ITO软件V1.0:钢筋混凝土框架结构BIM模型-OpenSEES有限元模型转换软件
创始人
2025-12-23 06:03:34
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开发了一款钢筋混凝土框架结构BIM模型-OpenSEES有限元分析软件(简称ITO软件),实现了从BIM模型到OpenSEES有限元分析模型的有效过渡,使得建筑设计软件(如Revit)中的钢筋混凝土框架结构模型可以在OpenSEES中进行精确的有限元分析在转换过程中,本软件相对保留了钢筋信息和材料信息,并采用Fiber截面来模拟钢筋混凝土的特性。通过与其他转换方式的对比验证,本软件的转换方法在保留结构信息方面表现出色,确保了计算结果的高精度。

01

研究背景

    建筑信息模型(BIM)是建筑学、工程学和土木工程领域的一种新工具,它以其可视化、协调性和可生成图形等优点在建筑工程行业得到广泛应用。随着近年来BIM的快速发展,BIM软件如Revit等也变得越来越普及。

    在工程项目中,Industry Foundation Class(IFC)文件因其公开性和全面的数据描述而成为实现建筑、工程和施工软件之间交互的关键。然而,在IFC文件转换过程中,常常出现一些问题,比如梁柱单元交接部位的节点不重合,无法完整提取钢筋信息和材料属性等。

    为了解决模型转换过程中信息丢失的问题,本研究提出了一种将钢筋混凝土框架BIM模型转换为OpenSEES有限元模型的方法。从IFC文件出发,通过对几何信息、钢筋信息和材料信息等进行提取和处理,较好地还原了钢筋混凝土构件的性能。这使得钢筋混凝土框架BIM模型能够更加精确、高效地转换为有限元模型,并能够在OpenSEES中完成有限元分析。

02

软件界面

ITO软件共设置IFC解析、约束设置、材料设置、单元设置、截面设置、荷载设置、分析设置生成代码八大模块。

图1:IFC解析

图2:约束设置

图3:材料设置

图4:单元设置

图5:截面设置

图6:荷载设置(1)

图7:荷载设置(2)

图8:输出设置(1)

图9:输出设置(2)

图10:分析设置(1)

图11:分析设置(2)

图12:生成代码

03

软件主要模块

3.1 IFC解析模块

本软件中,IFC解析模块的主要功能是对模型的几何信息、单元及钢筋信息、材料信息进行初步提取。首先,通过使用Python编程语言ifcopenshell开源库对IFC文件进行初步解析和数据提取。这一解析的目标是提取出有限元软件OpenSEES所需的关键参数。

在初步提取几何信息的过程中,首先通过ifcopenshell库的geom函数将坐标转换为全局坐标。接下来,通过ifcopenshell库的create_shape函数,将目标单元或钢筋划分为三角网格,并获取与之相对应的顶点数组(vertices)、边数组(edges)和面数组(faces)。

在初步提取材料信息的过程中,从IFC文件中提取钢筋混凝土结构BIM模型中预先设置的材料信息,并结合材料库文件获取目标单元或钢筋的材料属性。

该模块的算法流程图如下:

图13:IFC解析模块算法流程图

材料库如下:

图14:混凝土材料库

图15:钢筋材料库

3.2 数据处理模块

在对初步提取的信息进行数据处理时,首先对所有单元进行遍历,以获取每个单元的顶点数组。接着,根据各个顶点的坐标计算出该单元的坐标区间和端点坐标,并将这些信息与单元的材料信息一同保存在其信息数组中。

随后,遍历所有的钢筋,通过其节点数组计算其端点坐标,并判定钢筋类型为纵筋或箍筋。若为箍筋,当其横截面的形心坐标位于目标单元的坐标区间内时,则根据单元内各箍筋横截面的形心坐标,计算箍筋间的间距,将箍筋强度、直径和箍筋存入该单元的信息数组中。若为纵筋,当其端点坐标都位于目标单元的坐标区间内时,统计此单元截面中纵筋的数量、位置和直径,并将统计结果与纵筋强度一并保存在该单元的信息数组中。该模块的算法流程图如下:

图16:数据处理算法流程图

3.3 模型转换与分析模块

数据处理完成后,用户依次完成约束、材料、单元等相关设置。

约束设置:对结构模型的底层节点是否约束进行设置。

材料设置:根据OpenSEES所需的材料信息,在Revit的结构模型中设置混凝土与钢筋的材料名,解析完成后,按照自带的材料库,将材料参数赋予给相应的材料。

单元设置:对梁、柱构件的单元类型及积分点数目进行设置,对有板单元的构件,还需选择板单元采用膜单元/刚性隔板。

截面设置:对所有单元截面的核心区和边缘区的纤维划分数量进行设置。

荷载设置:对于外部施加的荷载,选择荷载类型,进行荷载大小以及作用位置的设置;对于屋面、楼面的恒荷载和活荷载,根据输入的荷载参数以及类型,按照单向板和双向板的荷载传递规则,传递到相应梁单元上,自动计算该楼层的重力荷载代表值,并根据作用形式为点荷载/线荷载作用到对应的节点/单元上;对于地震作用,根据输入的地震时间间隔、峰值放大系数、方向以及所选地震波文件,完成对结构地震作用的设置。

输出设置:用户可以对输出类型、文件名、保存位置、需要进行输出的节点/单元编号以及输出的数据类型进行设置。

分析设置:根据OpenSEES中进行分析所需的参数要求,用户选择进行静力/动力时程分析,并完成相关分析设置的选择及参数设定。

生成代码:用户完成上述设置后,自动生成对应的TCL命令流,可由用户进行修改/保存。

结合用户在约束设置、材料设置、单元设置、截面设置等页面中的相关设置,在生成代码页面中,点击“代码生成”按钮,即可生成相应的TCL命令流。点击“修改”/“保存”按钮,即可对文本框中的代码进行修改或保存,点击“开始分析”按钮时,则自动调用OpenSEES有限元分析软件对当前TCL文件进行计算分析,并将结果输出至指定文件中。

04

算例

4.1 三层框架结构模型转换

图17:IFC文件可视化模型

图18:转换后OpenSEES可视化模型

4.2 八层框架结构模型转换与分析验证

图19:IFC文件可视化模型

图20:转换后OpenSEES可视化模型

算例采用ITO软件将BIM模型转换为OpenSEES模型,同时在有限元软件ETABS中建立了一个相同的模型,并通过ETO软件将其转换为OpenSEES命令流,以确保两者的材料参数一致。然后,对转换后的Fiber截面命令流进行了修改,并进行了分析。为了进行比较,将Fiber截面修改前后的分析结果分别标记为“对比1”和“对比2”。分析结果对比如下:

图21:最大层间位移角对比图

图22:局部放大图

05

结论

本研究开发了一个钢筋混凝土框架结构BIM模型-OpenSEES有限元分析软件(ITO软件)。在转换过程中,ITO软件较好地保留了钢筋信息和材料信息,并采用Fiber截面模拟钢筋混凝土的特性,从而实现了BIM模型OpenSEES有限分析模型的高效转换与有限元分析。

相关知识产权:

正在开发的 V2.0 版本新增了以下功能:

1. 钢筋混凝土框架-剪力墙结构的转换;

2.结构抗震可靠度-易损性快速评估模块。

如果您对该软件感兴趣,欢迎通过以下联系方式与我们取得联系:xujun86@hnu.edu.cn

胡鑫,硕士生,研究方向:结构模型转换与抗震
徐军,教授,研究方向:结构随机振动与可靠度


                                          供稿:胡鑫

                                          校核:徐军

                                                                                                                                           

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