。

4 結語

本文主要基于BIM和Midas Gen對鋼結構設計安全性能進行有限元分析研究，通過定義鋼結構的材料屬性，將鋼結構Revit模型導入Midas Gen，根據實際工程條件對鋼結構設計參數、荷載定義、邊界條件進行說明。通過Midas Gen進行有限元計算：對鋼結構進行靜力分析，通過應力分析和變形分析得出結構應力比均小于規范要求1，最大結構變形數值為6.5 mm小于規范要求48.0 mm；對鋼結構進行動力分析，通過模態分析和反應譜分析得出結構的最大應力192.4 MPa小于規范要求345.0 MPa，最大位移數值14.8 mm小于規范要求48.0 mm。

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編輯：劉 巖

收稿日期：2024-01-09

作者簡介：范傳祺（1994～），男，安徽省馬鞍山市人，工程師，碩士，研究方向：BIM技術應用。