基于BIM的混凝土框架梁增大截面法加固设计研究

杜德润，江生煌

(中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100)

0 前 言

近年来，国内外因为建筑物使用年限超龄、规范不断修订、自然灾害侵蚀、使用功能改变等因素，导致市场对于建筑结构进行评估鉴定和加固的需求不断增加[1]。BIM技术亦是未来工程建设发展的主要方向，许多国家已经将BIM写入自己国家建筑业发展规划及相关政策之中，强力促进其在实际工程中的应用。本文尝试将BIM技术应用于混凝土结构加固设计中[2]。

1 Revit二次开发加固设计程序的实现

在Revit中进行混凝土框架结构加固设计的主要思路为：①在Revit中建立原结构模型并添加项目参数；②结构分析计算，输出计算书；③改变荷载重新进行结构分析计算，输出新的计算书；④通过计算书获取相应内力；⑤进行承载力校核，得到校核结果；⑥加固建模，重新进行结构分析计算，得到新的计算书；⑦进而循环4～6步骤，至所有构件满足设计要求； ⑧进行配筋计算、选筋；⑨生成三维钢筋。

其中需要用到编程进行二次开发的步骤分别有：项目参数设置、计算书处理、构件承载力校核、截面推荐、加固建模、配筋计算、选筋和钢筋三维出图。

1.1 界面开发

在Revit中进行加固程序开发之前，首先得为加固程序各功能提供一个人机交互界面作为载体。Revit允许用户通过API中的外部应用接口(IExternalApplication)来订制自己的UI界面，外部应用接口提供了OnStartup( )和 OnShutdown ( ) 两个方法，分别是启动和关闭方法中的功能[3]。本文在OnStartup( )方法中创建所需交互界面，在菜单栏中创建了名为“加固”的选项卡页，在此选项卡页下设置了六个面板分别为：项目参数、内力导入、承载力校核、梁加固、柱加固、配筋计算及三维钢筋；在相应的面板中放置了对应的命令按钮，最后将相应的功能绑定到该命令按钮上，点击命令按钮实现所需功能。

加固模块界面见图1。

图1 加固模块界面

1.2 添加项目参数

Revit除了有内建参数外，也允许用户自定义参数，自定义的参数有元素参数和族参数，在项目文件下定义的为元素参数。元素参数包含了共享参数和项目参数的概念。用户定义的共享参数储存于共享参数文件(.txt)中，把它绑定到相应的类别之后，会在文档中的构件上生成相应的项目参数。本文对在加固设计中混凝土框架梁构件所用的参数进行以下归类，其中部分参数只存在与程序中，部分参数要先设置成共享参数后，需要开发相应功能，实现一键从共享参数到项目参数的功能，绑定成为构件的项目参数，见表1和图2。

图2 添加的项目参数

表1 项目参数信息

1.3 计算结果处理

对于模型分析而言，目前支持与Revit实现数据传递的第三方结构计算与分析软件主要包括Etabs、SAP2000、Midas、PKPM、Robot等。Robot较其他第三方结构计算与分析软件的优势在于，与Revit的交互中双方之间的数据流通的便捷性与完整性[4]。Revit同Robot可以实现模型上的完美双向传输，出错率仅不到 4%[5]。但是Robot的计算结果无法传输到Revit中，且Robot不包含加固模块，无法实现加固设计，故需进行二次开发，实现将Robot在的计算结果向Revit的传输，以使用在Revit中开发的加固模块进行相应的加固设计、配筋计算。Revit向Robot传输的模型分为原结构模型和加固后结构模型，故由Robot获得的计算结果也分为原结构计算结果和加固后结构计算结果。分别对结果文件进行处理获得加固设计所需的信息，对梁构件相应项目参数进行赋值。

1.4 承载力校核

由于使用的设计标准不同，需将梁构件鉴定分为原梁与加固梁承载力校核[6]。比较构件承载力同构件荷载效应的大小，可以将校核结果分为：无需加固、抗弯加固、抗剪加固、弯剪加固。

对梁构件进行承载力校核的编程思路为：①收集梁构件；②检索所有梁构件，获取构件的参数信息；③判断原梁还是加固梁承载力校核；④进行梁构件抗弯及抗剪承载力校核，分别判断获得校核结果。以此实现所有梁构件一键校核。

1.5 设计截面

设计截面是在截面承载力校核之后，检索所有梁构件时，针对同一个梁构件，依照校核的结果进行估算截面计算，对于不同校核结果的构件，分别进行相对应的加固计算，确定设计截面，取最大值作为设计截面，赋值给各个梁构件的项目参数。关于设计截面合理性判断，就抗剪加固计算而言，首先，根据hw/b1，确定βcfcb1h1前的系数，再根据剪力V确定第一个h1[7]；其次，根据b0同b1的关系确定梁加固方式是U形加固还是三面围套加固，根据混凝土加固规范中U形加固或三面围套加固的公式，结合剪力V确定第二个h1；取大值作为抗剪加固计算推荐截面。就抗弯加固计算而言，通过一个循环，将抗剪加固计算推荐截面作为初步加固截面带入抗弯加固公式计算，首先判断相对受压区高度x同ξbh01的关系，大于时直接按10的模数加大截面重新试算，小于时则再计算加固所需新增受拉区钢筋面积As，判断单边配筋率同0.025及0.002的关系，确保加固梁构件不超筋或少筋破坏[8]。

1.6 加固建模

加固建模分为构件信息读取模块和修改参数布置模块。使用Visual Studio 2012中Form窗口来显示构件信息。在显示构件信息的Form窗口下，设计人员根据校核结果、设计截面，对构件相关信息进行修改后布置完成构件的加固建模。

1.7 配筋选筋

根据承载力校核结果确定最终加固截面，按照混凝土加固设计规范公式进行加固截面配筋计算。根据计算配筋面积进行选筋的主要原则有：①钢筋间距应满足最小间距要求；②实际配筋面积应大于计算配筋面积。进行选筋的主要思路：首先定义钢筋直径库；然后根据梁宽确定不同直径钢筋可布置的最大根数；然后计算最大根数与钢筋直径对应面积的乘积同计算配筋面积比较进行初步选筋；最后进一步优化，计算最少需要多少根此直径钢筋才能满足实际配筋面积应大于计算配筋面积，得到最终的选筋结果，为后续在Revit中生成三维钢筋打下基础。

1.8 钢筋三维出图

本文采用通过RevitAPI提供的给定曲线创建钢筋函数(Rebar.CreateFromCurves())函数绘制三维钢筋[4]。给定曲线创建钢筋函数包含12个参数，主要是关于钢筋类型、钢筋族、钢筋弯钩类型、依附主体、钢筋曲线等参数信息。钢筋三维出图分为新增纵筋及新增箍筋，对于纵筋，使用梁中线作为钢筋曲线，经偏移处理得到角筋，以此角筋为基础纵筋，结合相关信息(通过提取构件钢筋信息，处理得到的钢筋根数、钢筋等级、钢筋直径等信息)阵列得到梁三维纵筋图形；箍筋使用的曲线没有现成的曲线可以采用，可通过点(XYZ)到线(Line)到钢筋曲线(List)的方式画出基础箍筋，进而根据间距和范围，阵列得到所需三维箍筋图形。

2 程序在实际工程加固设计中的应用

本文通过简单案例来展示程序的相关功能，并测试其程序的可行性及稳定性。详细演示步骤如下。

第一步，建模。在Revit中建立原结构模型，添加加固设计所需要的项目参数。

第二步，分析计算。将原结构模型导入Robot，分别进行荷载组合的设置及新旧荷载布置，输出对应计算书，导入Revit进行处理，获取所需内力参数。

第三步，校核加固。根据Robot传输的内力值进行承载力校核，计算得到设计截面，根据设计截面，对需要加固的构件进行加固布置。对加固后模型进行新的分析计算及校核加固直至所有构件都无需加固，得到最终加固模型。校核结构见图3,加固校核后的结果见图4。

图4 加固后的校核结果

图3 校核的结果

第四步，配筋出图。计算获得最终加固模型所需配筋面积，根据配筋面积进行选筋并生成钢筋施工图。选筋信息见图5,三维钢筋见图6。

图5 选筋信息

图6 三维钢筋

3 结束语

1)本文通过对Revit进行二次开发，充分利用编程的优势，对重复性大的工作用代码实现机器替代，减少人工参与，提高工作效率。

2)借助Revit API为Revit平台增加了混凝土框架梁增大截面法加固设计功能，实现了在Revit中建模，构件承载力校核以及加固的流程，获得了加固所需配筋面积，并生成了三维可视的带筋信息模型，基本满足了的加固设计及现场施工的需求。

3)本文是基于BIM平台的二次开发，得到三维的信息模型，摆脱了二维平台的局限性，对后期的施工及算量都具有指导意义。

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