建筑信息模型BIM概论第6章 BIM结构分析模型转换应用

第6章BI

M结构分析模型转换应用本章内容概述结构分析模型信息说明结构分析模型转换6.1概述6.1概述

在工程的结构设计过程中，工程师可能会采用不同的有限元软件创建不同的分析模型。如果同一工程的模型在不同软件中需要重复创建的话，不仅工作量巨大，而且工作效率低下。因此，如第4章所述，一种设计模型多种用途对目前项目普遍工期紧、方案修改频繁的情况下，是非常有意义的。6.1概述如何实现不同结构分析模型之间数据和信息的高效转换，是决定结构设计品质的关键。此外，结构分析模型之间的转换也是规范与规程所催生的产物，比如我国《高层建筑混凝土结构技术规程（J

GJ

3-2010）》和《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》中均有条文明确规定：部分复杂和超限结构应

采用至少两个不同力学模型进行结构计算、分析与比较。6.1概述结构分析模型数据和信息是建筑模型的重要组成部分，相比建筑外观造型等信息而言，这些数据和信息不

那么直观，相对比较抽象。结构分析模型记录信息主要是结构荷载与抗力之间的平衡关系，其中荷载信息包括：恒荷载、活荷载、风荷载、温度荷载、地震作用、雪荷载、人防荷载、偶然荷载等；抗力信息则包括混凝土材料等级、钢材等级、钢筋等级和面积等。6.1概述结构分析模型的数据和信息通常是海量的，尤其对

于复杂和超高层建筑而言，早先的以图纸和手写计算书

为主的方式根本无法适应当前对结构数据和信息的需求。能完成结构设计、数据和信息记录的通用软件与专业软件主要有Mi

das、Sap2000、Et

bas、PKPM、Ma

r

c、Aba

qus、Ans

ys、广厦、佳构、YJ

K等。土木工程专业的学生应能至少熟练掌握其中的一种，并且系统地了解常规结构体系的建筑与结构模型数据和

信息创建与分析过程。6.2结构分析模型信息说明6.2结构分析模型信息说明近结构模型信息包括可见与不可见两部分。比如柱、斜撑、墙构件的空间布置与构件的空间连接关系，墙和楼板开洞，构件的截面大小、材质，平面尺寸、楼层层高等信息，这些信息均可以在模型与荷载输入菜单中查看，此类信息在建筑设计类软件比如Re

vi

t

（Aut

oCAD）、Be

nt

l

ey等中均能完整表现。但与力学计算、结构承载力以及变形验算相关的结构信息，如弹性模量、节点荷载、材料线膨胀系数、应力、应变等信息在建筑设计类软件中比较难于表现，有的甚至表现不了。YJ

K软件能够将完整的结构信息导入到多种结构分析软件中甚至是互相导入（如图6-1所示），导入的效果均能达到适应日常生产的水平，其便捷程度也是某些结构分析软件短时间内不可企及的，这也是本节选择YJ

K软件进行介绍的原因之一。6.2结构分析模型信息说明图6-1

YJ

K软件全面的模型与数据信息转换功能图6.2结构分析模型信息说明2.1结构模型创建可以直接在YJ

K自主研发的交互图形平台的荷载与模型菜单中建立结构信息模型。YJ

K模型输入模块是比较专业的建筑结构模型与荷载输入平台，其专业性主要体现在以下几个方面：自动搜索结构的底部柱和墙，对低于“与基础相连构件的最大底标高”的节点形成嵌固支座。在梁、墙构件所围成的封闭区域自动生成楼板。6.2结构分析模型信息说明6.2.1结构模型创建（3）自动对柱和墙进行拉伸。由于建筑结构与其他行业的分析对象不同，具有明显的层属性，也就是说，处于同一楼层的竖向受力构件，其高度一般是相同的，因此只需要输入二维平面构件布置图（有些工程师习惯看平面图），即可快速形成三维模型，同时支持直观的基于BI

M的三维可视化建模。6.2结构分析模型信息说明6.2.1结构模型创建（4）只需要输入几个简单的物理参数，即可按照《建筑结构荷载规范（GB50009-2012）》对结构的风荷载进行计算。而且，输入为数不多的几个地震动参数，即可自动依据《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》完成复杂的地震作用信息输入与内力计算和调整。6.2结构分析模型信息说明6.2.1结构模型创建但建筑师的工作一般先于结构师，由于建筑软件

Re

vi

t

（Aut

oCAD等）在造型、渲染、漫游等诸多方面具有明显优势，比较受建筑师的青睐，因此，也可以采用第5章中介绍的方法，直接此类软件的建筑模型信息等快速转入YJ

K等结构专业软件中。再补充后续建筑软件不擅长的结构分析设计及结果信息。6.2结构分析模型信息说明6.2.2荷载信息对于结构分析而言，一般关注两个方面的信息：其

一是分布于结构上的荷载，其二是结构本身的抗力。结

构工程师的工作就是使用最优结构体系和材料去抵御可

能的外荷载。建筑结构上应考虑的荷载，一般是由大量的

统

计

工

作

获得，其建议值已列于《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）之中。6.2结构分析模型信息说明6.2.2荷载信息主要的荷载分类有：永久荷载（又称恒荷载）、楼屋面活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用，荷载信息在软件中分荷载工况进行存储，并且用于后续的内力分析与设计。为了方便管理，荷载通常按层和构件类型分别输入，比如恒荷载可按节点、梁、柱、楼板、墙等建筑构件分类后分层进行输入。6.2结构分析模型信息说明6.2.2荷载信息荷载信息宜分类管理，不只是有利于快速查询和修改，也是结构设计的需要。这是荷载等结构分析模型信息区别与其它信息的一个重要的特征。同样是楼面荷载，会将其区分在两类菜单中进行输入和管理，是因为荷载种类不同，对设计内力影响也是不同的。主要体现在部分用于梁、墙设计的活荷载需要折减，但恒载不需要折减，而且荷载种类不同，效应组合值系数也会不同。6.2结构分析模型信息说明2.2荷载信息楼面恒荷载楼板的恒荷载包括楼板本身自重产生的荷载，以及粉刷、吊顶等装饰层产生的永久性荷载。长期存在于建筑结构之上的固定设备也属于恒荷载，此类荷载在软件中以面荷载的方式进行输入和存储。楼面活荷载楼屋面活荷载与恒荷载相比具有明显的不确定性，活荷载的大小常因房屋的使用功能不同而各异，楼屋面的设计活荷载大小一般由统计结论确定。常见的民用建筑，比如教室、住宅、商场、医院等，均可以通过查阅荷载规范获得。6.2结构分析模型信息说明6.2.2荷载信息荷载取值确定以后，通过如图6-5所示的荷载管理菜单输入与查询。结构荷载信息既可以在平面图上查看，也可以通过三维图形方式查看。图6-5三维梁荷载图6.2结构分析模型信息说明6.2.2荷载信息（3）风荷载与恒、活荷载不同，在软件中通过输入地面粗糙类别、基本风压等基本参数后由结构软件依据规范，自动计算风荷载的大小以及将风荷载进行分配——软件根据建筑物的外轮廓，求得建筑物的迎风面面积，然后依据规范规定对风压调整后计算获取整个结构迎风面的风荷载大小，再将风荷载分配到与迎风面相关的节点上。6.2结构分析模型信息说明6.2.2荷载信息（3）风荷载图6-6风荷载基本参数对话框6.2结构分析模型信息说明6.2.2荷载信息（4）地震作用地震作用是建设场地位于抗震设防区的结构设计中最重要的外“荷载”形式之一，位于高烈度区的结构地震作用经常是起控制作用的荷载工况。地震参数中的主要信息为设防烈度（建筑物所在场地的设防烈度可查阅《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》确定），设防烈度决定地震影响系数的最大值，即地震力的水平（可能发生地震灾害大小）。6.2结构分析模型信息说明6.2.2荷载信息（4）地震作用图6-7地震信息对话框6.2结构分析模型信息说明6.2.3材料信息土木建筑工程所用材料种类一般比较固定，主要包括混凝土、钢筋、钢材，少部分结构采用砖砌体、空心砌块砌体等。除此之外还有采用木材、石材搭建的结构，但为数不多。不同材料的力学性能区别较大，采购时价格差异也比较明显。材料是结构信息中又一最重要的属性，目前最常用的混凝土、钢筋强度等级、钢材强度等级、砌体等级、木材强度等级在现行《混凝土结构设计规范》（GB50010）、《钢结构设计规范》（GB50017）、《砌体结构设计规范》(GB50003)、《木结构设计规范》

GB50005中均有列出。6.2结构分析模型信息说明6.2.3材料信息从C15到C80共14个等级。针对钢筋强度等级，曾在

2002版的规范中包含有HPB235级的光圆钢筋。根据国家

“四节一环保”的要求，提倡应用高强、高性能的钢筋，因此，在2010版的规范中不再将HPB235级钢筋列入，取而代之的是HPB300级钢筋。6.2结构分析模型信息说明6.2.3材料信息结构模型的材料信息是影响结构响应和设计结果的决定性因素，材料信息在同一个标准层中通常是相同的，同一标准层的材料在软件中可以通过一组表格形式的参数按构件类别快速完成指定，如图所示。图6-9楼层信息设置对话框6.2结构分析模型信息说明6.2.4构件特殊属性信息构件特殊属性信息是指杆件铰接、刚度系数、扭矩折减系数等。这类信息具有一定的特殊性，部分信息原本是不存在的，由于模型抽象或者简化而产生。在建筑模型中一般不表现此类属性，即使表现此类属性，也不明显。以杆件铰接信息为例进行说明，铰接是一个比较抽象的力学概念，除了钢结构中的构件栓接之外，真正意义上的铰接是不存在的。将梁端指定为铰接，通常情况下因弯矩为零，设计配筋会比较小（有时为了结构抗震性能需求，故意通过减少设计内力将其弱化）。6.2结构分析模型信息说明6.2.5分析结果信息结构分析总信息文件对模型的主要数据和信息进行了汇总。结构分析总信息是结构设计及施工图审查中比较受关注的内容，是快速了解结构概况的记录文件。包括结构体系，结构所在地区等一系列详细的结构设计参数。以及周期、振型、地震作用和超限信息等等。图6-10分析结果信息6.2结构分析模型信息说明6.2.6施工图信息施工图信息细而琐碎，专业的结构设计软件（PKPM、YJ

K）均会自动给出梁、柱、板、墙等基本构件的实际配筋初始方案（如下图）。但仍需大量的手动修改和完善，目前各设计院配置人员比例最高的一般都是施工图绘制人员。图6-11板施工图配筋信息6.3结构分析模型转换6.3结构分析模型转换支持BI

M数据和信息转换的I

FC标准还处于不断完善之中，直接应用I

FC格式进行数据和信息的输入输出相对比较困难。就目前来说，比较合适的做法是形成各种软件本身可以直接读取的文件格式。单从这个目标来说，YJ

K软件已经达到国内领先水平，不仅可以将结构模型转换成最为流行的BI

M建模软件Re

vi

t所识别的格式，还能将Re

vi

t格式的模型转为YJ

K所识别的格式（详见第5章内容）。6.3结构分析模型转换YJ

K软件还能与当今国内较为流行的结构分析软件比如PKPM、Mi

das，Et

abs，Sap2000、Aba

qus等进行模型的数据和信息相互转换，从而对结构模型进行线弹性分析或者弹塑性分析，这充分体现了BI

M的信息集成和互协作理念。因此，从某个层面上来说，YJ

K软件可以充当BI

M在国内应用的“数据中心”或者“数据标准”。6.3结构分析模型转换YJ

K软件将结构模型数据和信息转入到其他软件中时，操作步骤相对简便，比较适合于工程师的使用习惯，下图为YJ

K模型接口转换操作界面。图6-12

YJ

K模型接口转换操作界面6.3结构分析模型转换6.3.1

Mi

das模型转换Mi

das软件由韩国浦项集团开发，主要产品有Mi

dasCi

vi

l、Mi

das

Ge

n、Mi

das

Bui

l

di

ng、Mi

das

FEA等。目前，Mi

das广泛应用于空间结构的分析，在复杂超限结构中的应用也比较多。Mi

das

Bui

l

di

ng是专门针对建筑结构设计开发的，与国内建筑结构专业设计软件

PKPM和YJ

K的功能接近，在国内的用户相对比较少，而Mi

das

Ge

n由于在非常规建筑结构分析功能方面性能优越，比较受工程师的青睐。6.3结构分析模型转换6.3.1

Mi

das模型转换（1）

YJ

K→Mi

das数据模型转换

将树形菜单切换到“工作”选项页，从树形菜单中可以查看软件对结构模型数据的汇总结果，如图所示。图6-18树形菜单“工作”标签6.3结构分析模型转换6.3.1

Mi

das模型转换（1）

YJ

K→Mi

das数据模型转换

目录树中材料项列出所有材料种类，在需查看的材料上单击鼠标右键，选择特性值，可查看材料的详细属性信息，如设计类型、参数依据的规范、材料标号、计算所需的弹性模量、泊松比、容重、密度等常用信息和线膨胀系数等特殊信息，在该对话框中可以完成标号的切换等修改工作。图6-19“材料”选项6.3结构分析模型转换6.3.1

Mi

das模型转换（2）

Mi

das→YJ

K数据模型转换YJ

K软件及同类软件PKPM在常规建筑结构模型建立方面，其专业化程度是最高的，建模效率也非常高。但是在复杂工业建筑及空间网格结构建模方面，尤其是在

YJ

K空间层建模功能推出之前，Mi

das

Ge

n是建模最快捷的软件。若采用Mi

das

Ge

n建立的模型，也可以通过数据转换的方式，将其从Mi

das

Ge

n中转入YJ

K，还可进一步将模型信息从YJ

K中转换到其他软件。6.3结构分析模型转换6.3.1

Mi

das模型转换（2）Mi

das→YJ

K数据模型转换材料方面，Mi

das

Ge

n中可选用钢结构规范中Q235、Q345、Q390和Q420四种钢号，以及混凝土规范中从C15到C80的14个混凝土等级。这18种材料能准确与YJ

K中相应材料对应。如果设计类型为混凝土，规范中未选择GB（国家标准），此时转入YJ

K中的材料按弹性模量线性插值确定其强度等级。除此之外的材料，均需通过自定义材料对属性进行定义，在YJ

K中材料类型也有自定义材料与之对应。6.3结构分析模型转换6.3.1

Mi

das模型转换（2）Mi

das→YJ

K数据模型转换结构构件的截面种类繁多，不同的结构，由于使用功能不同，建筑外观需求不同，构件尺寸及截面形状可能会千差万别。但考虑到施工过程的标准化、工业化，构件的截面与厚度还是限于一些常用的形式，也方便配筋与设计。因此，两类软件之间的截面对应（对应准确与否直接影响模型转换效果）还是比较容易实现的，但部分组合截面或者格构式构件还是存在转换技术屏障。6.3结构分析模型转换6.3.1

Mi

das模型转换（2）

Mi

das→YJ

K数据模型转换图6-27

Mi

dasGe

n筒仓模型轴测图图6-31

Mi

das

Ge

n筒仓模型转入YJ

K后轴测图6.3结构分析模型转换6.3.2

Sap2000模型转换Sap2000软件技术全面，涵盖了大变形分析、P-De

l

t

a效应分析、Ri

t

z向量分析、索结构分析、纤维铰的材料非线性分析、分层壳单元、Buckl

i

ng屈曲分析、单拉和单压分析、阻尼器、基础隔震、非线性施工顺序模拟等。Sap2000既可以进行线性和非线性分析，也可以进行静力和动力分析，堪称全球范围内最全面的结构分析软件，也是建筑行业应用最广的软件之一。6.3结构分析模型转换6.3.2

Sap2000模型转换（1）

YJ

K→Sa

p2000数据模型转换点选图6-12主界面上Sap2000转换接口按钮程序自动完成模型数据准备与转换。转换完成后生成Sap2000支持的模型文件，模型文件后缀名为s

2k，是可读的t

xt格式文件，如图6-32所示。图6-32

Sap2000模型记录的s

2k文件内容6.3结构分析模型转换6.3.2

Sap2000模型转换（1）YJ

K→Sa

p2000数据模型转换选择材料之后，在弹出的对话框中点击“修改/显示材料”按钮可以查看该材料的属性。图

6-36详细显示了C30B材料的属性，如弹性模量、泊松比、线膨胀系数、剪切模量等。图6-36

Sap2000材料的参数设置6.3结构分析模型转换6.3.2

Sap2000模型转换（2）Sap2000→YJ

K数据模型转换部分重要工程如国家体育场的设计与施工难度也是前所未有的，主要表现在造型复杂，主要的抗力体系由巨大的箱形“扭曲”构件组成。涉及到的难度包括：用钢量的优化分析、结构防腐与防火、大跨度风荷载、温度应力、大震弹塑性、节点焊接与找型、复杂节点分析等设计和施工难点。在Sap2000中完成详细的施工徐变或内外温差分析后，需要到YJ

K或者PKPM等软件中进行施工图设计时，接口软件是比较好的模型信息快速转换选择。6.3结构分析模型转换6.3.2

Sap2000模型转换（2）Sap2000→YJ

K数据模型转换国家体育场项目最终出版的分析报告就达600多页，如果没有采用数据集成与共享技术，其重复劳动量和图纸耗费量将是相当巨大的。采用Sap2000→YJ

K接口可以将Sa

p2000中建立的带开合盖模型导入到YJ

K中，转换效果较好，如图6-43所示，其中只需要极少量人工修改工作就可以顺利完成模型的分析与后续设计。6.3结构分析模型转换6.3.2

Sap2000模型转换（2）Sap2000→YJ

K数据模型转换（a）Sap2000模型

（b）YJ

K模型图6-43国家体育场方案设计阶段带开合盖模型轴侧图6.3结构分析模型转换6.3.3

Et

abs模型转换Et

abs英文全称为Ext

ended

Thr

ee-Di

me

ns

i

onalAna

l

ys

i

s

of

Bui

l

di

ng

Sys

t

e

ms，与Sap2000类似，同为美国CSI

（Comput

er

and

St

r

uct

ur

es

I

nc.）公司开发的结构分析类产品。其主要的用途是建筑结构的分析与设计，相对于Sap2000而言，其应用范围要窄一些，分析复杂问题方面也不如Sap2000那么全面，但比Sap2000更为专业。6.3结构分析模型转换6.3.3

Et

abs模型转换（1）

YJ

K→Et

abs数据模型转换将YJ

K模型转换成Et

abs能识别的模型数据，其操作过程和原理与YJ

K转Mi

das、YJ

K转Sa

p2000基本类同，归纳流程如图6-45所示。图6-45

YJ

K转Et

abs模型操作流程运行YJ

K软件界面点击YJ

K-Et

abs转换按钮选定需要转换YJ

K模型文件指定需要转换的参数点击转换按钮进行转换转换完成后生成Et

abs支持的e

2k后缀名文件启动Et

abs软件选择新建项目或点击Fi

l

e→I

mpor

t

→ETABS.

e

2k

Text6.3结构分析模型转换6.3.3

Et

abs模型转换（1）

YJ

K→Et

abs数据模型转换结构分析模型转换是否成功主要从以下两个方面体现：一是转换信息是否全面，二是转换信息是否准确。转换信息全面与否是指在YJ

K软件中建立的模型，转入Et

abs中，不会有太多的信息丢失。转换信息准确是指两种类型的软件能描述成一致的内容，比如构件尺寸等应当是完全一样。但不同软件不可能保证对所有问题的描述方式做到完全一致，因此，在模型转换时应该使两类软件所表达的本质要一致。6.3结构分析模型转换6.3.3

Et

abs模型转换（2）Et

abs→YJ

K数据模型转换由于Et

abs具有在单层、全部楼层、相似楼层（建筑布置一致）中采用平面、立面、三维等方便的建模功能；截面、材料、荷载指定也比较灵活，部分设计院在Et

abs中直接建立起了高层建筑结构分析模型，如上海中心、中国尊等项目。由于需要到YJ

K、PKPM中进行周期等计算结果复核或者上部结构、基础详细施工图设计，将Et

abs模型转入功能就显得比铰重要。6.3结构分析模型转换6.3.3

Et

abs模型转换（2）Et

abs→YJ

K数据模型转换上海中心大厦设计高度为632米，结构高度580米，地下室5层，地面以上124层。是一幢集商业、停车、会议、办公、酒店观光为一体的摩天大楼，与环球金融中心、东方明珠、金茂大厦一起组成上海市新的建筑天际线。采用Et

abs→YJ

K接口可以顺利将梁、柱、斜撑、墙体、楼板、型钢、混凝土、荷载等全部转入YJ

K软件中，耗时也就数分钟，模型信息也非常准确，转入后计算的结构周期等均比较接近，如图6-48所示。6.3结构分析模型转换6.3.3

Et

abs模型转换（2）Et

abs→YJ

K数据模型转换图6-48上海中心轴侧图（a）

Et

abs（b）

YJ

K6.3结构分析模型转换6.3.4

Aba

qus模型转换Aba

qus软件在非线性（材料、几何、接触耦合非线性）的碰撞分析、冲压成型、流固等多场耦合问题的模拟能力处于世界领先地位。该软件提供了丰富的单元库，单元库包含了全部常规的结构分析单元，包括点质量单元、梁单元、面单元、实体单元，以及连接单元、接触单元等。目前Aba

qus在国内土木工程行业高端领域的应用非常广泛，但Aba

qus的模型创建是最为复杂的软件之一，为了使工程师能够高效将模型在Aba

qus中建立起来，YJ

K也开发了相应的模型数据转换接口。6.3结构分析模型转换6.3.4

Aba

qus模型转换图6-53

Aba

qu