BIM在结构工程领域: 规划过程,可能性和机会

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2015年08月31日

001097

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输入 / 输出 & BIM

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在建筑设计中越来越多地使用BIM方法也为结构工程师提供了新的可能性。 创建完备的建筑3D模型后,您可以继续使用该模型进行结构分析并从中获得最大的收益。 但是,结构工程师和所使用的软件也面临一些新的挑战。

图片 01 - 上图:在Autodesk Revit Structure中集成了结构对象的BIM模型。中心:控制对话框,用于将分析模型从Revit Structure转换为RFEM。下图:在RFEM中计算的分析模型

消除非结构构件

3D-BIM模型的主要优点之一是所有信息都可以在数据库中集中获取。 如果假设建筑设计是由建筑师创建的,那么重点就不在结构体系上。 他的工作重点是建筑物的使用和设计以及在与建筑物所有者密切合作下遵守成本框架。 在此基础上设计了相应的支撑结构。 这种结构模型代表了建筑物的承重结构,结构工程师对此尤其感兴趣。 建筑物的其余非承重部分对他来说是微不足道的(例如,门窗的详细设计,精确的地板结构,电气安装和管道工程等),或者对于荷载假设而言,最重要的部分。 因此,结构工程师只需要对BIM模型的一部分进行评估,就可以将结构相关的对象与不相关的对象区分开。 但是,不是每个BIM模型都包含有关BIM模型中的结构构件是否对结构体系的分析有用的信息,而是必须由结构工程师将其提供给模型,或者必须删除这些元素使用相应的过滤器对他来说不是必需的 市场上有BIM软件,您可以在建筑模型中将构件标记为已经承载。 如果设计人员认为完成该标记是他的任务,那么就可以将模型自动转换为结构分析软件。

物理结构模型和理想分析模型

从全局BIM模型中删除了承重结构构件后,就可以使用物理结构模型,其位置和形状与以后的实(实体)模型相对应。 由于有限的计算能力和简化的计算方法,通常不是所有的结构构件都作为实体模型计算,而是简化为杆件和面单元,其计算结果(例如杆件和面的内力)也符合现行标准。参考。 实体模型的使用通常仅限于非常厚的结构构件或特殊子区域的分析,例如钢筋连接,其中还包括螺栓,焊缝或接触条件等细节。 杆件和面的简化提出了这些结构构件的重心轴的位置以及它们如何相互连接的问题。 由于构件高度,切口和连接的不同,可能在一个点上没有连接一致的中心线模型,因此必须对模型进行进一步的调整。 这给结构工程师提出了进一步的问题。

  • 系统线应位于何处?
  • 如何处理可能出现的杆件偏心和面偏心?
  • 系统线是否需要缩短或延长,它们对荷载(自重,线荷载,面荷载等)有什么影响?
  • 如果仅通过简单的分析节点进行建模,或者可能需要创建适用于工程设计的扩展模型(例如,仅在一个节点上连接柱子:
  • 杆件和面的连接是铰接的,半刚性的还是刚性的?
  • 哪些位置应该作为支座?什么样的支座条件?
  • 为了得到一个合理的分析模型,可以对杆件或面进行细分吗?

在为所有这些问题做出决策时,软件通常会提供很少的支持,而这些决策必须由结构工程师最终决定。 建筑和施工软件的一个新趋势是,结构系统已经包含在程序中,并且可以部分自动创建。 优点是,一旦正确定义了结构基础系统(理想情况下包括荷载),就可以将其传输到结构分析程序中,而无需进行任何大的修改。

图片 02 - BIM的优势:在Revit中,可以在物理模型中定义系统线和结构构件的有限元节点的位置。该模型可以直接导入到RFEM中。

但前提条件是该BIM软件必须由具有相应结构分析和计算程序应用知识的用户操作。 从传统的角度来看,在德国建筑事务所和结构分析事务所通常承担的责任,这通常是数据交换和BIM工作流程停滞不前的原因。 毕竟,创建结构分析模型并不需要为建筑师付费。

建模的特殊方面

在创建有限元模型时,在从面到杆件单元的过渡或者例如在横梁中需要特殊的辅助结构和变通方法。 这些辅助结构需要对输入的结构进行人工修复。 这不可避免地导致初始的BIM模型和理想的分析模型之间的距离越来越远,在不同学科的用户程序中分配相关的结构构件变得非常困难。

图片 03 - BIM模型和结构模型的区别:横梁描述的是物理结构构件。在结构分析模型中,它成为5个分析杆件,或者FEM网格连接器必须能够识别在梁线上的节点并进行网格划分。

当比较两个模型的变化时这个问题特别明显。 通常在结构模型中使用刚性连接杆件连接永久连接的构件。 但是,根据结构分析软件中的具体实现,如果这些特殊杆件非常短并且很刚性,则会导致数值问题。 因此,在自动创建由BIM软件生成的耦合单元时需要特别注意。 一个大的,有时不易识别的问题可能是在分析模型中连接的结构构件。 由于BIM软件中建模的不精确性,或者由于数值精度的限制,FEA节点之间的位置非常接近。 它们可能会导致生成网格的困难,或者会导致在计算模型中未连接的结构构件被假装。 这将导致计算结果不正确。 因此必须特别注意检查导入的模型。

图片 04 - BIM模型和结构模型的区别:柱子通过三个节点和墙上的水平刚性杆件单元连接

荷载假设和荷载组合

在某些BIM应用中,还可以指定荷载和荷载组合。 由于近年来新引入的欧洲规范(Eurocode),确定风荷载分布,雪荷载或土压力荷载变得非常复杂。 根据不同的设计情况创建荷载组合的规则也是如此。 当然,结构分析程序更适合这些任务,它们的功能更加强大并且提供了完善的生成工具。 因此,在结构分析应用程序中显然需要进行荷载输入和组合计算。 如果将生成的荷载和荷载组合转换回BIM模型中,通常会丢失基于自动生成的参数,因此在进一步更改时会丢失荷载对象的信息。

图片 05 - 在RFEM中的结构分析对象“雪荷载”:在BIM软件或界面中不能相同表示,例如IFC结构分析视图。如果对象在线荷载和梯形荷载作用下不参考雪荷载区域,则智能性会丢失。

计算结构体系的考虑因素

如果从BIM模型导出了足够的分析模型,可以在结构分析软件中进行计算。 有必要决定使用哪种计算理论和材料模型。 计算完成后,可能需要调整模型,创建模型的变体或者添加或删除新的单元。 必须检查释放和支座。 对于结构体系的设计,还需要输入其他的假设和参数。 截面和尺寸可能会发生变化。 传统的BIM概念要求将这些规范和假设也存储在中央BIM模型中。 但是,这目前尚不完全可行,通常的接口还不支持该功能,或者仅当对象的智能丢失时才可以使用。

对于空间模型,考虑施工阶段有时是非常重要的,它决定了计算结果的实用性。 因此,在计算之前,绝对有必要确定整个模型的计算是否需要考虑施工阶段,或者是否需要分段计算部分模型。 在此需要注意的是BIM并不意味着整个建筑模型总是在空间上计算的。 一个好的策略是将单个的结构单元从BIM整体模型中分离出来并分别计算。

结构分析导致BIM模型的变化

计算完成后,材料和截面可能会发生变化,或者支撑,支座梁等构件可能会被移动,移除或添加。 这些更改必须反映在BIM模型中并进行更新。 但是,如果原始BIM模型中的更改也需要同步,该怎么办? 您如何确定最近的修订状态? 此过程必须遵守特定的规则,并且现有的变更必须由负责的合作者批准。 同时必须确保在导入到结构分析软件后,BIM模型的更改会被接管。 在BIM和分析模型中,相同的结构构件可能同时发生变化。 这样的情况可以通过在模型中封闭特定的部分或者通过相关各方的协议来缓解。 通常情况下可以自动传递轮廓变化,表面厚度,或者在其他模型中添加和删除新的结构构件,例如Dlubal Software支持。 需要注意的是,结构分析产生的更新不会覆盖BIM模型中与结构分析无关的其他信息。

图片 06 - BIM的优势:Tekla Structures的发电厂桁架梁,632个截面,344个截面(上图)。结构分析中的建模工作:大约需要几个小时。使用Tekla模型可以在几分钟之内生成带有杆件和截面分配的原始模型,并将其传输到RFEM/RSTAB(下图)

IFC接口和软件直接耦合

为了实现一致的设计,必须要有功能良好的接口。 如果可以通过可编程接口对交换程序的数据进行开放访问,则可以在不进行文件交换的情况下直接进行交换。 两个程序必须安装在同一台计算机上。 这样的接口的实现可以非常灵活地进行设计,并且与通用接口格式的语法和数据模型无关,因为它们是交换文件所必需的。 在使用与制造商无关的中立文件格式进行数据交换时,IFC格式起着重要作用。

图片 07 - IFC是数据交换的国际标准。对于结构规划,必须编写“结构分析视图”中的数据。

但是,如果软件通过了IFC认证,则不一定意味着也可以将其转换为结构分析软件。 当前仅在“协调视图”中提供认证。 它首先根据实体模型(即上述物理结构模型)描述结构的几何形状。 对于结构模型,提供了所谓的“结构分析视图”,它也可以传递支座,释放和荷载。 对于基于IFC的基于建筑设计程序的数据交换,必须检查哪个视图可以导出。

总结和结论

3D BIM模型帮助结构工程师理解复杂的结构系统,并通过数据传输更快地创建分析模型。 通常,BIM模型和分析模型是不同的,并且几何上不相同。 自动生成的分析模型必须经过仔细检查,整个模型的计算可能需要考虑施工阶段。 结构分析可能需要在特定位置进行特殊建模,并且通常需要附加的信息,这些信息不能或只能部分存储在BIM模型中。 由于在规划阶段可能会进行修改,因此需要定义规则,确定谁可以在模型上进行修改,以及在何时何地进行修改。 BIM和BIM软件要求建筑师和结构工程师对所有规划阶段都有更广泛,更全面的了解,并且愿意重新思考传统的分工并理解作为团队合作的规划任务。 如果您接受了最初的,可管理的额外工作,并且考虑了后续的计划步骤,那么可以节省大量资金,并且可以更好地计划结果。 近年来致力于BIM流程的规划部门可以证实这一点。 不仅是因为这个事实,而且还因为承包当局将BIM作为一种规划方法,BIM在接下来的几年中将会继续推广。 结构工程是建筑信息模型中不可或缺的重要组成部分,因此具有BIM功能的结构分析软件和整个模型的处理将变得更加重要。

Dlubal Software专注于基于BIM的规划过程,提供了多种接口格式以及直接连接到常见BIM软件产品的功能。 通过开放的,可编程的接口,软件可以无缝集成到公司特定的计划流程中。 这使得建模任务自动化和计算结果的处理成为可能。

关键词

BIM 数据交换 国际金融公司 Revit

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  • 更新 2020年11月10日

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