结构分析模型构件偏心数据转换方法研究

邹　帅， 赖华辉， 邓雪原

(上海交通大学土木工程系，上海 200240)

结构分析模型构件偏心数据转换方法研究

邹帅， 赖华辉， 邓雪原

(上海交通大学土木工程系，上海 200240)

针对不同结构分析软件之间的模型数据转换的问题，在早期建立的基于XML的结构通用格式实现了SGF与SAP2000、ETABS、IFC等数据模型的基本转换。针对当前现有的建筑结构模型转换平台大多不能实现复杂构件偏心设置的转换、对结构计算结果造成偏差的问题，解析了多种结构分析软件的偏心数据结构，提取偏心表达核心部分与 SGF形成映射，并设计基于SGF的偏心数据转换算法，实现结构分析模型构件偏心的转换。通过偏心框架模型转换实例验证了该算法的可行性。

结构分析模型；数据转换；构件偏心；结构通用格式

结构设计中为了安全性考虑一般要选取两款以上的分析软件进行比对，由于各款软件之间的数据交互性差，结构分析人员往往需要重复建模。BIM技术的出现能使多专业之间的信息孤岛相互关联，从而促进多领域的协同工作。在结构分析领域，国内外学者对基于 BIM的结构分析模型自动生成及分析软件间模型的相互转换进行了大量的研究。

国外，Vilkner等[1]开发了应用程序编程接口(application programm ing interface, API)解读CAD的标签内容，结合二维图纸快速建立三维分析模型；Serror等[2]以 STEP、CIS/2.0、工业基础类(industry foundation classes, IFC)标准为基础创建计算机辅助结构设计信息共享模型(shared computer-aided structural design, sCAsD)，改善结构设计各参与方之间的信息共享；Dean和Nawari[3-4]研究利用信息传递手册(information delivery manual, IDM)、模型视图定义(model view definition, MVD) 和IFC标准相结合，解决全生命期IFC数据在不同阶段使用可能出现的数据冗余的问题；Venugopal 等[5-6]提出语义交换模块(semantic exchange modules, SEM)的概念，开发模型视图基于 SEM，解决专业软件导出 IFC数据的问题；Steel等[7]以 STEP和EMF的技术框架为基础建立一个建筑模型转换平台，该平台可以实现IFC数据与GDL数据相互转换，能够兼容多种应用软件的数据格式，同时后期还计划实现模型的校核、分析、优化等功能；在工程应用领域Yang等[8]研究IFC在桥梁结构设计中复杂截面表达，空间曲线约束定义等方面的应用。

国内，邓雪原等[9-10]较早提出通过定义基于XML的通用建筑结构有限元模型数据标准，提供该数据标准与各类结构分析软件、IFC标准的双向转换接口，实现结构分析模型的提取与相互转换，后期还通过对IDM和MVD标准研究，进一步探索从建筑IFC模型中提取结构分析模型信息[11]；王勇等[12]也开发了基于XML的建筑结构施工图设计原型系统，除了建筑结构专业外，系统还扩展了工程算量、4D施工等功能；刘照球等[13]提出建筑结构信息模型集成ASIM框架，实现建筑信息的提取、存储与转换；也有研究通过Revit API开发插件提取结构模型信息，生成SAP2000、M IDAS等分析软件的可读文本文件[14-15]；此外还有一些针对特殊情况转换处理的研究，如转换过程中变截面构件的处理方法[16]、转换过程中不规则构件的定位[17]。

当前已有的研究针对的是不带偏心的结构分析模型转换，还未涉及对于构件偏心这一复杂节点连接问题的研究。然而，在大多数建筑中都存在梁柱的偏心，而当前从建筑模型向结构模型转换以及分析软件之间模型转换的过程中这一重要设置往往会丢失，生成不带偏心的结构模型，有学者的研究显示结构中梁柱偏心对构件内力和位移会产生不利影响[18]。

本研究团队在前期建立了基于XML的结构通用格式(structure general format, SGF)中间数据文件，实现SGF与SAP2000、ETABS、StaadPro等结构分析软件可读数据文件的双向转换[19]，同时实现SGF与IFC2×版本的数据交换。团队前期开发的平台不能转换偏心模型，且经测试当前由结构设计人员开发的转换程序以及3d3s、盈建科等具有结构模型转换功能的软件大多也不能传递偏心节点设置，因此本文尝试对偏心设置的转换进行研究。

本文选择SAP2000、M IDAS两款主流结构分析软件进行数据转换，以SGF作为中间文件，探讨构件偏心这一特殊情况转换所需要的关联信息，以及实现转换的原理。最后采用一个典型的框架模型对比分析基于SGF的数据转换结果。

1　偏心转换数据表达研究

构件偏心的设定需要很多相关联的信息，一般涉及到单元坐标定义、复杂截面与单元坐标的关联规则、在全局坐标下单元坐标的定位系等。因此要实现构件偏心的数据转换，需要整理关联参数的对应关系以及各软件中偏心结构数据的对应转换关系。

1.1单元坐标研究

1.1.1线单元坐标定义原理

单元划分是结构分析计算的关键，各类分析软件对线单元坐标的定义略有不同，线单元坐标影响到构件的定位摆放、偏心设定、释放设置和荷载施加等。SAP2000中线单元坐标定义规则为：单元坐标系原点为单元的起点，单元1轴由线单元的起点指向终点，指向终点方向为正方向；单元2轴与单元截面的弱轴平行，向上为正方向；单元3轴与单元截面强轴平行，向右为正方向。单元坐标定义见表1。

表1　线单元局部坐标

1.1.2线单元坐标与截面的关系

在软件中，截面的形状与默认局部坐标的关系是确定的。表2为SAP2000、M IDAS软件对角钢的截面定义，因为单元坐标与截面位置关系不同，截面需经过旋转或者镜像才能对应一致，因此通过测试统计了所有截面与单元坐标关系。SGF坐标与截面的位置关系与M IDAS相同，仅坐标号表达有差异。

1.1.3全局坐标下的单元坐标定位

同一类构件，因为其所在的位置与放置的方式不同，会导致单元坐标在全局坐标下摆放的位置产生差异，为确保转换后的构件在其他软件中实现相同位置摆放，对单元坐标与全局坐标的默认定位规则进行了测试归纳，放置关系见表3，其中X, Y, Z表示全局坐标，x, y, z或1, 2, 3表示局部坐标。

水平或者斜放置的线单元构件，x(1)轴为线单元起点与终点连线所在直线，截面强轴指向与Z轴成锐角，强轴所在的直线一般与XY平面平行；垂直放置的构件单元x(1)轴与Z轴平行，截面强轴所在坐标轴与Y方向平行，弱轴所在坐标轴与X方向平行；线单元构件旋转角度的定义，都是在局部坐标“2o3”或“yoz”平面内以逆时针旋转方向为正。SGF的单元坐标定位方式同M IDAS。

表2　角钢截面与其单元坐标关系

表3　构件单元坐标与整体坐标关系

1.2偏心数据表达解析

1.2.1SAP2000数据文件偏心解析

SAP2000导出的 s2k文件中对偏心的描述在“Frame Insertion Point Assignments”数据表下面，s2k中一段对偏心的描述如下：

偏心数据解析：

(1) CaddinalPt：插入控制点，对于一般截面SAP2000中有11个定义的控制点，规则截面有部分点重合，插入点的位置如图1所示。软件默认为截面的形心 10(Centroid)，对控制点的所有描述见表4。

图1　插入控制点

表4　插入控制点位置对照

(2) M irror2、M irror3：绕局部2、3轴是否有镜像，是则表示绕该单元轴有镜像，否则无镜像。

(3) CoordSys：偏心所依据的坐标系统是局部坐标(单元坐标)还是全局坐标，局部坐标为Local，全局坐标为GLOBAL。

(4) JtOffsetXI～ZJ：偏心数值描述，分别对应节点的偏移量。

1.2.2M IDAS数据文件偏心解析

M IDAS软件不提供通过单元坐标设置构件偏心的方式，要实现偏心有2种方法：①通过整体移动构件，并在脱离的节点之间添加刚臂。其方式只需经过节点及单元转换即可实现，但新增节点不方便整体处理；②通过改变截面的控制点，使得截面产生偏移。其方式对构件偏心的类型要求比较高，但基本满足实际使用需求，因此转换方案中M IDAS的偏心通过截面设置实现。

mgt文件中一段截面偏心的描述如下：CC, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 数据解析：

(1) Offset：偏心方向，Offset仅仅描述了偏心相对截面的大致方位；

(2) iCENT：偏心控制点为几何中心还是质心，“0”为质心，“1”为几何中心；

(3) iREF：用户定义偏心参照是质心还是边界，“0”为质心，“1”为边界；

(4) iREF、iVERT是否存在横向或竖向偏心，“0”为无偏心，“1”为由用户设置的偏心；

(5) HUSER、VUSER横向或竖向的偏心数值，因偏心的方向已经由Offset确定了移动的方位，所以其数值都为正实数。

数据文件中Offset和iCENT共同表达了截面的插入点，二者的组合数据对应了 SGF当中的InsertionPoint，且当 InsertionPoint数值为 8或 10时不能设置偏心数值，具体对应关系见表4。此外M IDAS在两端的偏心数值不一致或有轴向偏心时不能通过截面实现偏心设置。

2　偏心转换算法设计

SGF是一种基于XML文件的数据格式，总体结构主要包含5个部分：General总体信息，描述软件系统、楼层、材料等；Joint节点信息，描述节点坐标、质量、约束等；Frame线单元信息，描述线单元荷载、截面、偏心等；Area面单元信息，描述面单元截面、荷载、洞口等；Load荷载信息，描述荷载组合、工况等。偏心描述在Frame模块下由FrameOffset表达，线单元 Frame总体表达通过对FrameOffset引用实现线单元构件偏心赋值，FrameOffset中对偏心描述的的XML文件如下：

数据文件中包含了偏心标识号、截面插入控制点、偏心坐标系、截面绕单元轴镜像情况以及偏心坐标值等信息，将其与s2k, mgt等文件相互映射即可实现构件偏心设置的传递。

目前已有基于SGF的通用结构模型转换系统，在原转换过程中未考虑偏心，所以算法在对线单元数据处理时并未提取完整的偏心描述部分。将图2所示的流程添加到已有的总体转换流程中即可实现平台对构件偏心的转换。

图2　总体转换流程

提炼数据表达中与偏心相关的核心参数，形成如图3(a)所示的数据映射，映射中可见s2k文件与SGF模块基本一致，但与M IDAS数据表述偏差较大；偏心的转换是通过数据部分以及数值部分共同实现的，通过对软件反复导出测试，整理出的SGF 与SAP2000和M IDAS的数据文件的数值映射关系，如图3(b)所示，图中可见s2k与SGF的数值映射相对简单，通过一个简单的矩阵换算即可实现，而mgt与SGF的相互转换则需要进行逻辑判断以确定偏心方位。

图3　转换映射

在形成数据文件的相互映射关系后进行偏心具体转换流程的设计，因为数据表达的差异偏心双向转换需要分别设计，本文仅介绍SAP2000数据文件经SGF转换到M IDAS数据文件的转换流程。算法分4步：①从s2k文件中提取线单元的构件偏心数据按照映射生成SGF文件；②读取SGF中Frame模块，并提取参数FrameID, FrameOffsetID, FrameSectionID查找到单元编号以及该线单元对应的截面与偏心参数；③判断截面是否有偏心，有则参照映射算法生成带偏心的截面描述，无则直接生成目标截面；④将目标截面关联到与FrameID相同的单元编号当中形成带偏心的线单元构件。算法中M IDAS软件仅通过截面进行偏心处理，对于两端偏心数值不相等以及通过全局坐标定义偏心等情况都不进行偏心转换处理。算法流程如图4所示。

3　实例验证

3.1设计带有特殊情况的结构分析模型

为了验证转换的可行性，设计一个简单的三层框架模型，模型横向两跨、纵向三跨，有主次梁，外围梁包含偏心、次梁端部为铰接，使用SAP2000建立该简易结构模型，如图5所示。

由SAP2000导出s2k文件，以SGF为中间格式将s2k文件转换成mgt文件，部分偏心数据如图6所示。

图4　s2k经SGF转换mgt算法流程

图5　SAP2000模型

图6　s2k转换mgt

3.2转换之后模型几何情况对比

为了对比分析转换的情况，本文采用当前具有结构模型转换功能的结构分析软件 3d3s与基于SGF的转换情况进行对比。由 3d3s转换后的 mgt文件导入M IDAS中，该模型显示情况如图7(a)所示，原模型中的偏心设置部分在转换过程中变成一个常见的中对中模型；按照SGF映射算法生成包含偏心的mgt文件导入M IDAS软件中结构物理模型的显示情况如图7(b)所示，可见其中偏心的设置并未丢失。

图7　不同方式转换的结构模型

3.3分析结果对比

将原模型用SAP2000分析计算，用2种方法转换后的带偏心以及不带偏心模型用M IDAS分析计算。取图5中1和5两个支座节点对比支座反力，从表5中可见转换1偏心丢失后，计算结果产生的相对误差1较大，而转换2保留了偏心设置，计算结果的相对误差2相对较小，细微差别可能由软件计算模块略有差别所致，由此可见基于SGF实现偏心的转换提高模型计算结果精度是可行的。

表5　支座反力计算结果对比分析表

4　结论与展望

通过以上对构件偏心转换的原理研究，可得出以下结论：

(1) 软件的各类坐标系统及相互间关系决定了构件偏心设置的方法，及其参数所包含的内容；

(2) 软件的可读数据文件中对偏心有严格的数据表达格式，通过对其解析能够实现偏心设置的提取；

(3) 基于SGF的偏心转换算法经过实例验证是可行的，能够解决转换过程中构件偏心设置丢失的情况。

结构分析软件之间偏心的转换可以减少后期对转换模型的处理加工工作，对于分析模型能够得出准确的计算结果，具有重要的意义。IFC标准作为目前BIM技术公认的模型数据标准，今后将进一步研究SGF与IFC的偏心转换，自动从三维建模软件中提取更加准确的结构分析模型。

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Research on Data Conversion Method for Eccentric Member of Structural Analysis Model

Zou Shuai,Lai Huahui,Deng Xueyuan
(Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The XML-based structure general format had been built in the early stage to carry out basic model data conversion among several different structural models such as SGF, SAP2000, ETABS and IFC. However the conversion of complex eccentrically components was not achieved in most existing platforms which caused negative influence to the results of structural analysis. This research analyzed the eccentric data structures from different structure software applications, and summarized the data expression of eccentric structural members. Moreover, the mapping relationship between SGF and eccentric data was established, and then an eccentric structure analytical model conversion algorithm was proposed to implement the transformation of eccentric components of structure models. Finally the algorithm was validated through a case of model conversion for a typical framework with eccentric members.

structural analysis model; data conversion; eccentric member; structure general format

TU 201.4

10.11996/JG.j.2095-302X.2016020257

A

2095-302X(2016)02-0257-08

2015-07-30；定稿日期：2015-11-01

邹帅(1990–)，男，江苏盐城人，硕士研究生。主要研究方向为结构分析软件之间模型数据转换。E-mail：zoushuaijia@sjtu.edu.cn

邓雪原(1973–)，男，湖北荆门人，副教授，博士。主要研究方向为建筑CAD协同设计与集成、基于BIM技术的建筑协同平台。

E-mail：dengxy@sjtu.edu.cn