曾建仙 趙冬香 黃獻(xiàn)海

(福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350108)

基于RST族的屈曲約束耗能支撐構(gòu)件的參數(shù)化建模

曾建仙 趙冬香 黃獻(xiàn)海

(福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350108)

族的國(guó)內(nèi)BIM標(biāo)準(zhǔn)的滯后阻礙了結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的BIM的應(yīng)用；RST提供的開(kāi)放的圖形輔助編譯功能可以實(shí)現(xiàn)以直觀的圖形關(guān)聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)、關(guān)聯(lián)和傳遞模型的參數(shù)，特別是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造尺寸與性能關(guān)系尺寸之間的函數(shù)關(guān)系也可以通過(guò)植入編程公式得以實(shí)現(xiàn)；通過(guò)創(chuàng)建屈曲約束耗能支撐(BRB)構(gòu)件族，探索基于RST的特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)件族的BIM設(shè)計(jì)方法及其參數(shù)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。

RST族； 參數(shù)化建模； 圖形輔助編譯； 屈曲約束耗能支撐(BRB)

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0 引言

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM) 的目標(biāo)除了3D建模以外，其真正的內(nèi)涵在于其中的信息模型， BIM的應(yīng)用不僅帶來(lái)設(shè)計(jì)工具由2D到3D的更新，而且?guī)?lái)了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、設(shè)計(jì)流程的更新，以致服務(wù)模式的升級(jí)[1]。然而，REVIT系列產(chǎn)品目前在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用主要集中在建筑模塊和設(shè)備模塊，如古建筑參數(shù)化建模[2]以及碰撞分析；而結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)對(duì)REVIT的接受程度遠(yuǎn)低于建筑和設(shè)備專(zhuān)業(yè)[3]，其原因主要是各個(gè)環(huán)節(jié)之間的模型還無(wú)法雙向無(wú)縫連接，具體表現(xiàn)為：1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的RST物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型之間的協(xié)同工作需要第三方軟件的介入；2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的RST族模型的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)滯后。目前，BIM標(biāo)準(zhǔn)體系的統(tǒng)一是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的BIM標(biāo)準(zhǔn)研究已經(jīng)全面展開(kāi)，如：IFC、NBIMS、CBIMS[4]等標(biāo)準(zhǔn)。而結(jié)構(gòu)構(gòu)件族的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)特別是特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的推廣和實(shí)施尤為繁重。

屈曲約束耗能支撐(Buckling Restrained Brace, BRB)是一個(gè)性能優(yōu)良的耗能阻尼器，可起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲作用，并且在大震后方便地更換損壞的支撐。因此，在美國(guó)、日本及我國(guó)臺(tái)灣等地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)中有較廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)大陸地震多發(fā)地區(qū)的應(yīng)用越來(lái)越受重視，與其相應(yīng)的抗震規(guī)范的改進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件生產(chǎn)及推廣也在同步的進(jìn)行中[5]。然而，這種特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)、計(jì)算、建模、制造、安裝、管理等方面往往需要多次重復(fù)建立模型，包括分析計(jì)算模型、設(shè)計(jì)管理模型和制造安裝模型等，各個(gè)模型之間的通用性和協(xié)同工作是急需解決的問(wèn)題?；赗EVIT STUCTURE(RST)族的BIM管理方法，特別適合用于實(shí)現(xiàn)此類(lèi)特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)件的參數(shù)化建模；同時(shí)其參數(shù)化建模方法允許特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行批量的標(biāo)準(zhǔn)化管理，并可實(shí)現(xiàn)物理模型、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型和制造安裝模型的協(xié)同工作。

1 RST族的圖形輔助參數(shù)化編譯功能

族的圖形輔助編譯功能使RST族成為一個(gè)包含參數(shù)集和相關(guān)圖形的圖元組，使得工程師對(duì)它的使用不必依賴(lài)傳統(tǒng)的復(fù)雜的編程方式便能夠創(chuàng)建靈活多變的信息模型，甚至直接擴(kuò)展其應(yīng)用的機(jī)制。其功能主要包括：尺寸驅(qū)動(dòng)功能，參照及對(duì)齊約束功能，參數(shù)賦值功能及族類(lèi)型目錄功能等[6]。

族的參數(shù)賦值功能是參數(shù)化建模的核心內(nèi)容，包括參數(shù)化圖元和參數(shù)化修改引擎。族參數(shù)的類(lèi)型涉及廣泛，包含文字、整數(shù)、數(shù)值、長(zhǎng)度、角度、坡度、面積、體積、質(zhì)量密度、材質(zhì)、是否、貨幣、族類(lèi)型、URL等；族參數(shù)可分為類(lèi)型參數(shù)、實(shí)例參數(shù)和共享參數(shù)，類(lèi)型參數(shù)控制著項(xiàng)目中的同一類(lèi)型的族的參數(shù)；實(shí)例參數(shù)僅控制項(xiàng)目中當(dāng)前族構(gòu)件的參數(shù)；而共享參數(shù)的管理則以項(xiàng)目為背景，可以在項(xiàng)目、模型族、標(biāo)注和明細(xì)表之間實(shí)現(xiàn)共享。

族的編譯是通過(guò)指定、關(guān)聯(lián)等驅(qū)動(dòng)參數(shù)參與編譯模型，其核心內(nèi)容是通過(guò)函數(shù)賦值功能實(shí)現(xiàn)同類(lèi)甚至不同類(lèi)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算。相比于傳統(tǒng)的程序編碼，函數(shù)賦值功能充分允許用戶(hù)直接操作核心的參數(shù)運(yùn)算，其最重要的優(yōu)點(diǎn)是直觀、靈活、高效。

2 BRB族參數(shù)化建模的實(shí)施步驟

2.1 族創(chuàng)建初期設(shè)置

首先，族類(lèi)別決定了RST族的分類(lèi)、行為、明細(xì)表統(tǒng)計(jì)、默認(rèn)參數(shù)、子類(lèi)別以及調(diào)用方式等，故應(yīng)先選擇族的類(lèi)別； BRB屬于框架支撐體系，故其族類(lèi)別定為“結(jié)構(gòu)框架”，同時(shí)設(shè)定用于控制對(duì)象可見(jiàn)性的族的子類(lèi)別。

其次，族的創(chuàng)建需要預(yù)先選定合適的樣板，值得一提的是，RST族樣板對(duì)RST族的規(guī)定性遠(yuǎn)超過(guò)AUTOCAD的樣板，且不同的樣板中規(guī)定的系統(tǒng)參數(shù)是不能更改的。根據(jù)BRB構(gòu)件設(shè)置需求的特點(diǎn)，族樣板應(yīng)選擇“公制結(jié)構(gòu)框架_梁和支撐”。

2.2 參數(shù)與參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系設(shè)置

BRB組合構(gòu)件由約束鋼管、芯材、封端板及核心混凝土組成，各部分實(shí)體的制作可通過(guò)拉伸實(shí)體實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。在建模的過(guò)程中根據(jù)需要定義用于驅(qū)動(dòng)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的參照平面，包括用于定義原點(diǎn)的中心參照平面(例如：上下、左右、前后)，如圖2所示。通過(guò)對(duì)實(shí)體進(jìn)行尺寸標(biāo)注，并指定標(biāo)簽與已經(jīng)設(shè)置的控制參數(shù)關(guān)聯(lián)，使用鎖定功能將實(shí)體約束到主體參照?qǐng)D元或?qū)嶓w，實(shí)現(xiàn)參數(shù)與模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，各部分實(shí)體內(nèi)部尺寸之間已經(jīng)實(shí)體與實(shí)體尺寸之間的參數(shù)的依附關(guān)系見(jiàn)圖3。其中各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系運(yùn)算可以采用數(shù)學(xué)運(yùn)算，也可以是邏輯運(yùn)算，如：BRB支撐構(gòu)件的方鋼管的邊長(zhǎng)D與節(jié)點(diǎn)板構(gòu)造尺寸W、支撐構(gòu)件長(zhǎng)度L及芯材厚度t1之間的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式如下：

(C3×W+t1),(Length×C1×LC2

(1)

式中Length為單位長(zhǎng)度量，C1,C2,C3為預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，第一個(gè)逗號(hào)后面為語(yǔ)句真時(shí)的值，第二個(gè)逗號(hào)后面為語(yǔ)句假是的值；從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件徑向尺寸與構(gòu)件自身的性能尺寸以及構(gòu)造尺寸之間建立結(jié)構(gòu)性聯(lián)系。

圖1 BRB組合構(gòu)件

圖2 BRB組合構(gòu)件的參照平面

圖3 BRB族參數(shù)的驅(qū)動(dòng)關(guān)系

2.3 操作手柄設(shè)置

表1 BRB操作手柄的參數(shù)設(shè)置

注：尺寸標(biāo)注和構(gòu)造參數(shù)分組中的默認(rèn)單位為mm。

BRB支撐構(gòu)件載入項(xiàng)目時(shí)，根據(jù)裝配要求，兩個(gè)端板節(jié)端點(diǎn)與梁柱節(jié)點(diǎn)的連接位置應(yīng)能隨意調(diào)整用于連接的構(gòu)造尺寸見(jiàn)圖4；為此，需預(yù)先定義四組必要的參照平面以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)族造型操作手柄：左右參照平面用于載入項(xiàng)目時(shí)與框架的鏈接點(diǎn)，強(qiáng)參照平面用于規(guī)定構(gòu)件的實(shí)際長(zhǎng)度，弱參照與非參照平面用于設(shè)置載入項(xiàng)目后的可操作手柄見(jiàn)圖2。操作手柄的設(shè)置必須同時(shí)符合以下三個(gè)要求：a)在操作柄的位置設(shè)置參照平面，參照平面不能為“非參照”，為在項(xiàng)目中區(qū)別與其他選擇，故選擇“弱參照”；b)將參照平面與構(gòu)件邊緣對(duì)齊并鎖定，用以驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的局部長(zhǎng)短，此例采用將“弱參照”平面約束到“強(qiáng)參照”平面上；c)向參照平面添加尺寸標(biāo)注，并設(shè)置構(gòu)造實(shí)例參數(shù)與該尺寸標(biāo)注關(guān)聯(lián)見(jiàn)表1。實(shí)例中需設(shè)置雙向可調(diào)節(jié)的操作手柄，為了避免給參照平面造成過(guò)約束，在兩端分別另增設(shè)一個(gè)“非參照”的參照平面，并通過(guò)已設(shè)置左右手柄計(jì)算尺寸的構(gòu)造實(shí)例參數(shù)約束該參照平面。

2.4 模型視圖的精細(xì)程度設(shè)置

RST族允許對(duì)視圖的可見(jiàn)性、精細(xì)程度進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)，包括采用函數(shù)賦值功能的數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。族內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)可通過(guò)可見(jiàn)性參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如支撐構(gòu)件的立面簡(jiǎn)圖、剖面示意圖等，可通過(guò)繪制符號(hào)線簡(jiǎn)圖、填充區(qū)域簡(jiǎn)圖等，設(shè)置視圖可見(jiàn)性參數(shù)的關(guān)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同精度下的視圖屬性的切換。外部嵌套引用進(jìn)來(lái)的族可以通過(guò)參數(shù)關(guān)聯(lián)，取得本族的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性和精細(xì)度的設(shè)置。

BRB結(jié)構(gòu)構(gòu)件的視圖精細(xì)度可通過(guò)可見(jiàn)性設(shè)置來(lái)設(shè)置，采用注釋符號(hào)線表示在粗略精度下立面簡(jiǎn)圖為單線條的框架結(jié)構(gòu)粗線，而在精細(xì)或中等精細(xì)的情況下保存構(gòu)件真實(shí)現(xiàn)狀見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)性設(shè)置必須避免簡(jiǎn)圖和真實(shí)模型的沖突，并且注意簡(jiǎn)圖的視圖需求，若項(xiàng)目中需要在立面圖中顯示簡(jiǎn)圖，則需在族的立面中設(shè)置簡(jiǎn)圖。

圖4 BRB族造型及操作手柄簡(jiǎn)圖

2.5 創(chuàng)建族類(lèi)型目錄

BRB基本族創(chuàng)建后，從其四種部件的尺寸中提取關(guān)鍵的六個(gè)參數(shù)，按照編制族類(lèi)型目錄的要求編寫(xiě)族類(lèi)型目錄文件，用于控制族類(lèi)型的種類(lèi)如圖3。類(lèi)型目錄中所聲明的參數(shù)為類(lèi)型參數(shù)，而實(shí)例參數(shù)不能在類(lèi)型目錄中聲明。為了使用方便，可通過(guò)Excel表格編輯CSV格式文件，并把后綴改為T(mén)XT文件即可。BRB基本族通過(guò)變換參數(shù)值取得24類(lèi)構(gòu)件。載入項(xiàng)目時(shí)，可只選擇需要的類(lèi)型而不必把所有的類(lèi)型都載入至項(xiàng)目中，以提高運(yùn)行效率。

類(lèi)型目錄還允許使用函數(shù)賦值功能進(jìn)行賦值，以適應(yīng)靈活多變的模型要求；同時(shí)，BRB結(jié)構(gòu)構(gòu)件族模型可配合生產(chǎn)廠家在此基礎(chǔ)上靈活更換參數(shù)的數(shù)值或類(lèi)型。

2.6 測(cè)試與安裝

BRB結(jié)構(gòu)構(gòu)件族的完整性和正確性的必須通過(guò)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證的內(nèi)容包括：a)在族編譯器中調(diào)整模型參數(shù)，觀察參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型行為的正確性，優(yōu)化限制條件，避免出現(xiàn)欠約束或過(guò)約束情況的出現(xiàn)；b)將該RST族模型保存，載入項(xiàng)目時(shí)，把族類(lèi)型目錄文件放在同一個(gè)文件夾下即可，在不同的框架結(jié)構(gòu)中布置BRB構(gòu)件，調(diào)整節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度，手柄，參數(shù)等模型參數(shù)，驗(yàn)證模型在項(xiàng)目中的行為完全與設(shè)計(jì)構(gòu)思相符。成為標(biāo)準(zhǔn)BRB結(jié)構(gòu)構(gòu)件族的最后一步是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的完善安裝，根據(jù)不同的工程實(shí)例需求，設(shè)計(jì)可靠的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造是約束屈曲耗能構(gòu)件在地震中發(fā)揮作用的保證。

2.7 結(jié)構(gòu)分析模型信息

BRB結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型載入到項(xiàng)目后，其構(gòu)件除了已經(jīng)建立的適用于結(jié)構(gòu)分析的模型外，同時(shí)可攜帶用于后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)的模型信息，如結(jié)構(gòu)荷載及荷載組合，約束和邊界條件，材質(zhì)及截面特性[7]。

該模型信息還可以用于與其他軟件進(jìn)行共享共建，實(shí)現(xiàn)真正意義上的結(jié)構(gòu)信息模型平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)RST與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件共享結(jié)構(gòu)資訊。目前，多款設(shè)計(jì)和分析軟件已經(jīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口與之對(duì)接，如ROBOT、PKPM等軟件[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

基于RST族的BIM方法，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)直觀的圖形輔助編譯功能，對(duì)族構(gòu)件的核心技術(shù)進(jìn)行直接操作，其運(yùn)算的形式不僅包含數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算，還跨越不同性質(zhì)的參數(shù)(如長(zhǎng)度參數(shù)與可見(jiàn)性參數(shù))之間的運(yùn)算，特別適合用于特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)件的參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、計(jì)算、建模、制造、安裝、管理等方面的協(xié)同工作，避免其分析物理模型、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型和制造安裝模型的多次重復(fù)建立，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模型的批量管理。

[1]黃亞斌.BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn) [J].土木建筑工程信息技術(shù),2010(4):71-78.

[2]羅翔,吉國(guó)華.基于Revit Architecture 族模型的古建參數(shù)化建模初探[J].中外建筑2009(08):42-44.

[3]龍輝元.BIM技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討與案例[J].土木建筑工程信息技術(shù).2010(12):89-93.

[4]清華大學(xué)軟件學(xué)院BIM課題組.中國(guó)建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架研究[J].土木建筑工程信息技術(shù).2010(2):1-5.

[5]李國(guó)強(qiáng),王鵬,劉玉姝.BRB應(yīng)用于混凝土框架的彈性層間位移角限值與設(shè)計(jì)建議[J].工程抗震與加固改造,2013(2):91-96.

[6]曾建仙, 張雪麗, 趙冬香.基于REVIT 族的剛接柱腳BIM方法研究[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào),2014(6):519-523.

[7]潘平.BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究[D].華中科技大學(xué),2013.

[8]喬保娟,鄧正賢,張洪磊.PKPM與Revit接口軟件中若干問(wèn)題探討[J].土木建筑工程信息技術(shù).2014(1):113-117.

曾建仙(1979.08- ),男，講師，主要從事圖形學(xué)及結(jié)構(gòu)工程方向的研究。

趙冬香(1962.06- ),女，副教授，主要從事圖形學(xué)及結(jié)構(gòu)工程方向的研究。

黃獻(xiàn)海(1981.12- ),男，講師，主要從事工程力學(xué)方向的研究。

Parametric Modeling of Buckling Restrained Brace based on RST Family

ZENGJianxianZHAODongxiangHUANGXianhai

(Department of civil engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108)

BIM applications of structure speciality have been hindered by the lag of domestic BIM standard of family. An opening graphics auxiliary compiler function is provides in RST, which can help to achieve model parameters’ driving and associating and passing by the method of visual graphical association; Especially the function relation between the construction size and performance relationship size of structural components can also be achieved by embedding programming formula. By creating buckling restrained brace (BRB) families, the BIM design methods and driving parameter control techniques of special structure components based on RST are explored.

RST family; Parametric modeling; Graphics auxiliary compiler function; Buckling restrained brace

福建省教育廳項(xiàng)目 JA12235

曾建仙(1979- )，男，講師。

2015-09-24

TP302.4

A

1004-6135(2015)12-0109-04