BIM技术在化工建设项目中的施工信息分类系统搭建

曹小菊，王 群，崔莉萍

(西安欧亚学院，陕西 西安 710065)

随着我国工业不断升级，化学工业品需求量不断增大，化工厂的数量也在呈指数变化。而化工厂建筑结构，决定着化工厂能否安全运行。化工厂通常存放大量化工制品，如氢氧化钠、硫酸盐、盐酸等无机物，以及酒精、苯乙烯等有机物，若发生建筑结构倒塌，会严重导致上述化工材料发生泄露，严重影响当地环境，并存在极大安全隐患。近年来，针对化工厂建筑得到越来越多的重视[1]。同时，为了更好地实现建筑师的设计理念，展现更完美的设计形式，很多化工建筑需要从传统的钢筋混凝土模型中寻求突破[2]。随着有机材料的快速革新，如碳纤维、高效减水剂、水玻璃等有机材料在混凝土中的掺入、高强度及耐久性强的混凝土不断应用在实际工程中，实现了许多新的空间体系，如空间弦梁结构[3]、开合空间结构[4]、索拱顶结构[5]等体系。且随着计算机水平不断提高，BIM技术逐渐应用于化工厂建筑工程施工，可以在其软件中对钢筋、混凝土、楼板进行绘制，通过三维渲染等功能将建筑以3D形式展现。同时也可以将BIM模型导入到有限元软件中对其结构进行计算。但目前针对有限元软件中，其软件无法有效识别BIM模型，尤其是对钢筋与复合材料混凝土无法有效识别，极易造成建模后工程量计算不正确，不仅导致施工成本增加，进一步增加施工风险；同时也会为未来化工厂生产运行带来一定风险，且由于有限元软件对复合材料混凝土中的有机材料(水泥、减水剂等)无法有效识别，进一步导致施工中出现施工材料浪费等现象发生。因此，本文基于BIM模型，在VFEAP有限元软件基础上，借助LS-DYNA程序对化工厂建筑施工中钢筋与混凝土进行识别，进一步提高BIM建模的准确性。

1 模型元素类型的选择

LS-DYNA软件的单元库包括：实体单元、壳体单元、梁单元；杆单元，惯性单元，质量单元，弹性单元[6-7]。所有的单元都采用了较低质量的单元，并采用了直线位移内插的方法，其预设的计算方法是简单的积分运算。经过大量的计算与分析，证明了这种基于线性位移内插和单点积分的显式动力学单元能够有效地解决各类大形变及非线性问题。对于化工厂建筑结构，采用三维实体单元SOL-ID164(BIM模型)；图1为化工厂硫酸盐、盐酸等材料存储库房，其基本特征：

图1 SOLID164单元Fig.1 SOLID164 unit

薄壳单元被选取为模拟地面的SHELL163，具体如图2所示。

图2 SHELL163Fig.2 SHELL163

SHELL163主要特点:

(1)它是一种具有4个结点的空间薄壳单元。在各结点上，应考虑各结点的位移与转动;

(2)默认算法采用Belytschko-Tsay单点积分的壳元算法；

(3)针对不同的壳单元计算方法，可以根据不同的计算方法来选取沿着厚度的积分点数;

(4)外壳的厚度是用一个真实的参数来确定的，它不可能是0;

(5)SHELL163元素的面积不能为0[8]。退化元素可以通过同一个节点出现2次来定义；

(6)SHELL163元素支持大多数材料模型算法。

2 三维实体单元的基本显式算法

以8个结点的立体实体为实例，给出了LS-DYNA的显式积分方法。LS-DYNA的主要算法采用拉格朗日增量法来跟踪粒子的运动轨迹。对于空间(α1，α2，α3)初始矩的粒子，轨迹方程[9]：

xi=xi(α,t)

(1)

式中：α为材料点的初始位置；(α1、α2、α3)运动的初始条件：

(2)

此外，弹性动力空间问题的运动微分方程:

(3)

上式满足以下边界条件：

(1)位移边界条件：

(4)

(2)应力边界条件：

(5)

(3)滑动接触面位移不连续处的跳跃条件：

(6)

(7)

式中：δu是满足位移边界条件的虚拟位移场；δε是与δu对应的虚拟应变场。

若整体是一个有限的分立单元，可以将其整体势能的改变用各个单位的位能总和来表达，由此得出动态问题的一个基本方程式。例如，一个8个结点的三维实体元，可以用以下几种方法来表达。在各单位中，利用节点座标进行插补，可以获得任意点的坐标[10]，即:

(8)

图3 8节点实体等参数单元原理图Fig.3 Schematic diagram of 8-node entity and other parameter units

式(8)中，插值函数(形状函数)为：

(9)

式中：(ξj、ηj、j)是元素的第j个节点的坐标，上述公式可以用矩阵形式表示：

X(ζ,η,ζ,t)=N·Xe

(10)

式中:X(ξ、η、、t)是单元中任意一个点的位置坐标(包括3个分量);Xe为t时刻单位各节点的位置坐标数组;X(ξ、η、、t)=NXe是插值函数矩阵，可以写成以下形式:

N(ζ,η，ζ)=[N1,.....,N8]

(11)

式中:第j个子块为Nj=φjI3×3。

当整个结构是一系列离散元素时，可以由虚拟位移原理得到：

(12)

其中，柯西应力向量为:

σ=[σx,σy,σz,σxy,σyz,σzx]T

(13)

应变矩阵为:

B=LN

(14)

L为微分算子矩阵，其具体元素为[11]：

(15)

MX=P(t)-F

(16)

上述的计算式是一个离散的运动方程式，M是一个完整的质点；F是一个单元的应力散度矢量，可由以下公式得到：

(17)

P为由集中的节点力、表面力、物理力等形成的整体节点载荷矢量，计算公式：

(18)

考虑阻尼影响的LS-DYNA三维离散结构运动方程为：

Mx=P-F+H-CX

(19)

时间积分采用显式中心差分原则，格式如下：

(20)

其中t(n-1)/2= (tn+tn-1)/2，t(n+1)/2=(tn+tn-1)/2在tn+时刻的节点速度矢量为二分之一。

LS-DYNA3D中，为确保其收敛性，使用了一种可变步积分法。所采用的积分步一定要比一定的阈值低，不然会导致计算结果不稳定。栅格中的最小单位将确定选取的时间步:

Δt=min{Δte1,.....,ΔteN}

(21)

式中：Δtei为第i个单位的极限时间步长；N为单位总数。在LS-DYNA3D中，每种类型元素的极限时间步长可以统一为以下形式：

(22)

式中：α为小于1的时间步长因子，程序默认为0.9；L为元素的特征尺度；c为材料的声速。固体元素对应的L和c的计算公式：

(23)

3 基于BIM建模项目中的施工信息分类系统

由于化工厂建筑钢筋与复合材料砼的特性及性能差别很大，单纯采用线性弹塑性分析法对其进行数值仿真是不正确的，且有限元软件对水泥、粉煤灰等有机化学材料等无法有效识别。因此，本文对这种复合材料采用了非线性分析方法，将钢筋与复合材料混凝土进行识别，加强化工建筑BIM建模的准确性[12]。然而，常用的有限元分析软件不能准确描述复杂的复合建筑结构，如框架结构的变截面和空心结构。

在化工厂建筑中，由于受力的关系，立柱不仅要承担垂直荷载及横向荷载[13]，还要防止盐酸、硫酸等侵蚀。同时在众多的震害中，化工厂建筑物的剪力损伤占有相当大的比重。因此，要达到“三级”地震响应指标，确保整个建筑不会受到重大的损伤[14]，必须对其进行抗剪承载能力的分析。自21世纪起，化工建筑结构工程中已被大量采用了有限元分析技术。该方法既能反映结构的裂纹发展及整个结构失效的全过程，又能对其弱点及承载量进行分析[15]。为此，本论文利用 VFEAP软件，利用BIM对其进行了数值模拟。在此基础上，结合化工厂仓库混凝土的纵向配筋率、混凝土强度和轴压比等参数，通过一套比较的方法来研究混凝土柱受力、刚度退化和韧性特性的变化。结构模型如图4所示；基于BIM和计算机的仿真模型如图5所示。

图4 钢筋柱的空间模型Fig.4 Spatial model of reinforced column

图5 中心加固柱的钢筋网格模型Fig.5 Reinforcement grid model of central reinforced column

对中心加强柱核心部位的箍筋效应进行了详细的评估，提出了4种不同箍筋间距的中心加强柱模型。本文利用荷载-位移曲线、刚度衰减曲线等方法，对中心部位钢筋间距的影响进行了分析；其模型参数如表1所示。

表1 模型参数Tab.1 Model parameters

每个类型的极限载荷和位移如表2所示。

表2 各类型极限载荷和位移统计表Tab.2 Statistical table of limit load and displacement of each type

柱核心区纵向钢筋的布置，就是中心钢筋柱的核心区[16]。即便是在外层混凝土破坏后，核心区的纵梁和箍筋仍能限制核心区域的混凝土，并维持其工作特性。因此，中心区纵向配筋率是中心配筋柱的重要影响因素。本文通过改变核心区纵向钢筋的直径来改变纵向钢筋的比例[17]。共建立了6个模型，纵向钢筋直径为14～36 mm；具体参数如表3所示。

表3 不同核心区纵向配筋比模型Tab.3 Model of longitudinal reinforcement ratio in different core areas

由表3可知，核心区纵向配筋率为0.68%～4.46%时，随着化工厂仓库钢筋混凝土配筋率的增加，极限荷载及极限位移均呈显著升高趋势；由此可见，在构件加载的中后期，核心区域的纵向钢筋起着承载荷载的作用。随着核心区域纵向钢筋配筋率的增大，侧向阻力逐渐增大，构件破坏延迟[18-19]。化工厂建筑仓库外层混凝土开裂，刚度突然下降。当试件承受最大荷载作用下，随着轴向截面的增大，其刚性衰减速率变缓，刚性衰减程度也随之增大。在核心区域进行纵向加固可以有效缓解构件的刚度退化，从而提高构件的侧向阻力[20]。

通过上述分析可知，本文构建的系统具有一定的效果，与实际情况基本一致，可有效将化工厂仓库混凝土与钢筋识别。在此基础上，本文通过计算机仿真模型对多个建筑结构进行仿真，并对模型的数据处理效果进行了统计仿真。通过对某化工厂建筑结构的模拟，共模拟72组数据，统计模拟结果如表4所示。

由表4可知，从以上分析结果来看，本文构建的基于BIM和计算机模型的建筑结构仿真系统在结构仿真方面表现良好。接下来，对系统的动态仿真效果进行评估。

表4 基于BIM和计算机模型结构仿真效果评价统计表Tab.4 Statistical table for evaluation of structural simulation effect based on BIM and computer model

4 结语

计算机图形学仿真是一门涉及多学科的综合性计算机技术，化工厂建筑结构仿真对于化工厂安全运行尤为重要。本文对化工厂建筑结构进行有限元分析，对建筑结构分布的计算机图形模拟方法进行了研究和探讨。由于建筑结构仿真是一个复杂而庞大的研究课题，各种荷载作用下结构的损伤机理在不断的研究和探索中。因此，本文在BIM和有限元技术的支持下，构建了一个建筑结构仿真系统，并结合化工厂实际建筑，对建筑的物理结构进行仿真，并对该系统的效果进行评价。研究结果表明，本文构建的化工厂建筑结构仿真系统具有一定的效果。