基于RST族的屈曲约束耗能支撑构件的参数化建模

曾建仙 赵冬香 黄献海

(福建工程学院土木工程学院 福建福州 350108)

基于RST族的屈曲约束耗能支撑构件的参数化建模

曾建仙 赵冬香 黄献海

(福建工程学院土木工程学院 福建福州 350108)

族的国内BIM标准的滞后阻碍了结构专业的BIM的应用；RST提供的开放的图形辅助编译功能可以实现以直观的图形关联方式驱动、关联和传递模型的参数，特别是结构构件的构造尺寸与性能关系尺寸之间的函数关系也可以通过植入编程公式得以实现；通过创建屈曲约束耗能支撑(BRB)构件族，探索基于RST的特殊结构构件族的BIM设计方法及其参数驱动控制技术。

RST族； 参数化建模； 图形辅助编译； 屈曲约束耗能支撑(BRB)

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0 引言

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM) 的目标除了3D建模以外，其真正的内涵在于其中的信息模型， BIM的应用不仅带来设计工具由2D到3D的更新，而且带来了设计团队、设计流程的更新，以致服务模式的升级[1]。然而，REVIT系列产品目前在国内的应用主要集中在建筑模块和设备模块，如古建筑参数化建模[2]以及碰撞分析；而结构专业对REVIT的接受程度远低于建筑和设备专业[3]，其原因主要是各个环节之间的模型还无法双向无缝连接，具体表现为：1)结构构件的RST物理模型与结构分析模型之间的协同工作需要第三方软件的介入；2)结构构件的RST族模型的国内标准滞后。目前，BIM标准体系的统一是当前急需解决的问题，国内外的BIM标准研究已经全面展开，如：IFC、NBIMS、CBIMS[4]等标准。而结构构件族的标准库特别是特殊结构构件的标准库的推广和实施尤为繁重。

屈曲约束耗能支撑(Buckling Restrained Brace, BRB)是一个性能优良的耗能阻尼器，可起到保护主体结构的保险丝作用，并且在大震后方便地更换损坏的支撑。因此，在美国、日本及我国台湾等地区的建筑结构中有较广泛的应用，在我国大陆地震多发地区的应用越来越受重视，与其相应的抗震规范的改进和标准化构件生产及推广也在同步的进行中[5]。然而，这种特殊结构构件在设计、计算、建模、制造、安装、管理等方面往往需要多次重复建立模型，包括分析计算模型、设计管理模型和制造安装模型等，各个模型之间的通用性和协同工作是急需解决的问题。基于REVIT STUCTURE(RST)族的BIM管理方法，特别适合用于实现此类特殊结构构件的参数化建模；同时其参数化建模方法允许特殊结构构件进行批量的标准化管理，并可实现物理模型、结构计算分析模型和制造安装模型的协同工作。

1 RST族的图形辅助参数化编译功能

族的图形辅助编译功能使RST族成为一个包含参数集和相关图形的图元组，使得工程师对它的使用不必依赖传统的复杂的编程方式便能够创建灵活多变的信息模型，甚至直接扩展其应用的机制。其功能主要包括：尺寸驱动功能，参照及对齐约束功能，参数赋值功能及族类型目录功能等[6]。

族的参数赋值功能是参数化建模的核心内容，包括参数化图元和参数化修改引擎。族参数的类型涉及广泛，包含文字、整数、数值、长度、角度、坡度、面积、体积、质量密度、材质、是否、货币、族类型、URL等；族参数可分为类型参数、实例参数和共享参数，类型参数控制着项目中的同一类型的族的参数；实例参数仅控制项目中当前族构件的参数；而共享参数的管理则以项目为背景，可以在项目、模型族、标注和明细表之间实现共享。

族的编译是通过指定、关联等驱动参数参与编译模型，其核心内容是通过函数赋值功能实现同类甚至不同类参数之间的数学运算、逻辑运算。相比于传统的程序编码，函数赋值功能充分允许用户直接操作核心的参数运算，其最重要的优点是直观、灵活、高效。

2 BRB族参数化建模的实施步骤

2.1 族创建初期设置

首先，族类别决定了RST族的分类、行为、明细表统计、默认参数、子类别以及调用方式等，故应先选择族的类别； BRB属于框架支撑体系，故其族类别定为“结构框架”，同时设定用于控制对象可见性的族的子类别。

其次，族的创建需要预先选定合适的样板，值得一提的是，RST族样板对RST族的规定性远超过AUTOCAD的样板，且不同的样板中规定的系统参数是不能更改的。根据BRB构件设置需求的特点，族样板应选择“公制结构框架_梁和支撑”。

2.2 参数与参数之间的函数关系设置

BRB组合构件由约束钢管、芯材、封端板及核心混凝土组成，各部分实体的制作可通过拉伸实体实现，如图1所示。在建模的过程中根据需要定义用于驱动参数相对应的参照平面，包括用于定义原点的中心参照平面(例如：上下、左右、前后)，如图2所示。通过对实体进行尺寸标注，并指定标签与已经设置的控制参数关联，使用锁定功能将实体约束到主体参照图元或实体，实现参数与模型的对应关系，各部分实体内部尺寸之间已经实体与实体尺寸之间的参数的依附关系见图3。其中各个参数之间的关系运算可以采用数学运算，也可以是逻辑运算，如：BRB支撑构件的方钢管的边长D与节点板构造尺寸W、支撑构件长度L及芯材厚度t1之间的函数关系表达式如下：

(C3×W+t1),(Length×C1×LC2

(1)

式中Length为单位长度量，C1,C2,C3为预先设定的参数，第一个逗号后面为语句真时的值，第二个逗号后面为语句假是的值；从而实现构件径向尺寸与构件自身的性能尺寸以及构造尺寸之间建立结构性联系。

图1 BRB组合构件

图2 BRB组合构件的参照平面

图3 BRB族参数的驱动关系

2.3 操作手柄设置

表1 BRB操作手柄的参数设置

注：尺寸标注和构造参数分组中的默认单位为mm。

BRB支撑构件载入项目时，根据装配要求，两个端板节端点与梁柱节点的连接位置应能随意调整用于连接的构造尺寸见图4；为此，需预先定义四组必要的参照平面以实现设计族造型操作手柄：左右参照平面用于载入项目时与框架的链接点，强参照平面用于规定构件的实际长度，弱参照与非参照平面用于设置载入项目后的可操作手柄见图2。操作手柄的设置必须同时符合以下三个要求：a)在操作柄的位置设置参照平面，参照平面不能为“非参照”，为在项目中区别与其他选择，故选择“弱参照”；b)将参照平面与构件边缘对齐并锁定，用以驱动构件的局部长短，此例采用将“弱参照”平面约束到“强参照”平面上；c)向参照平面添加尺寸标注，并设置构造实例参数与该尺寸标注关联见表1。实例中需设置双向可调节的操作手柄，为了避免给参照平面造成过约束，在两端分别另增设一个“非参照”的参照平面，并通过已设置左右手柄计算尺寸的构造实例参数约束该参照平面。

2.4 模型视图的精细程度设置

RST族允许对视图的可见性、精细程度进行参数驱动，包括采用函数赋值功能的数学运算和逻辑运算。族内部的驱动可通过可见性参数进行驱动，如支撑构件的立面简图、剖面示意图等，可通过绘制符号线简图、填充区域简图等，设置视图可见性参数的关联来实现不同精度下的视图属性的切换。外部嵌套引用进来的族可以通过参数关联，取得本族的参数，从而实现可见性和精细度的设置。

BRB结构构件的视图精细度可通过可见性设置来设置，采用注释符号线表示在粗略精度下立面简图为单线条的框架结构粗线，而在精细或中等精细的情况下保存构件真实现状见图4。可见性设置必须避免简图和真实模型的冲突，并且注意简图的视图需求，若项目中需要在立面图中显示简图，则需在族的立面中设置简图。

图4 BRB族造型及操作手柄简图

2.5 创建族类型目录

BRB基本族创建后，从其四种部件的尺寸中提取关键的六个参数，按照编制族类型目录的要求编写族类型目录文件，用于控制族类型的种类如图3。类型目录中所声明的参数为类型参数，而实例参数不能在类型目录中声明。为了使用方便，可通过Excel表格编辑CSV格式文件，并把后缀改为TXT文件即可。BRB基本族通过变换参数值取得24类构件。载入项目时，可只选择需要的类型而不必把所有的类型都载入至项目中，以提高运行效率。

类型目录还允许使用函数赋值功能进行赋值，以适应灵活多变的模型要求；同时，BRB结构构件族模型可配合生产厂家在此基础上灵活更换参数的数值或类型。

2.6 测试与安装

BRB结构构件族的完整性和正确性的必须通过测试进行验证，验证的内容包括：a)在族编译器中调整模型参数，观察参数驱动模型行为的正确性，优化限制条件，避免出现欠约束或过约束情况的出现；b)将该RST族模型保存，载入项目时，把族类型目录文件放在同一个文件夹下即可，在不同的框架结构中布置BRB构件，调整节点长度，手柄，参数等模型参数，验证模型在项目中的行为完全与设计构思相符。成为标准BRB结构构件族的最后一步是结构构件的完善安装，根据不同的工程实例需求，设计可靠的节点连接构造是约束屈曲耗能构件在地震中发挥作用的保证。

2.7 结构分析模型信息

BRB结构构件模型载入到项目后，其构件除了已经建立的适用于结构分析的模型外，同时可携带用于后续的结构分析、计算和设计的模型信息，如结构荷载及荷载组合，约束和边界条件，材质及截面特性[7]。

该模型信息还可以用于与其他软件进行共享共建，实现真正意义上的结构信息模型平台，从而实现RST与结构设计软件共享结构资讯。目前，多款设计和分析软件已经设计相应的接口与之对接，如ROBOT、PKPM等软件[8]。

3 结语

基于RST族的BIM方法，可实现通过直观的图形辅助编译功能，对族构件的核心技术进行直接操作，其运算的形式不仅包含数学运算、逻辑运算，还跨越不同性质的参数(如长度参数与可见性参数)之间的运算，特别适合用于特殊结构构件的参数化建模，实现从设计、计算、建模、制造、安装、管理等方面的协同工作，避免其分析物理模型、结构计算分析模型和制造安装模型的多次重复建立，实现参数化模型的批量管理。

[1]黄亚斌.BIM技术在设计中的应用实现BIM技术在设计中的应用实现 [J].土木建筑工程信息技术,2010(4):71-78.

[2]罗翔,吉国华.基于Revit Architecture 族模型的古建参数化建模初探[J].中外建筑2009(08):42-44.

[3]龙辉元.BIM技术应用于结构设计的探讨与案例[J].土木建筑工程信息技术.2010(12):89-93.

[4]清华大学软件学院BIM课题组.中国建筑信息模型标准框架研究[J].土木建筑工程信息技术.2010(2):1-5.

[5]李国强,王鹏,刘玉姝.BRB应用于混凝土框架的弹性层间位移角限值与设计建议[J].工程抗震与加固改造,2013(2):91-96.

[6]曾建仙, 张雪丽, 赵冬香.基于REVIT 族的刚接柱脚BIM方法研究[J].福建工程学院学报,2014(6):519-523.

[7]潘平.BIM技术在建筑结构设计中的应用与研究[D].华中科技大学,2013.

[8]乔保娟,邓正贤,张洪磊.PKPM与Revit接口软件中若干问题探讨[J].土木建筑工程信息技术.2014(1):113-117.

曾建仙(1979.08- ),男，讲师，主要从事图形学及结构工程方向的研究。

赵冬香(1962.06- ),女，副教授，主要从事图形学及结构工程方向的研究。

黄献海(1981.12- ),男，讲师，主要从事工程力学方向的研究。

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

福建省教育厅项目 JA12235

曾建仙(1979- )，男，讲师。

2015-09-24

TP302.4

A

1004-6135(2015)12-0109-04