基于BIM技术的高性能钢纤维混凝土梁截面非线性分析

孙云鹏　刁 波　刘文鹏

（北京航空航天大学交通科学与工程学院土木工程系，北京 100191）

基于BIM技术的高性能钢纤维混凝土梁截面非线性分析

孙云鹏刁 波刘文鹏

（北京航空航天大学交通科学与工程学院土木工程系，北京 100191）

【摘 要】在建筑信息模型（BIM，Building Information Model）技术基础上，通过研究其标准BIM文件格式IFC（Industry Foundation Class）标准，得到向IFC中性文件中扩展几何属性、混凝土材料属性数据和钢筋材料属性相关参数的方法，并通过C＋＋编写的“数据整合模块”访问和分析处理IFC文件中的相关数据，生成供Fortran截面非线性程序读取的文件形式，进行非线性分析计算。最后将该方法应用到高性能钢纤维混凝土梁截面非线性分析实例分析中，分析结果与试验结果吻合较好，说明了所建议方法的合理性和适用性。

【关键词】建筑信息模型（BIM）；IFC；截面非线性分析；高性能钢纤维混凝土梁

1　引言

近十几年来，我国建筑行业从招投标到设计、施工都基本实现了数字化，计算机广泛应用于建筑的各个环节。然而由于历史原因，我国建筑行业组织结构相对松散，大量CAD（Computer Aided Design计算机辅助设计）软件都是针对设计的某一阶段独立开发，一方面现有的CAD软件无法包含建筑的全寿命信息，另一方面，不同专业不同阶段的应用软件产生的信息无法相互识别，普遍采用人工或图纸作为不同系统之间数据交换和共享的媒介，不但设计效率低下，而且还会造成数据错误和信息的流失［1］。鉴于以上两方面原因，近年来，基于IFC标准的BIM（Building Information Model建筑信息模型）技术应运而生。BIM技术使用IFC格式的中性文件进行数据交换与共享，从而实现数据在各个不同专业软件之间的无缝交换。“BIM技术及其应用”属于国际上一个崭新的学术领域，从80年代中期萌芽至今不过20年的历史，而且直到近几年随着计算机软硬件的发展，才逐渐受到建筑行业的重视。我国在这方面的研究刚刚起步。

目前国内外对BIM的研究主要集中在建筑结构建模的理论研究和技术方法，如美国Burcu Akinci等基于IFC产品模型，提出了一种根据不同施工工序要求自动生成所需工作空间的方法，并建立了结合空间信息的产品模型，提供了4D CAD模拟，时空冲突分析及工作空间计划的功能。傅筱［2］探讨了建筑信息模型设计的一些基本概念，并结合实践，分析了在方案设计阶段如何运用Revit建筑信息模型进行设计。而将BIM与非线性分析相结合一直还没有涉及。

长期以来，在对钢筋混凝土结构的受力性能研究上，人们通常用线弹性理论来分析钢筋混凝土结构的应力和变形，而以极限状态的设计方法来确定构件的承载能力、刚度等，这显然是不协调的。随着经济的发展，越来越多的大型钢筋混凝土构筑物需要修建，而且对设计周期和工程质量都提出了更高的要求。因此，常规设计的经验公式就暴露出许多缺点，而钢筋混凝土非线性分析方法因具有准确模拟结构受力状况的特点，已受到人们越来越多的重视。同时，随着计算机水平的不断进步，非线性分析量较大的问题得以解决，使得该方法得到了迅速的发展并发挥出巨大的作用。

综上，本文将Fortran编写的截面非线性程序与BIM技术相结合，提出了应用IFC标准中定义的BIM模型存储非线性分析的相关参数，读取和调用BIM数据，并用于截面非线性分析计算的理论和方法，最后通过分析实例证明，本文提出的计算方法的可行性和实用性。

2　IFC标准数据存储方式

BIM技术旨在解决现今建筑领域普遍存在的信息孤岛问题，而解决信息孤岛问题的核心方法就是要有一个统一的数据存储标准，能够规范各行各业以及建筑各阶段的大量信息，IFC标准的出现实现了这个目标。IFC标准是开放的建筑产品数据表达与交换的国际标准，BIM可以以IFC作为产品信息表达的标准进行数据交流，是建筑工程软件共享信息的基础。本文便是以IFC为标准，探讨将BIM技术与混凝土截面非线性分析相结合的方法。

IFC标准中定义的模型是面向对象建筑数据模型，该模型通过表达建筑全生命周期的信息，实现工程中不同专业、不同阶段的数据交换。它的体系结构由四个层次构成，从下到上分别是：资源层（Resource Layer）、核心层（CoreLaver）、交互层（Interoperability Layer）和领域层（Domain Layer）［3］。每个层次都包含一些信息描述模块，并且遵守：“每个层次只能引用同层次和下层的信息资源，而不能引用上层资源”的原则［3］。这样上层资源变动时，下层资源不受影响，保证信息描述的稳定性。本文涉及到钢纤维混凝土的材料信息、几何信息等均处在资源层，是最底层的基础信息，可供所有上层领域访问使用。

资源层多是基础信息定义，描述有建筑产品各方面的信息，通过面向对象的建模方法，将具有相似属性的物体归为一类（Class），例如门（IfcDoor）和窗（IfcWindow）以及梁（IfcBeam）、柱（IfcColumn）等实体信息，这些实体定义中包含有从父类中继承下来的材料信息、几何信息等继承属性，更包含有该类的专有属性。比如“IfcDoor”中的“Overall-Height”就是该类的专有属性，表示“门”实体在IFC描述中占用的立方体包围空间的高度。此外IFC中也包括了很多抽象的实体定义（比如计划、空间、组织、造价等等）。这些类别模型的定义共同组成了IFC标准（Industrial Foundation Classes）。

IFC对信息的描述都采用了面向对象建模语言EXPRESS，通过字符串或者引用其他实体信息进行实体描述。如图1所示，实体名称后面的括号里面的内容描述的是该实体的属性，属性值是由“，”分隔隔，由“（”、“）”符号包围在一起的属性，表达了一个集合，其中的各个元素也是用“，”分隔；由“＃”领起的数字，表示该属性是一个IFC对象，“＃”号和数字共同组成了该对象的标识符；普通的文字代表数字或特殊的标识符；字符串一般存储用户的特定信息［4］。上文中提到的“IfcDoor”、“IfcBeam”等实体的描述都是按照该语法进行的。本文所涉及到的语句实例在后文详述。

图1　IFC中性文件语句实例

3　Fortran截面非线性分析程序

Fortran语言产生于1951年，经过66、77、90、95等多个版本至今已有近60年的历史，虽然其历史久远，但在数值计算中，Fortran语言仍然具有其他程序语言不可替代的明显优点。Fortran90标准引入的数组计算等非常利于矩阵运算的功能。在数组运算时，Fortran能够自动进行并行运算，这是很多编程语言不具备的。另外Fortran语言有很多现成的函数软件包，所以非常便利。本文使用的截面非线性分析程序就是用Fortran语言编写的，而本研究应用的IFC平台为C＋＋编写，鉴于我国很多工程计算程序均为Fortran程序，因此本文需要研究在C＋＋环境中载入Fortran的方法，同时与BIM相连接，为今后类似需求提供参考。

首先对此截面非线性程序所必需的输入数据进行整理分类。该非线性分析程序是通过读入构件的截面材料属性（钢筋和混凝土容重、本构关系等）、截面尺寸参数以及其他一些程序循环控制参数（材料种类数、截面种类数、本构关系分段数等），对读入的混凝土和钢筋本构关系分段点进行三次多项式拟合，分别得出混凝土和钢筋的本构关系曲线，并采用弧长法等进行非线性分析，得出本文需要的钢纤维混凝土梁构件弯矩曲率关系。

根据Fortran截面非线性程序，总结出程序的所有输入参数，如表1所示：

上述参数可分为两类，一类是材料相关参数，另一类是几何相关参数，循环控制参数可归为材料相关参数与钢筋或混凝土材料相关联。在处于资源层的IFC文件中主要都是基础实体定义等基本信息。因此本文根据IFC与C＋＋实体对象的映射关系［5］，用面向对象方法编写数据整合模块程序，将上述参数中的容重、本构模型以及与材料相关的上述循环控制参数与钢筋和混凝土标号相关联，实现对IFC的读取和与非线性程序的连接。混凝土截面顶点坐标、轮廓线曲率半径以及钢筋直径、坐标（加粗标出）则通过上述整合模块在IFC文件中相关实体参数中加以分析后读取。

4　非线性分析相关数据扩展与访问

4.1数据扩展的相关“类”

通过比较上文总结出的非线性分析程序所需数据和IFC中性文件中保存的数据，发现IFC中存储的数据不能满足对构件进行非线性分析的数据需求，因此需要扩展BIM中的相关数据。

上文中提到，IFC中性文件的表达方式为EXPRESS语言，如果要将数据补充进IFC文件并可以自由访问，就必须了解EXPRESS语言的语法。

IFC中用面向对象的“类”和“类”的属性存储数据，“实体”用于表达建筑产品中的实体构件，如梁（IfcBeam）、柱（IfcColumn）等，“属性”为描述实体的特点所需存储的数据，如实体的位置（Object-Placement）、形状（Representation）等，这两者之间通过“关系”实体连接，从而表达出不同“实体”与自身“属性”的对应关系，并可以实现“实体”和“属性”独立的继承关系。

下面以梁构件为例，说明IfcBeam的实体定义内容［6］：

ENTITY IfcBeam

SUBTYPE OF（IfcBuildingElement）；

END＿ENTITY；

IfcBeam实体继承于IfcBuildingElement实体，直接从父类中继承了26个属性［7］，没有定义专有属性，梁的截面尺寸参数是存储在IfcProduct实体类的对象中，IfcProduct中的Representation属性包含了其几何形状的数据。例如下面这条语句：

＃14735＝IFCBEAM（′2mw6Lulfn73R8o90g CtRpi′，

＃13，″，＄，＄，＃14798，＃14788，＄）；

该IfcBeam实体存储的数据及意义如表2所示：

表1　直接从BIM中读取的数据

表2　IfcBeam语句格式列表

该梁实体所引用的外部实体如下：

＃13＝IFCOWNERHISTORY（＃12，＃5，＄，.NOCHANGE.，＄，＄，＄，1135158983）；

＃14788＝IFCPRODUCTDEFINITIONSHAPE

（，＄，（＃14771，＃14783））；

＃14798＝IFCLOCALPLACEMENT

（＃6241，＃14795）；

IfcBeam实体在表述时候通过标识符“＃”引用了其他的实体，上述“＃13”实体描述该实体的修改历史记录信息，“＃14788”实体描述实体的名称尺寸，“＃14798”实体描述了实体在局部坐标系的位置以及此局部坐标系同全球坐标系的位置关系。

由此可见，IFC在进行实体和属性描述时是按照固定的格式分项描述，按此依次向上级检索可得到该梁部分尺寸信息如下：

＃14776＝

IFCCARTESIANPOINT（（－150.，0.，－400.））；

＃14780＝

IFCBOUNDINGBOX（ 14776，300.，2000.，400.）；

这两个语句分别描述该梁一个顶点在局部坐标系（IfcLocalPlacement3D）中的的坐标以及一个可完全包围该梁的矩形尺寸。其余尺寸信息亦可按此方法检索到，在此不再赘述。根据这些几何信息，通过数据整合模块计算便可得到上文提到的截面顶点坐标。

其次，BIM中没有定义钢筋实体，对于混凝土材料也只有从名称上进行了定义，混凝土的具体属性目前版本的IFC规范中尚没有定义，如水灰比、单位体积水泥用量、骨料粒径等。所以在本算例中所需的钢筋数据以及钢筋和混凝土的材料属性均需要扩展。

根据非线性分析的需要，将混凝土标号、钢筋标号、直径以及保护层厚度数据扩展到IFC文件中，在此基础上，通过自主开发的“数据整合模块”对扩展后的IFC文件中的数据进行访问，根据计算分析的需要，对容重、本构模型等复杂属性进行智能判断与调用。下文中3.3小节详细介绍了本研究所开发的“数据整合模块”的工作原理以及数据需求。

4.2数据扩展方法

有了上文的保证，现在只需要将所需数据存入IFC中性文件中即可。本研究通过动态属性集IfcPropertySet实体的应用来实现对IFC文件的扩展，该实体相当于一个数据存储包，用于封装需要扩充的数据与相对应的实体通过“关系”实体建立连系。IfcPropertySet实体的语句结构中包含五项属性信息，如表3所示。

＃244＝IFCPROPERTYSET（‘1EIQqO8sL8x 9Ms7IhFHKbY’，＃13，’GraphisoftAC90COLUMN’，’Graphisoft AC90’，（＃239）

最后一项属性中所包含的语句为IfcProperty，该类通过IfcPropertySingleValue或IfcPropertyTable

Value实体实现数据的存储，比如后文算例中钢筋的直径信息就采用这种存储方式，具体代码如下：

＃71＝IFCPROPERTYSINGLEVALUE（′STEEL RONGZHONG′，＄，12，＄）；

＃75＝IFCCOMPLEXPROPERTY（′Steel′，＄，′Nonlinear′，（＃71））；

＃76＝IFCPROPERTYSET（′2I0MQnm0D6BB2 StrozKRib′，＃8，′Steel′，″，（＃75））；

综上，对截面进行非线性分析所需要的数据通过对IFC文件的扩展被存储到建筑信息模型（BIM）中，并通过“数据整合模块”进行读取调用和分析，再将最终的非线性分析程序所需数据按Fortran程序读入文件的格式输出，即可载入Fortran非线性分析程序进行分析计算。

表3　IfcPropertySet语句格式列表

4.3数据整合模块

针对上文扩展完成的数据，通过数据整合模块建立BIM与非线性分析程序相连接的桥梁和纽带，根据上文提出的问题，设计出该模块的判断调用方法如下：

①容重：读入IFC中的钢筋与混凝土标号，从存储在“数据整合模块”中的数据库比对，将符合条件的数据存入目标变量。

②本构关系：由于混凝土应力应变关系较复杂，影响因素众多，各种理论曲线更多，因此该模块中存储了过镇海［8］等人的多种全曲线方程供今后不同用途备用。本文所使用分线性分析程序所需的输入数据为本构关系全曲线上的点，因此模块中也提供了人工输入各点的应力、应变、切线模量的选择。

③钢筋位置坐标：由于IFC中没有钢筋实体，无法像混凝土一样直接得到尺寸信息，本着向IFC文件中只扩展基本信息的原则，由模块程序根据混凝土截面尺寸以及保护层厚度计算得到。

④循环控制参数：此部分的数据根据读入数据的数量等由模块程序自行判断得出。

综上，通过该数据整合模块，可以对IFC中性文件中的非线性分析相关信息进行准确的读取、整合、判断，通过初步的数据处理便可得到费线性分析程序中所必须的数据。

5　高性能钢筋钢纤维混凝土梁非线性分析

钢纤维混凝土受压本构关系采用以下公式，

RI根据试验中梁试件材料属性确定。受拉区本构关系由试验数据直接输入程序。经程序自动多项式拟合，钢纤维混凝土本构关系模型全曲线如下图2所示：

图2　程序拟合后钢纤维混凝土本构关系全曲线

梁几何尺寸及配筋如图3所示。

图3　钢筋钢纤维混凝土尺寸及配筋图

在前面所述数据整合方法基础上，将高性能纤维混凝土梁的几何属性和材料属性写入IFC文件，通过C＋＋程序调用非线性分析软件（Fortran编程）进行全过程分析，得到不同纤维体积率时梁的荷载－跨中挠度曲线关系，绘于图4－图7。

图4　钢纤维体积率2.5%荷载挠度曲线

图5　钢纤维体积率0.5%荷载挠度曲线

图6　钢纤维体积率2.0%荷载挠度曲线

图7　钢纤维体积率1.0%荷载挠度曲线

上图中带星号（*）的曲线为Fortran软件非线性分析结果。图4－图7显示出，本文提出的数据整合方法在数据采集和传输中准确性较高，非线性分析方法与试验结果吻合较好。

6　结论

1、采用面向对象方法分析设计软件是未来建筑行业信息化发展的方向，本文对钢筋钢纤维混凝土梁非线性分析软件进行了面向对象处理，提炼了非线性计算所需数据的关键类，如IfcBeam中包含的材料类、几何尺寸类等，为后期进行结构非线性分析以及安全等级划分奠定了数据基础。

2、对高性能纤维混凝土梁截面非线性分析，分析结果与试验数据吻合良好，说明本文提出的数据整合方法在数据采集和传输中准确性较高。

3、BIM作为建筑行业信息化发展的趋势，其遵循的IFC标准具有广泛的适用性和实用性。本文验证了基于IFC的各种应用软件可以通过面向对象的方式调用和补充各自需要的数据，为基于BIM的各专业软件开发提供参考。

参考文献

［1］邱奎宁.IFC标准在中国的应用前景分析.建筑科学.2003，19（2）

［2］傅筱.从二维走向三维的信息化建筑设计［J］.世界建筑，2006（09）

［3］张建平，曹铭，张洋.基于IFC标准和工程信息模型的建筑施工4D管理系统.第十四届全国结构工程学术会议论文集.北京

［4］唐春凤，刁波，王利锋.IFC文件的一般结构和EXPRESS语言介绍.第十二届全国工程建设计算机应用学术会议论文集.北京，2004.

［5］王国勋，王军，孙军.EXPRESS描述到C＋＋模式映射的研究，机械工程师，2004，07：22-2

［6］IAI.IFC／ifcXML Specifications.http：／／www.iai－international.org／Model／IFC（ifcXML）Specs.htm l.2008.

［7］邱奎宁，张汉义，王静，王琳.IFC标准及实例介绍.土木建筑工程信息技术.北京.2010

［8］过镇海，张秀琴等.混凝土应力－应变全曲线的试验研究.建筑结构学报，1982，3（1）：1～12

【中图分类号】TU311

【文献标志码】A

【文章编号】1674－7461（2010）03－0066－06

【基金项目】国家科技支撑计划项目（2007BAF23B02－06）；国家自然科学基金（50978010）

【作者简介】孙云鹏（1986－），男，硕士研究生。主要研究方向：基于BIM技术的建筑耐久性及非线性研究。E-mail：searchwind＠163.com

Cross-section Non linear Analysis of Steel Fiber-Rein forced High Performance Concrete Beam Based on BIM

Sun Yunpeng，Diao Bo，Liu Wenpeng
（Civil Engineering Department，School of Transportation Science，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 10091，China）

Abstract：Based on building Information Model（BIM，Building Information Model），this paper introduced a method of adding related parameters such as material attribute and constitutive relation of concrete by the study of the standard file format of IFC（Industry Foundation Class）.The“Data Integration Module”written by C＋＋could access and analyze the necessary data of IFC files，and then it generated the input file of section nonlinear analysis program.Finally，after comparing with the experiment results，the computational result of steel fiber reinforced concrete beam by the nonlinear program fits well.

Key Words：BIM；IFC；Section Nonlinear Analysis；High Performance Steel Fiber Reinforced Beam