CN111159797B - 一种基于bim的力学模型通用建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM的力学模型通用建模方法，包括如下步骤：步骤一、建立可用于BIM模型向力学有限元模型转化的标准库；步骤二、在标准库的基础上建立初始化的力学有限元模型。其中，标准库包括标准化构件族库和模拟构件族库，标准化构件族库的构件属性包括可变参数、不变参数、有限元建模指令代码和自重荷载，模拟构件族库包括附加恒荷载族、活荷载族和边界条件族。基于标准化构件族库，形成BIM模型及构件的有限元建模指令代码、自重荷载；基于模拟构件族库，为BIM模型赋予附加恒荷载、活荷载和边界条件。所述方法解决了BIM模型向力学模型的转换问题，可提高力学有限元模型建立和优化的效率和精度。

Description

一种基于BIM的力学模型通用建模方法

技术领域

本发明涉及一种基于BIM的力学模型通用建模方法，属于BIM技术信息化施工技术领域。

背景技术

BIM技术指建筑信息化模型技术，具有两个关键因素：模型与信息化。其中模型指三维空间模型，而信息化指在三维空间模型中搭载的各项信息，包括模型中的构件材料特性、构件尺寸外形等构件属性信息，以及工程建设中涉及的进度信息、质量信息等过程数据信息等。基于BIM建立三维模型，形成覆盖建筑设计、施工、运维全寿命周期的关键性信息载体，对工程建设具有重要价值。力学模型一般指土木工程行业中为评估工程建设过程的结构、设施等的安全性、可靠性而建立的有限元模型，通过力学有限元模型分析，可针对工程结构的强度、刚度、稳定性等问题进行科学计算，判断结构的安全性和可靠性。

BIM技术近年来在工程项目中得到了大量应用，其优势在于其BIM模型能够方便的与具体施工工况相关联，最大限度的实时反馈现场情况、施工进度、施工变更等。而力学有限元模型多从理论方面对现场施工工况进行一定程度的简化，以降低建模难度和计算难度，但相应也影响了计算的精度和可靠性。以施工进度和施工变更为例，一方面，基于力学有限元模型的施工阶段分析一般以预定的施工工期为标准，而实际施工中常出现工序提前或延误的情况，使得理论计算与实际情况出现偏差，这对于以龄期作为关键参数的混凝土结构施工是有较大影响的；另一方面，力学有限元模型在进行施工变更时，需要相应进行模型优化，这部分优化工作有可能改变整体的受力体系，大大增加了施工过程中力学分析的工作量。

目前，国内外工程界已逐渐开始考虑将BIM模型与力学有限元模型结合，将BIM模型在施工过程中的时序变化最大限度的反馈到有限元模型中，从而使得有限元模型随施工过程演变，提高力学有限元模型的建模精度和效率。但是由于BIM模型的建模机理与力学有限元模型的巨大差异性，这一问题长期得不到解决。比如，BIM模型采用构件化方式建模，模型中均是各类型构件和构件信息；而力学有限元模型是通过划分单元和节点的方式建模，将建筑结构的连接性构件直接作为节点考虑，将建筑结构的关键性受力构件划分为多个单元，且不考虑非关键性受力构件。

发明内容

本发明结合目前建筑结构施工阶段力学有限元模型分析的一般要求及BIM技术，提供了一种基于BIM的力学模型通用建模方法，解决了BIM模型向力学模型的转换问题，可提高力学有限元模型建立和优化的效率和精度。

为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：

一种基于BIM的力学模型通用建模方法，包括如下步骤：

步骤一、建立可用于BIM模型向力学有限元模型转化的标准化构件库和模拟构件库，具体包括如下步骤，

结合建筑结构工程的类型，建立相应的BIM模型的标准化构件族库，各构件族包含可变参数和不变参数；

针对BIM模型的标准化构件族库，基于APDL参数化设计语言分别建立每个构件族的有限元建模指令代码；构件族的有限元建模指令代码包括常量代码和变量代码；由构件族的有限元建模指令代码形成相应的构件族有限元建模指令代码库，每条指令代码附属于相应构件族；

针对BIM模型的标准化构件族库，建立构件自重荷载；

以模拟构件族的形式建立构件的附加恒荷载族、活荷载族和边界条件族，形成模拟构件族库；

步骤二、在标准化构件族库、基于APDL的构件族的有限元建模指令代码库、荷载族库、边界族库的基础上，建立初始化的力学有限元模型，具体包括如下步骤，

基于标准化构件族库，形成BIM模型，并形成相应构件的有限元建模指令代码，建立相应构件的自重荷载；

基于模拟构件族库，为BIM模型赋予附加恒荷载、活荷载和边界条件；

在BIM模型中提取所有的材料特性、APDL语言以及荷载、边界条件，自动形成APDL计算脚本，导入到ANSYS中进行模型生成、查看和求解，形成初始化的力学有限元模型。

进一步，所述方法还包括，

步骤三、在施工中，对初始化的力学有限元模型进行优化方法，具体包括如下步骤，

随着施工进度、工序以及施工变更等工况变化，进行BIM模型的更新，提取各阶段的所有材料特性、APDL语言以及荷载、边界条件，导入到APDL计算脚本模板文件中，则形成过程化的APDL计算脚本文件；

基于过程化的APDL计算脚本文件开展有限元计算，其计算结果可作为施工过程中各项具体决策的参考。

进一步，APDL计算脚本文件积累形成文件库，作为全过程的力学有限元模型库，供力学演变趋势分析和力学问题追溯使用。

进一步，步骤一中的自重荷载包括理论自重和自重参考系数；步骤二中所述“建立相应构件的自重荷载”，具体包括如下步骤，由构件的尺寸、密度自动计算理论自重；定义自重参考系数；根据理论自重和自重参考系数的乘积得到构件的自重荷载。

进一步，附加恒荷载族的每个附加恒荷载构件均包括如下参数：荷载值、单位、分布方式、方向，附加恒荷载构件的添加方式同BIM模型的构件的材质添加方式。

进一步，活荷载族的参数包括荷载值、单位、分布方式、方向，活荷载与BIM模型的构件之间采用分离式添加的方式。

进一步，边界条件族的构件参数包括边界位置、边界特性，与BIM模型的构件之间采用分离式添加的方式。

进一步，BIM模型的构件属性中的可变参数包括构件的截面尺寸和长度，不变参数包括构件材料。

本发明提供的一种基于BIM的力学模型通用建模方法，与现有技术相比，具有如下优点：

（1）充分利用BIM模型的高可操作性优势以及与施工过程紧密结合的优势，从BIM模型中直接生成力学有限元模型，大幅度提升了力学有限元模型的建模效率；

（2）BIM模型更真实的反馈现场情况，其转换而成的力学有限元模型，可具备高度复杂的构件特征，且荷载、边界条件与真实情况的相似度较传统简化模式更为可靠，从而提升了力学有限元模型的建模精度；

（3）从初始化转换过程中，建立了APDL计算脚本的模板文件，而后的所有过程化的APDL计算脚本文件均基于该模板生成，可靠性更高，且过程化脚本文件可在施工过程中的任何时刻均可自定义生成，即为施工过程中大量的持续性力学分析奠定了基础，在确保结构高质高效施工方面可体现重要的辅助价值。

附图说明

图1为本发明基于BIM的力学模型通用建模的标准库的构架图；

图2为本发明中的BIM模型向力学有限元模型转化流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于BIM的力学模型通用建模方法作进一步详细说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供了一种基于BIM的力学模型通用建模方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、建立可用于BIM模型向力学有限元模型转化的标准库；

步骤二、在标准库的基础上建立初始化的力学有限元模型。

下面结合图1和图2所示，对该方法作进一步描述。

图1展示了一种标准库的构架图，本实施例首先对申请人所构建的标准库的构架图进行介绍，有助于理解本发明的技术方案。所述标准库包括标准化构件族库和模拟构件族库。

如图1所示，BIM模型的每一个标准构件均包括构件属性，构件属性包括可变参数，比如梁柱构件的截面尺寸和长度。构件属性还包括不变参数，如构件材料，当然，不变参数也可以设置可选择项，如混凝土的标号可选为C25或C35。构件属性还包括有限元指令代码，有限元建模指令代码包括常量代码和变量代码，其中构件族的可变参数作为指令代码中的变量，不变参数作为指令代码中的常量；有限元建模指令代码形成相应的构件族有限元建模指令代码库，每条指令代码附属于相应构件族。

对于力学有限元模型，需要考虑构件的荷载和构件的边界条件。而构件的荷载又包括构件本身的自重，以及作用于构件上的附加恒荷载、活荷载。由于构件自重与标准构件密切相关，可作为构件属性的一部分。BIM模型的自重荷载，包括理论自重和自重参考系数，理论自重可由构件的尺寸、密度自动计算，而自重参考系数可后期定义，可根据理论自重和自重参考系数的乘积得到构件的自重荷载。

而附加恒荷载、活荷载并非BIM模型的标准构件本身属性，而是为了满足力学有限元模型的需要，因此，可为其建立模拟构件族，即附加恒荷载族、活荷载族，同理，以模拟构件族的形式建立边界条件族，从而形成模拟构件族库。

如图1所示，模拟构件族库包括附加恒荷载族、活荷载族和边界条件族。作为举例，附加恒荷载族的参数包括荷载值、单位、分布方式、方向等，附加恒荷载构件的添加方式同普通标准构件的材质添加方式。作为举例，活荷载族的参数包括荷载值、单位、分布方式、方向等，由于活荷载为大小或位置可变动的荷载，因此，活荷载与结构构件间采用分离式添加的方式，以提高活荷载模拟构件添加的灵活性。考虑到有限元模型中需要输入边界条件，因此，需要建立边界条件库。边界条件同样以模拟构件族的形式建立，参数包括边界条件位置、边界特性等，与结构构件之间采用分离式添加的方式，以提高边界条件模拟构件添加的灵活性。

因此，步骤一可具体包括如下步骤：

结合建筑结构工程的类型，建立相应的BIM模型的标准化构件族库，各构件族包含可变参数和不变参数；

针对BIM模型的标准化构件族库，基于APDL参数化设计语言分别建立每个构件族的有限元建模指令代码；构件族的有限元建模指令代码包括常量代码和变量代码；由构件族的有限元建模指令代码形成相应的构件族有限元建模指令代码库，每条指令代码附属于相应构件族；

针对BIM模型的标准化构件族库，建立构件自重荷载；

以模拟构件族的形式建立构件的附加恒荷载族、活荷载族和边界条件族，形成模拟构件族库。

需要说明的是，APDL全称是ANSYS Parametric Design Language，也被叫做ANSYS参数化设计语言，APDL的运用主要体现在用户可以利用程序设计语言将ANSYS命令组织起来，编写出参数化的用户程序，从而实现有限元分析的全过程，即建立参数化的CAD模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。

图2展示了BIM模型向力学有限元模型转化流程图，需要完成如下流程：需要添加标准化构件形成BIM模型；然后赋予有限元建模指令代码、自重参考系数，定义附加恒荷载、添加活荷载模拟构件和边界模拟构件，在BIM模型中提取所有的材料特性、APDL语言以及荷载、边界条件，自动形成APDL计算脚本，导入到ANSYS中进行模型生成，可形成初始化的力学有限元模型。初始化的力学有限元模型，在计算方面仍可能存在问题，相应的，找出限制力学有限元模型建立的APDL语句缺失，增加该APDL语句，形成APDL计算脚本的模板文件。

因此，步骤二可具体包括如下步骤：

基于标准化构件族库，形成BIM模型，并形成相应构件的有限元建模指令代码，建立相应构件的自重荷载；其中，BIM模型的自重荷载，包括理论自重和自重参考系数，理论自重可由构件的尺寸、密度自动计算，仅需定义自重参考系数，可根据理论自重和自重参考系数的乘积得到构件的自重荷载；

基于模拟构件族库，为BIM模型赋予附加恒荷载、活荷载和边界条件；作为举例，自重的添加指自重参考系数的添加；附加恒荷载指在已有的BIM构件上以材质方式添加附加恒荷载构件；活荷载指在已有的BIM构件的基础上增加活荷载模拟构件；

在BIM模型中提取所有的材料特性、APDL语言以及荷载、边界条件，自动形成APDL计算脚本，导入到ANSYS中进行模型生成、查看和求解，形成初始化的力学有限元模型。

进一步，由于施工中，随着施工进度、工序以及施工变更等工况变化，进行BIM模型的更新。因此，如图2所示，在施工中还需要对力学有限元模型进行更新和优化。因此，优选的实施方式为，所述方法还包括如下步骤：

在施工中，对初始化的力学有限元模型进行优化方法，具体包括如下步骤，

随着施工进度、工序以及施工变更等工况变化，进行BIM模型的更新，提取各阶段的所有材料特性、APDL语言以及荷载、边界条件，导入到APDL计算脚本模板文件中，则形成过程化的APDL计算脚本文件；

基于过程化的APDL计算脚本文件开展有限元计算，其计算结果可作为施工过程中各项具体决策的参考。

更优选的实施方式为，APDL计算脚本文件积累形成文件库，所述APDL计算脚本文件与力学有限元模型相对应，从而形成全过程的力学有限元模型库，供力学演变趋势分析和力学问题追溯使用。

综上所述，本发明提供的一种基于BIM的力学模型通用建模方法，与现有技术相比，具有如下优点：

（1）充分利用BIM模型的高可操作性优势以及与施工过程紧密结合的优势，从BIM模型中直接生成力学有限元模型，大幅度提升了力学有限元模型的建模效率；

（2）BIM模型更真实的反馈现场情况，其转换而成的力学有限元模型，可具备高度复杂的构件特征，且荷载、边界条件与真实情况的相似度较传统简化模式更为可靠，从而提升了力学有限元模型的建模精度；

（3）从初始化转换过程中，建立了APDL计算脚本的模板文件，而后的所有过程化的APDL计算脚本文件均基于该模板生成，可靠性更高，且过程化脚本文件可在施工过程中的任何时刻均可自定义生成，即为施工过程中大量的持续性力学分析奠定了基础，在确保结构高质高效施工方面可体现重要的辅助价值。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于BIM的力学模型通用建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、建立可用于BIM模型向力学有限元模型转化的标准化构件库和模拟构件库，具体包括如下步骤，

结合建筑结构工程的类型，建立相应的BIM模型的标准化构件族库，各构件族包含可变参数和不变参数；

针对BIM模型的标准化构件族库，基于APDL参数化设计语言分别建立每个构件族的有限元建模指令代码；构件族的有限元建模指令代码包括常量代码和变量代码；由构件族的有限元建模指令代码形成相应的构件族有限元建模指令代码库，每条指令代码附属于相应构件族；

针对BIM模型的标准化构件族库，建立构件自重荷载；

以模拟构件族的形式建立构件的附加恒荷载族、活荷载族和边界条件族，形成模拟构件族库；

步骤二、在标准化构件族库、基于APDL的构件族的有限元建模指令代码库、荷载族库、边界族库的基础上，建立初始化的力学有限元模型，具体包括如下步骤，

基于标准化构件族库，形成BIM模型，并形成相应构件的有限元建模指令代码，建立相应构件的自重荷载；

基于模拟构件族库，为BIM模型赋予附加恒荷载、活荷载和边界条件；

在BIM模型中提取所有的材料特性、APDL语言以及荷载、边界条件，自动形成APDL计算脚本，导入到ANSYS中进行模型生成、查看和求解，形成初始化的力学有限元模型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，

步骤三、在施工中，对初始化的力学有限元模型进行优化方法，具体包括如下步骤，

随着施工进度、工序以及施工变更等工况变化，进行BIM模型的更新，提取各阶段的所有材料特性、APDL语言以及荷载、边界条件，导入到APDL计算脚本模板文件中，则形成过程化的APDL计算脚本文件；

基于过程化的APDL计算脚本文件开展有限元计算，其计算结果可作为施工过程中各项具体决策的参考。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，APDL计算脚本文件积累形成文件库，作为全过程的力学有限元模型库，供力学演变趋势分析和力学问题追溯使用。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，

步骤一中的自重荷载包括理论自重和自重参考系数；

步骤二中所述“建立相应构件的自重荷载”，具体包括如下步骤，由构件的尺寸、密度自动计算理论自重；定义自重参考系数；根据理论自重和自重参考系数的乘积得到构件的自重荷载。

5.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，

附加恒荷载族的每个附加恒荷载构件均包括如下参数：荷载值、单位、分布方式、方向，附加恒荷载构件的添加方式同BIM模型的构件的材质添加方式。

6.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，

活荷载族的参数包括荷载值、单位、分布方式、方向，活荷载与BIM模型的构件之间采用分离式添加的方式。

7.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，边界条件族的构件参数包括边界位置、边界特性，与BIM模型的构件之间采用分离式添加的方式。

8.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，BIM模型的构件属性中的可变参数包括构件的截面尺寸和长度，不变参数包括构件材料。

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