曾建仙 趙冬香 黃獻海

(福建工程學院土木工程學院 福建福州 350108)

基于RST族的屈曲約束耗能支撐構件的參數(shù)化建模

曾建仙 趙冬香 黃獻海

(福建工程學院土木工程學院 福建福州 350108)

族的國內BIM標準的滯后阻礙了結構專業(yè)的BIM的應用；RST提供的開放的圖形輔助編譯功能可以實現(xiàn)以直觀的圖形關聯(lián)方式驅動、關聯(lián)和傳遞模型的參數(shù)，特別是結構構件的構造尺寸與性能關系尺寸之間的函數(shù)關系也可以通過植入編程公式得以實現(xiàn)；通過創(chuàng)建屈曲約束耗能支撐(BRB)構件族，探索基于RST的特殊結構構件族的BIM設計方法及其參數(shù)驅動控制技術。

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) 的目標除了3D建模以外，其真正的內涵在于其中的信息模型， BIM的應用不僅帶來設計工具由2D到3D的更新，而且?guī)砹嗽O計團隊、設計流程的更新，以致服務模式的升級[1]。然而，REVIT系列產品目前在國內的應用主要集中在建筑模塊和設備模塊，如古建筑參數(shù)化建模[2]以及碰撞分析；而結構專業(yè)對REVIT的接受程度遠低于建筑和設備專業(yè)[3]，其原因主要是各個環(huán)節(jié)之間的模型還無法雙向無縫連接，具體表現(xiàn)為：1)結構構件的RST物理模型與結構分析模型之間的協(xié)同工作需要第三方軟件的介入；2)結構構件的RST族模型的國內標準滯后。目前，BIM標準體系的統(tǒng)一是當前急需解決的問題，國內外的BIM標準研究已經(jīng)全面展開，如：IFC、NBIMS、CBIMS[4]等標準。而結構構件族的標準庫特別是特殊結構構件的標準庫的推廣和實施尤為繁重。

屈曲約束耗能支撐(Buckling Restrained Brace, BRB)是一個性能優(yōu)良的耗能阻尼器，可起到保護主體結構的保險絲作用，并且在大震后方便地更換損壞的支撐。因此，在美國、日本及我國臺灣等地區(qū)的建筑結構中有較廣泛的應用，在我國大陸地震多發(fā)地區(qū)的應用越來越受重視，與其相應的抗震規(guī)范的改進和標準化構件生產及推廣也在同步的進行中[5]。然而，這種特殊結構構件在設計、計算、建模、制造、安裝、管理等方面往往需要多次重復建立模型，包括分析計算模型、設計管理模型和制造安裝模型等，各個模型之間的通用性和協(xié)同工作是急需解決的問題?；赗EVIT STUCTURE(RST)族的BIM管理方法，特別適合用于實現(xiàn)此類特殊結構構件的參數(shù)化建模；同時其參數(shù)化建模方法允許特殊結構構件進行批量的標準化管理，并可實現(xiàn)物理模型、結構計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族成為一個包含參數(shù)集和相關圖形的圖元組，使得工程師對它的使用不必依賴傳統(tǒng)的復雜的編程方式便能夠創(chuàng)建靈活多變的信息模型，甚至直接擴展其應用的機制。其功能主要包括：尺寸驅動功能，參照及對齊約束功能，參數(shù)賦值功能及族類型目錄功能等[6]。

族的參數(shù)賦值功能是參數(shù)化建模的核心內容，包括參數(shù)化圖元和參數(shù)化修改引擎。族參數(shù)的類型涉及廣泛，包含文字、整數(shù)、數(shù)值、長度、角度、坡度、面積、體積、質量密度、材質、是否、貨幣、族類型、URL等；族參數(shù)可分為類型參數(shù)、實例參數(shù)和共享參數(shù)，類型參數(shù)控制著項目中的同一類型的族的參數(shù)；實例參數(shù)僅控制項目中當前族構件的參數(shù)；而共享參數(shù)的管理則以項目為背景，可以在項目、模型族、標注和明細表之間實現(xiàn)共享。

族的編譯是通過指定、關聯(lián)等驅動參數(shù)參與編譯模型，其核心內容是通過函數(shù)賦值功能實現(xiàn)同類甚至不同類參數(shù)之間的數(shù)學運算、邏輯運算。相比于傳統(tǒng)的程序編碼，函數(shù)賦值功能充分允許用戶直接操作核心的參數(shù)運算，其最重要的優(yōu)點是直觀、靈活、高效。

2 BRB族參數(shù)化建模的實施步驟

2.1 族創(chuàng)建初期設置

首先，族類別決定了RST族的分類、行為、明細表統(tǒng)計、默認參數(shù)、子類別以及調用方式等，故應先選擇族的類別； BRB屬于框架支撐體系，故其族類別定為“結構框架”，同時設定用于控制對象可見性的族的子類別。

其次，族的創(chuàng)建需要預先選定合適的樣板，值得一提的是，RST族樣板對RST族的規(guī)定性遠超過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構件設置需求的特點，族樣板應選擇“公制結構框架_梁和支撐”。

2.2 參數(shù)與參數(shù)之間的函數(shù)關系設置

BRB組合構件由約束鋼管、芯材、封端板及核心混凝土組成，各部分實體的制作可通過拉伸實體實現(xiàn)，如圖1所示。在建模的過程中根據(jù)需要定義用于驅動參數(shù)相對應的參照平面，包括用于定義原點的中心參照平面(例如：上下、左右、前后)，如圖2所示。通過對實體進行尺寸標注，并指定標簽與已經(jīng)設置的控制參數(shù)關聯(lián)，使用鎖定功能將實體約束到主體參照圖元或實體，實現(xiàn)參數(shù)與模型的對應關系，各部分實體內部尺寸之間已經(jīng)實體與實體尺寸之間的參數(shù)的依附關系見圖3。其中各個參數(shù)之間的關系運算可以采用數(shù)學運算，也可以是邏輯運算，如：BRB支撐構件的方鋼管的邊長D與節(jié)點板構造尺寸W、支撐構件長度L及芯材厚度t1之間的函數(shù)關系表達式如下：

(C3×W+t1),(Length×C1×LC2

(1)

式中Length為單位長度量，C1,C2,C3為預先設定的參數(shù)，第一個逗號后面為語句真時的值，第二個逗號后面為語句假是的值；從而實現(xiàn)構件徑向尺寸與構件自身的性能尺寸以及構造尺寸之間建立結構性聯(lián)系。

圖1 BRB組合構件

圖2 BRB組合構件的參照平面

圖3 BRB族參數(shù)的驅動關系

2.3 操作手柄設置

表1 BRB操作手柄的參數(shù)設置

注：尺寸標注和構造參數(shù)分組中的默認單位為mm。

BRB支撐構件載入項目時，根據(jù)裝配要求，兩個端板節(jié)端點與梁柱節(jié)點的連接位置應能隨意調整用于連接的構造尺寸見圖4；為此，需預先定義四組必要的參照平面以實現(xiàn)設計族造型操作手柄：左右參照平面用于載入項目時與框架的鏈接點，強參照平面用于規(guī)定構件的實際長度，弱參照與非參照平面用于設置載入項目后的可操作手柄見圖2。操作手柄的設置必須同時符合以下三個要求：a)在操作柄的位置設置參照平面，參照平面不能為“非參照”，為在項目中區(qū)別與其他選擇，故選擇“弱參照”；b)將參照平面與構件邊緣對齊并鎖定，用以驅動構件的局部長短，此例采用將“弱參照”平面約束到“強參照”平面上；c)向參照平面添加尺寸標注，并設置構造實例參數(shù)與該尺寸標注關聯(lián)見表1。實例中需設置雙向可調節(jié)的操作手柄，為了避免給參照平面造成過約束，在兩端分別另增設一個“非參照”的參照平面，并通過已設置左右手柄計算尺寸的構造實例參數(shù)約束該參照平面。

2.4 模型視圖的精細程度設置

RST族允許對視圖的可見性、精細程度進行參數(shù)驅動，包括采用函數(shù)賦值功能的數(shù)學運算和邏輯運算。族內部的驅動可通過可見性參數(shù)進行驅動，如支撐構件的立面簡圖、剖面示意圖等，可通過繪制符號線簡圖、填充區(qū)域簡圖等，設置視圖可見性參數(shù)的關聯(lián)來實現(xiàn)不同精度下的視圖屬性的切換。外部嵌套引用進來的族可以通過參數(shù)關聯(lián)，取得本族的參數(shù)，從而實現(xiàn)可見性和精細度的設置。

BRB結構構件的視圖精細度可通過可見性設置來設置，采用注釋符號線表示在粗略精度下立面簡圖為單線條的框架結構粗線，而在精細或中等精細的情況下保存構件真實現(xiàn)狀見圖4?？梢娦栽O置必須避免簡圖和真實模型的沖突，并且注意簡圖的視圖需求，若項目中需要在立面圖中顯示簡圖，則需在族的立面中設置簡圖。

圖4 BRB族造型及操作手柄簡圖

2.5 創(chuàng)建族類型目錄

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

類型目錄還允許使用函數(shù)賦值功能進行賦值，以適應靈活多變的模型要求；同時，BRB結構構件族模型可配合生產廠家在此基礎上靈活更換參數(shù)的數(shù)值或類型。

2.6 測試與安裝

BRB結構構件族的完整性和正確性的必須通過測試進行驗證，驗證的內容包括：a)在族編譯器中調整模型參數(shù)，觀察參數(shù)驅動模型行為的正確性，優(yōu)化限制條件，避免出現(xiàn)欠約束或過約束情況的出現(xiàn)；b)將該RST族模型保存，載入項目時，把族類型目錄文件放在同一個文件夾下即可，在不同的框架結構中布置BRB構件，調整節(jié)點長度，手柄，參數(shù)等模型參數(shù)，驗證模型在項目中的行為完全與設計構思相符。成為標準BRB結構構件族的最后一步是結構構件的完善安裝，根據(jù)不同的工程實例需求，設計可靠的節(jié)點連接構造是約束屈曲耗能構件在地震中發(fā)揮作用的保證。

2.7 結構分析模型信息

BRB結構構件模型載入到項目后，其構件除了已經(jīng)建立的適用于結構分析的模型外，同時可攜帶用于后續(xù)的結構分析、計算和設計的模型信息，如結構荷載及荷載組合，約束和邊界條件，材質及截面特性[7]。

該模型信息還可以用于與其他軟件進行共享共建，實現(xiàn)真正意義上的結構信息模型平臺，從而實現(xiàn)RST與結構設計軟件共享結構資訊。目前，多款設計和分析軟件已經(jīng)設計相應的接口與之對接，如ROBOT、PKPM等軟件[8]。

3 結語

基于RST族的BIM方法，可實現(xiàn)通過直觀的圖形輔助編譯功能，對族構件的核心技術進行直接操作，其運算的形式不僅包含數(shù)學運算、邏輯運算，還跨越不同性質的參數(shù)(如長度參數(shù)與可見性參數(shù))之間的運算，特別適合用于特殊結構構件的參數(shù)化建模，實現(xiàn)從設計、計算、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、結構計算分析模型和制造安裝模型的多次重復建立，實現(xiàn)參數(shù)化模型的批量管理。

[1]黃亞斌.BIM技術在設計中的應用實現(xiàn)BIM技術在設計中的應用實現(xiàn) [J].土木建筑工程信息技術,2010(4):71-78.

[2]羅翔,吉國華.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技術應用于結構設計的探討與案例[J].土木建筑工程信息技術.2010(12):89-93.

[4]清華大學軟件學院BIM課題組.中國建筑信息模型標準框架研究[J].土木建筑工程信息技術.2010(2):1-5.

[5]李國強,王鵬,劉玉姝.BRB應用于混凝土框架的彈性層間位移角限值與設計建議[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].福建工程學院學報,2014(6):519-523.

[7]潘平.BIM技術在建筑結構設計中的應用與研究[D].華中科技大學,2013.

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

曾建仙(1979.08- ),男，講師，主要從事圖形學及結構工程方向的研究。

趙冬香(1962.06- ),女，副教授，主要從事圖形學及結構工程方向的研究。

黃獻海(1981.12- ),男，講師，主要從事工程力學方向的研究。

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

福建省教育廳項目 JA12235

曾建仙(1979- )，男，講師。

2015-09-24

TP302.4

A

1004-6135(2015)12-0109-04