基于Revit平台的隔震支座快速建模模块开发与应用

陈泽云, 陈鑫*, 谈丽华, 刘涛, 唐柏鉴, 孙勇

(1. 苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室, 苏州 215011; 2. 中衡设计股份集团有限公司, 苏州 215021; 3. 江苏省住房和城乡建设厅, 南京 210036; 4. 江苏省建筑科学研究院有限公司, 南京 210008)

建筑信息模型(building information model,BIM)是以三维几何模型为基础的多维信息模型,该技术是继计算机辅助设计(computer-aided design,CAD)技术之后行业内出现的建筑信息表达新技术[1]。近年来,随着国家社会经济发展和行业转型升级需要,该技术已被广泛应用到建筑规划、设计、施工、运维等各个方面,贯穿了建筑的全生命周期[2-4]。与传统CAD技术不同,BIM不仅包含了建筑的几何信息——三维模型,而且还包含了其他非几何的信息,如材料强度、密度、配套设备的单价及出厂日期等,使得项目参与各方可在建筑全寿命周期(规划、设计、施工、运营等阶段)共享使用建筑物所有信息,极大降低建筑全寿命管理成本。

随着BIM技术的发展,如何在结构工程领域高效利用BIM成为近年相关学者研究的重点之一。Caterino等[5]基于BIM提出了一个多标准集成框架(MCDM-BIM),来辅助决策者为现有建筑选择最优抗震改造策略。Hasan等[6]分析了当前BIM平台分析模型语义方面的缺陷,建立了一种基于有限元和边界元方法的BIM结构分析系统。陈培智等[7]在对FEMA P-58解读的基础上,提出一套基于BIM和本体的建筑抗震性能评估方法,并以某建筑为例进行可行性验证。Shin[8]以结构工程协作的视角,分析了BIM中结构、施工、建筑和管理模型之间信息互操作性的可能性,发现信息互操作性仅限于开发水平等级(levels of detail,LOD)为300时。严旭[9]在某钢结构厂房中采用了全过程BIM正向设计,结果表明结构专业单纯地用Revit替代AutoCAD完成布置设计,减少了“画图”工作量,可让工程师更专注地投入“设计”之中。

隔震技术在建筑上部结构与下部结构之间设置柔性连接(隔震系统),使上部结构与地震动的水平成分绝缘,从而保护上部结构抗震安全。相关设计理论和应用方法已较为成熟,理论、试验和实际震灾均表明即使遭受罕遇地震,隔震结构也能维持上部结构功能,保障建筑内部生命财产安全。尚守平等[10]开展了三维隔震墩的拟静力试验,建立了该隔震装置的理论模型,并对某4层框架结构进行隔震分析,结果表明隔震结构水平加速度可降低40%以上,梁截面内力可减小30%以上。李祥秀等[11]开展了巨-子结构抗震体系振动台试验,结果表明相对抗震体系,巨-子结构隔震体系地震响应显著降低。周福霖等[12]现场考察了仙台地区在3月11日日本东北地区太平洋近海地震中的地震灾害情况,发现隔、减震技术能够有效提升建筑抗震能力。因此,近年来我国大力推行隔震技术工程应用,先后颁布了《建筑隔震设计标准》《建设工程抗震管理条例》等文件,其中明确规定:鼓励建设工程中采用隔震减震等技术,提高抗震性能,其中位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院等公共建筑或对已建成的该类建筑进行抗震加固时,应当采用隔震减震技术。

随着常规隔震技术的日趋成熟,学者们在隔震领域的研究逐渐转移至新型高性能隔震支座的开发,如Xu等[13]提出了一种具有非耦合压缩和剪切机制的新型混合隔震支座(hybrid isolation support, HIB),并完成了对两种尺寸HIB的实验研究,与传统的LRB隔震结构相比,HIB隔震结构在地震下从频繁到罕见的响应变化相似,在极其罕见的地震下,HIB具有更稳定的力学行为。Xiong等[14]开发了板簧摩擦系统(flat-spring friction system ,FFS)用于隔震,数值模拟结果表明,当FFS作为隔振器安装时,结构响应可以显著降低。潘钦锋[15]等提出滑板支座、复位装置相结合的新型组合隔震系统,分析表明,新型组合隔震系统能保证近断层脉冲型地震下隔震的有效性,且具有较为良好的减震性能。

上述新型隔震装置的研发为隔震技术推广应用提供了更高性能的装置和更多的可选方案,但在BIM技术已全面进入建筑工程行业的当下,如何提升BIM的建模效率,已成为学者及工程人员的重点研究方向。邹贻权等[16]研究并设计了基于数据驱动的装配式建筑预制构件的快速建模,实现了预制构件的快速与精细化建模,提高了装配式构件深化设计效率。祝兵等[17]基于CATIA软件,提出了一种桥梁参数化智能建模方法与相应技术路线,采用该技术实现了湘江特大桥主桥的全桥BIM模型的参数化智能建模、三维可视化展示和数字化交付,验证了该技术的可行性以及工程适用性。Wang等[18]提出一种自动化BIM建模的技术,该技术可根据激光扫描数据准确提出机械电气管道(mechanical electrical plumbing,MEP)构件的几何信息与连接关系,将提出的数据导入Dynamo软件中即可自动生成参数化BIM模型,最后通过实验证明该方法能够准确生成用于设施管理的BIM模型。Girardet等[19]针对现有BIM建模技术对桥梁等基础设施项目的应用较少的现象,提出了一种针对桥梁的参数化建模的方案,该方案开发出了一个参数文件,其中的参数化算法可在设计软件中快速建立桥梁元素。

基于上述对隔震技术及BIM建模技术的分析,发现对隔震支座进行BIM快速建模的相关研究在已有文献中较为缺乏,因此,现根据现有隔震支座分类和特性提出隔震支座BIM快速建模模块的基本架构,在此基础上联合Revit和Visual Studio平台开发包含叠层橡胶隔震支座、滑移摩擦隔震支座以及其他隔震支座的快速建模模块,并实现连接节点参数化布置、支座批量/手动布置等功能,最后在某隔震加固实际工程中开展应用实践,讨论快速建模模块对隔震支座BIM建模效率的提升。

1 隔震支座分类及建模模块架构

1.1 隔震支座及其分类

隔震支座是实现结构隔震的关键构件,一般设置于上部结构与下部结构之间。它一方面需要承受上部结构传递而来的竖向和水平荷载,另一方面需要在地震作用下具备足够的变形和耗能能力。如图1所示,通常可以将隔震支座分为叠层橡胶支座、滑移摩擦支座和其他支座三大类[20]。

图1 隔震支座分类Fig.1 Classification of the isolators

(1)叠层橡胶支座,是由天然橡胶片或氯丁二烯橡胶片与钢板叠合而成,可分为天然橡胶支座、高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座。其中,高阻尼橡胶支座采用高阻尼橡胶材料制造,构造与天然橡胶支座相同;铅芯隔震支座则是在天然橡胶支座中间开孔,灌入铅形成圆柱体的铅芯耗散能量。

(2)滑移摩擦支座,是一种在支座上部和下部之间设置摩擦层,传递有限而恒定的摩擦力的支座,可分为摩擦摆隔震支座、盆式滑动支座等。其中,摩擦摆隔震支座是一种通过球面摆动延长结构振动周期和滑动界面摩擦消耗地震能量实现隔震功能的支座;盆式滑动支座则是一种水平滑动的滑移摩擦支座。

(3)其他类型支座,除了上述两大主要的隔震支座类别之外,相关学者和工程师们还开发了金属隔震支座、复合隔震支座等其他隔震支座[21-23],由于这些支座尚未形成明确的体系,无法明确分类,本文统称为其他类型支座。

1.2 隔震支座快速建模模块基本架构

Revit是Autodesk公司推出的三维建模软件,目前该软件被全世界广泛用于建筑工程设计中,也是国内建筑业BIM技术实践应用中使用最为广泛的软件之一。Reivt API提供了大量二次开发可用的名称空间、名称空间下的类、类中的属性及方法。用户在进行Revit二次开发时主要是通过调用其对应的应用程序接口(application program interface,API ),使用C++、C#、VB等语言进行开发并且集成到Revit中。本文在进行二次开发时主要采用了Revit API中的Revit API.dll和Revit APIUI.dll两个程序集,前者用于数据提取与编辑,后者用于图形界面创建[24]。

考虑Revit平台二次开发的特点,基于1.1节对隔震支座的分类,建立隔震支座快速建模模块的基本架构如图2(a)所示:①图形界面的菜单栏设置以隔震支座分类为基础,分为叠层橡胶支座、滑移摩擦支座和其他支座三大类;②由于天然橡胶支座与高阻尼橡胶支座的构造相同,在建模模块中将两者共用一个子菜单;③其他支座分类中,目前仅开发和展示了课题组研发的新型形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)隔震支座[23],其他隔震支座的快速建模功能可根据需求进一步按照相同的方法拓展;④在模块开发过程中,实现连接节点参数化布置和支座批量/手动布置的操作功能,以适应不同工程需求,并提高建模效率。基于上述架构,编制隔震支座快速建模模块图形用户界面如图2(b)所示。

图2 隔震支座快速建模模块架构及图形用户界面Fig.2 Structure and graphical user interface of the rapid modeling module for isolators

2 隔震支座快速建模模块开发

2.1 叠层橡胶支座快速建模功能

叠层橡胶支座在BIM软件中的模型构造如图3所示,其中,天然(高阻尼)橡胶支座主要由上下封板、橡胶层、钢板层组成,铅芯橡胶支座的构造在上述部件的基础上增加了铅芯。

图3 叠层橡胶隔震支座构造Fig.3 Configurations of the laminated rubber isolators

基于上述构造,分别开发了天然(高阻尼)橡胶支座和铅芯橡胶支座建模功能。其中,铅芯橡胶支座的参数化建模图形用户界面如图4(a)所示,界面中各参数含义如图4(b)所示,天然(高阻尼)橡胶支座的建模图形界面仅比铅芯橡胶支座少铅芯半径1项,其余相同,此处不做重复介绍。钢板层和橡胶层的数量可通过支座高度、橡胶层厚、钢板层厚和封板厚度计算获得

(1)

图4 叠层橡胶支座参数化建模图形用户界面Fig.4 Graphical user interface for the parametric modeling of the laminated rubber isolators

式(1)中:Ns为钢板层数量;H为支座高度;tr为橡胶层厚;tf为封板层厚;ts为钢板层厚。

Nr=Ns+1

(2)

式(2)中:Nr为橡胶层数量。

2.2 滑移摩擦支座快速建模功能

2.2.1 摩擦摆隔震支座

根据《建筑摩擦摆隔震支座》(GB/T 37358—2019),按照滑动摩擦面的形式将摩擦摆支座分为两类:Ⅰ型为单主滑动摩擦面;Ⅱ型为双主滑动摩擦面型。上述摩擦摆隔震支座在BIM软件中的模型构造如图5所示,可见Ⅰ型和Ⅱ型摩擦摆隔震支座均由上座板、下座板、球冠体和滑动摩擦面组成,其中Ⅰa型支座的滑动摩擦面在上座板与球冠体之间;Ⅰb型支座的滑动摩擦面在下座板与球冠体之间;Ⅱ型支座的具有两个滑动摩擦面,即上下座板与球冠体之间均有摩擦面。

图5 摩擦摆隔震支座构造Fig.5 Configurations of the friction pendulum isolators

考虑摩擦摆隔震支座球冠体和摩擦面的复杂构型,根据摩擦摆隔震支座常用型号的参数,预定义了相应的BIM模型,如图6所示的摩擦摆隔震支座快速建模图形用户界面中,可通过下拉菜单选择不同型号、不同参数的摩擦摆隔震支座模型,进而选择布置功能,即可快速完成摩擦摆隔震支座的快速建模。

图6 摩擦摆隔震支座快速建模图形用户界面Fig.6 Graphical user interface for fast modeling of the friction pendulum isolators

2.2.2 盆式滑动支座

盆式滑动支座主要由钢盆、滑移面板、滑移材料板、中间钢板和橡胶层等部分组成,其中滑移面板一般为不锈钢板,滑移材料一般选用聚四氟乙烯板。其在BIM软件中的模型构造如图7(a)所示,通过调整图7(b)中的参数大小,即可完成对盆式滑动支座的参数化建模。

图7 盆式滑动支座构造及参数化建模图形用户界面Fig.7 Configuration and parametric modeling graphical user interface of the basin sliding isolators

2.3 其他类型隔震支座快速建模功能

随着隔震技术的发展,各类新型隔震支座越来越多,其构造各不相同,难以通过统一分类开展参数化建模。针对这种情况,本文研究开发了其他类型隔震支座族库,开发某一新型支座后,首先建立该支座的族,而后保存到族库指定文件夹,随后即可通过本模块的其他类型支座族库实现批量/手动加载建模,提高支座模型的管理和建模效率。目前,该族库收录了课题组开发的SMA隔震支座[25],其图形用户界面如图8所示。

图8 其他类型支座族库图形用户界面Fig.8 Graphical user interface for the other type isolators

2.4 连接节点参数化建模功能

隔震支座与上、下部结构之间一般通过预埋锚栓和法兰板的方式连接。针对不同的结构设计,螺栓的型号、数量以及法兰板的尺寸均会有所不同,这给BIM建模过程带来了不便,为此在快速建模模块中开发了连接节点的参数化建模功能。连接节点的法兰板分为方形与圆形两种形式,其参数设置的图形用户界面如图9所示。

图9 法兰板参数化建模图形用户界面Fig.9 Graphical user interface for parametric modeling of the flange

连接节点的锚栓或者螺栓通常会采用承压型高强螺栓或者普通螺栓,其孔径一般要比螺栓的公称直径大1.0～1.5 mm,中心距与边距等构造要求按照《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)执行。本文的螺栓参数化建模利用了Revit自带的普通C级六角头螺栓族,参数化建模图形用户界面如图10所示。

图10 螺栓参数设置图形用户界面Fig.10 Graphical user interface for the parameter-setting of the bolt

上述参数化建模过程已嵌入每个隔震支座建模功能中,如图11(a)所示为铅芯橡胶支座的参数化建模图形用户界面,其中,除了支座本身的参数化建模功能之外,也包含了螺栓和法兰板的参数化建模功能。参数化建模表单填写完成后,即可生成如图11(b)所示的铅芯橡胶支座。

图11 铅芯橡胶支座参数化建模示例Fig.11 Example of parametric modeling of lead rubber isolator

2.5 批量与手动布置功能

真实工程中,隔震系统内包含的隔震支座数量较多,安装的平面和立面位置也不尽相同,为此在快速建模模块中开发了批量和手动布置的功能。其中,批量布置功能通过继承接口类IExternalCommand实现外部命令的加载,代码编制的逻辑是:先选中要布置支座的下支墩,遍历所有下支墩并获取其上表面中心的三维坐标,最后加载族并创建族实例;手动布置针对特殊位置的隔震支座建模,建模方式更为灵活,代码编制的逻辑是:通过鼠标点击获取拟安装位置三维坐标,而后在相应坐标处创建族实例。两者布置方式的对比如图12所示。

图12 支座布置方式对比Fig.12 Comparison between the different isolator arrangements

3 隔震结构快速建模应用实践

3.1 工程概况

某化工公司库房[图13(a)]始建于1981年,于2019年采用隔震技术进行加固改造,主体结构为4层装配式框架结构[图13(b))],高度为15.70 m,建筑面积约为6 912 m2,建筑抗震设防类别丙类,结构安全等级三级,抗震设防烈度7度,设计基本加速度0.10g(g为重力加速度),设计地震分组第二组,场地类别Ⅱ类,场地特征周期0.40 s。

图13 某化工公司库房Fig.13 A ware house of a chemical company

本项目所采用的叠层橡胶支座的产品性能均符合《建筑隔震橡胶支座》(JG/T 118—2018)的规定,其力学性能参数、几何参数以及连接节点参数如表1～表3所示,其中,GZP500和GZP600为天然橡胶隔震支座,GZY700为铅芯橡胶隔震支座。支座设置于结构底层柱底,平面位置如图14所示。利用快速建模模块生成的各型号隔震支座BIM模型如图15所示。

表1 隔震支座力学性能参数Table 1 Design parameters of the isolators

表2 隔震支座几何参数Table 2 Geometric parameters of the isolators

表3 法兰板及螺栓参数Table 3 Flange plate and bolt parameters

图14 隔震支座平面布置图Fig.14 Layout of the isolators

图15 各型号隔震支座BIM模型Fig.15 BIM models of these types of isolators

3.2 隔震层BIM建模实践

图16给出了直接建模方式和采用隔震支座快速建模模块的建模方式的操作步骤,对比操作过程可见:①采用直接建模方式需要拉伸实体、阵列实体、螺栓建模等7个步骤,而利用快速建模模块的方式仅需输入参数、选择柱底两大主要步骤,建模所需操作步骤明显少于常规的直接建模方式;②采用快速建模模块的建模方式降低了建模者对支座构造细节的高要求认知,对隔震支座有初步认知的专业人员即可通过该模块进行高效建模。采用隔震支座快速建模模块建成的该库房隔震层BIM模型如图17所示,对比真实隔震支座可见,建成的隔震支座模型能够真实展现隔震支座的各个部件和构造细节。

图16 隔震层不同建模方式对比Fig.16 Comparison between different modeling methods of the isolation layers

图17 某库房隔震层BIM模型Fig.17 The BIM model of the warehouse’s isolation layer

4 结论

针对隔震支座分类与特性,提出了隔震支座BIM快速建模模块基本架构,联合Revit和Visual Studio平台开发了隔震支座快速建模模块,实现了橡胶隔震支座、滑移摩擦隔震支座以及其他隔震支座BIM模型的快速建模功能,并通过开发连接节点参数化建模、支座批量/手动布置等功能提升了实际工程应用时的建模效率。最后,针对某化工公司的库房隔震加固项目开展了隔震层BIM建模实践,结果表明:利用快速建模模块可将隔震层BIM建模操作从7个步骤降低至2个步骤,且使用过程中对隔震支座构造细节的认知要求相对较低,同时建成后的BIM模型与实际工程在建筑信息的多个方面具有较好的一致性。