基于BIM的混凝土框架梁增大截面法加固設(shè)計(jì)研究

杜德潤(rùn)，江生煌

(中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

0 前 言

近年來，國(guó)內(nèi)外因?yàn)榻ㄖ锸褂媚晗蕹g、規(guī)范不斷修訂、自然災(zāi)害侵蝕、使用功能改變等因素，導(dǎo)致市場(chǎng)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估鑒定和加固的需求不斷增加[1]。BIM技術(shù)亦是未來工程建設(shè)發(fā)展的主要方向，許多國(guó)家已經(jīng)將BIM寫入自己國(guó)家建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃及相關(guān)政策之中，強(qiáng)力促進(jìn)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。本文嘗試將BIM技術(shù)應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)中[2]。

1 Revit二次開發(fā)加固設(shè)計(jì)程序的實(shí)現(xiàn)

在Revit中進(jìn)行混凝土框架結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)的主要思路為：①在Revit中建立原結(jié)構(gòu)模型并添加項(xiàng)目參數(shù)；②結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，輸出計(jì)算書；③改變荷載重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，輸出新的計(jì)算書；④通過計(jì)算書獲取相應(yīng)內(nèi)力；⑤進(jìn)行承載力校核，得到校核結(jié)果；⑥加固建模，重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，得到新的計(jì)算書；⑦進(jìn)而循環(huán)4～6步驟，至所有構(gòu)件滿足設(shè)計(jì)要求； ⑧進(jìn)行配筋計(jì)算、選筋；⑨生成三維鋼筋。

其中需要用到編程進(jìn)行二次開發(fā)的步驟分別有：項(xiàng)目參數(shù)設(shè)置、計(jì)算書處理、構(gòu)件承載力校核、截面推薦、加固建模、配筋計(jì)算、選筋和鋼筋三維出圖。

1.1 界面開發(fā)

在Revit中進(jìn)行加固程序開發(fā)之前，首先得為加固程序各功能提供一個(gè)人機(jī)交互界面作為載體。Revit允許用戶通過API中的外部應(yīng)用接口(IExternalApplication)來訂制自己的UI界面，外部應(yīng)用接口提供了OnStartup( )和 OnShutdown ( ) 兩個(gè)方法，分別是啟動(dòng)和關(guān)閉方法中的功能[3]。本文在OnStartup( )方法中創(chuàng)建所需交互界面，在菜單欄中創(chuàng)建了名為“加固”的選項(xiàng)卡頁(yè)，在此選項(xiàng)卡頁(yè)下設(shè)置了六個(gè)面板分別為：項(xiàng)目參數(shù)、內(nèi)力導(dǎo)入、承載力校核、梁加固、柱加固、配筋計(jì)算及三維鋼筋；在相應(yīng)的面板中放置了對(duì)應(yīng)的命令按鈕，最后將相應(yīng)的功能綁定到該命令按鈕上，點(diǎn)擊命令按鈕實(shí)現(xiàn)所需功能。

加固模塊界面見圖1。

圖1 加固模塊界面

1.2 添加項(xiàng)目參數(shù)

Revit除了有內(nèi)建參數(shù)外，也允許用戶自定義參數(shù)，自定義的參數(shù)有元素參數(shù)和族參數(shù)，在項(xiàng)目文件下定義的為元素參數(shù)。元素參數(shù)包含了共享參數(shù)和項(xiàng)目參數(shù)的概念。用戶定義的共享參數(shù)儲(chǔ)存于共享參數(shù)文件(.txt)中，把它綁定到相應(yīng)的類別之后，會(huì)在文檔中的構(gòu)件上生成相應(yīng)的項(xiàng)目參數(shù)。本文對(duì)在加固設(shè)計(jì)中混凝土框架梁構(gòu)件所用的參數(shù)進(jìn)行以下歸類，其中部分參數(shù)只存在與程序中，部分參數(shù)要先設(shè)置成共享參數(shù)后，需要開發(fā)相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)一鍵從共享參數(shù)到項(xiàng)目參數(shù)的功能，綁定成為構(gòu)件的項(xiàng)目參數(shù)，見表1和圖2。

圖2 添加的項(xiàng)目參數(shù)

表1 項(xiàng)目參數(shù)信息

1.3 計(jì)算結(jié)果處理

對(duì)于模型分析而言，目前支持與Revit實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞的第三方結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析軟件主要包括Etabs、SAP2000、Midas、PKPM、Robot等。Robot較其他第三方結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析軟件的優(yōu)勢(shì)在于，與Revit的交互中雙方之間的數(shù)據(jù)流通的便捷性與完整性[4]。Revit同Robot可以實(shí)現(xiàn)模型上的完美雙向傳輸，出錯(cuò)率僅不到 4%[5]。但是Robot的計(jì)算結(jié)果無法傳輸?shù)絉evit中，且Robot不包含加固模塊，無法實(shí)現(xiàn)加固設(shè)計(jì)，故需進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)將Robot在的計(jì)算結(jié)果向Revit的傳輸，以使用在Revit中開發(fā)的加固模塊進(jìn)行相應(yīng)的加固設(shè)計(jì)、配筋計(jì)算。Revit向Robot傳輸?shù)哪Ｐ头譃樵Y(jié)構(gòu)模型和加固后結(jié)構(gòu)模型，故由Robot獲得的計(jì)算結(jié)果也分為原結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果和加固后結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果。分別對(duì)結(jié)果文件進(jìn)行處理獲得加固設(shè)計(jì)所需的信息，對(duì)梁構(gòu)件相應(yīng)項(xiàng)目參數(shù)進(jìn)行賦值。

1.4 承載力校核

由于使用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，需將梁構(gòu)件鑒定分為原梁與加固梁承載力校核[6]。比較構(gòu)件承載力同構(gòu)件荷載效應(yīng)的大小，可以將校核結(jié)果分為：無需加固、抗彎加固、抗剪加固、彎剪加固。

對(duì)梁構(gòu)件進(jìn)行承載力校核的編程思路為：①收集梁構(gòu)件；②檢索所有梁構(gòu)件，獲取構(gòu)件的參數(shù)信息；③判斷原梁還是加固梁承載力校核；④進(jìn)行梁構(gòu)件抗彎及抗剪承載力校核，分別判斷獲得校核結(jié)果。以此實(shí)現(xiàn)所有梁構(gòu)件一鍵校核。

1.5 設(shè)計(jì)截面

設(shè)計(jì)截面是在截面承載力校核之后，檢索所有梁構(gòu)件時(shí)，針對(duì)同一個(gè)梁構(gòu)件，依照校核的結(jié)果進(jìn)行估算截面計(jì)算，對(duì)于不同校核結(jié)果的構(gòu)件，分別進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的加固計(jì)算，確定設(shè)計(jì)截面，取最大值作為設(shè)計(jì)截面，賦值給各個(gè)梁構(gòu)件的項(xiàng)目參數(shù)。關(guān)于設(shè)計(jì)截面合理性判斷，就抗剪加固計(jì)算而言，首先，根據(jù)hw/b1，確定βcfcb1h1前的系數(shù)，再根據(jù)剪力V確定第一個(gè)h1[7]；其次，根據(jù)b0同b1的關(guān)系確定梁加固方式是U形加固還是三面圍套加固，根據(jù)混凝土加固規(guī)范中U形加固或三面圍套加固的公式，結(jié)合剪力V確定第二個(gè)h1；取大值作為抗剪加固計(jì)算推薦截面。就抗彎加固計(jì)算而言，通過一個(gè)循環(huán)，將抗剪加固計(jì)算推薦截面作為初步加固截面帶入抗彎加固公式計(jì)算，首先判斷相對(duì)受壓區(qū)高度x同ξbh01的關(guān)系，大于時(shí)直接按10的模數(shù)加大截面重新試算，小于時(shí)則再計(jì)算加固所需新增受拉區(qū)鋼筋面積As，判斷單邊配筋率同0.025及0.002的關(guān)系，確保加固梁構(gòu)件不超筋或少筋破壞[8]。

1.6 加固建模

加固建模分為構(gòu)件信息讀取模塊和修改參數(shù)布置模塊。使用Visual Studio 2012中Form窗口來顯示構(gòu)件信息。在顯示構(gòu)件信息的Form窗口下，設(shè)計(jì)人員根據(jù)校核結(jié)果、設(shè)計(jì)截面，對(duì)構(gòu)件相關(guān)信息進(jìn)行修改后布置完成構(gòu)件的加固建模。

1.7 配筋選筋

根據(jù)承載力校核結(jié)果確定最終加固截面，按照混凝土加固設(shè)計(jì)規(guī)范公式進(jìn)行加固截面配筋計(jì)算。根據(jù)計(jì)算配筋面積進(jìn)行選筋的主要原則有：①鋼筋間距應(yīng)滿足最小間距要求；②實(shí)際配筋面積應(yīng)大于計(jì)算配筋面積。進(jìn)行選筋的主要思路：首先定義鋼筋直徑庫(kù)；然后根據(jù)梁寬確定不同直徑鋼筋可布置的最大根數(shù)；然后計(jì)算最大根數(shù)與鋼筋直徑對(duì)應(yīng)面積的乘積同計(jì)算配筋面積比較進(jìn)行初步選筋；最后進(jìn)一步優(yōu)化，計(jì)算最少需要多少根此直徑鋼筋才能滿足實(shí)際配筋面積應(yīng)大于計(jì)算配筋面積，得到最終的選筋結(jié)果，為后續(xù)在Revit中生成三維鋼筋打下基礎(chǔ)。

1.8 鋼筋三維出圖

本文采用通過RevitAPI提供的給定曲線創(chuàng)建鋼筋函數(shù)(Rebar.CreateFromCurves())函數(shù)繪制三維鋼筋[4]。給定曲線創(chuàng)建鋼筋函數(shù)包含12個(gè)參數(shù)，主要是關(guān)于鋼筋類型、鋼筋族、鋼筋彎鉤類型、依附主體、鋼筋曲線等參數(shù)信息。鋼筋三維出圖分為新增縱筋及新增箍筋，對(duì)于縱筋，使用梁中線作為鋼筋曲線，經(jīng)偏移處理得到角筋，以此角筋為基礎(chǔ)縱筋，結(jié)合相關(guān)信息(通過提取構(gòu)件鋼筋信息，處理得到的鋼筋根數(shù)、鋼筋等級(jí)、鋼筋直徑等信息)陣列得到梁三維縱筋圖形；箍筋使用的曲線沒有現(xiàn)成的曲線可以采用，可通過點(diǎn)(XYZ)到線(Line)到鋼筋曲線(List)的方式畫出基礎(chǔ)箍筋，進(jìn)而根據(jù)間距和范圍，陣列得到所需三維箍筋圖形。

2 程序在實(shí)際工程加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本文通過簡(jiǎn)單案例來展示程序的相關(guān)功能，并測(cè)試其程序的可行性及穩(wěn)定性。詳細(xì)演示步驟如下。

第一步，建模。在Revit中建立原結(jié)構(gòu)模型，添加加固設(shè)計(jì)所需要的項(xiàng)目參數(shù)。

第二步，分析計(jì)算。將原結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Robot，分別進(jìn)行荷載組合的設(shè)置及新舊荷載布置，輸出對(duì)應(yīng)計(jì)算書，導(dǎo)入Revit進(jìn)行處理，獲取所需內(nèi)力參數(shù)。

第三步，校核加固。根據(jù)Robot傳輸?shù)膬?nèi)力值進(jìn)行承載力校核，計(jì)算得到設(shè)計(jì)截面，根據(jù)設(shè)計(jì)截面，對(duì)需要加固的構(gòu)件進(jìn)行加固布置。對(duì)加固后模型進(jìn)行新的分析計(jì)算及校核加固直至所有構(gòu)件都無需加固，得到最終加固模型。校核結(jié)構(gòu)見圖3,加固校核后的結(jié)果見圖4。

圖4 加固后的校核結(jié)果

圖3 校核的結(jié)果

第四步，配筋出圖。計(jì)算獲得最終加固模型所需配筋面積，根據(jù)配筋面積進(jìn)行選筋并生成鋼筋施工圖。選筋信息見圖5,三維鋼筋見圖6。

圖5 選筋信息

圖6 三維鋼筋

3 結(jié)束語

1)本文通過對(duì)Revit進(jìn)行二次開發(fā)，充分利用編程的優(yōu)勢(shì)，對(duì)重復(fù)性大的工作用代碼實(shí)現(xiàn)機(jī)器替代，減少人工參與，提高工作效率。

2)借助Revit API為Revit平臺(tái)增加了混凝土框架梁增大截面法加固設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)了在Revit中建模，構(gòu)件承載力校核以及加固的流程，獲得了加固所需配筋面積，并生成了三維可視的帶筋信息模型，基本滿足了的加固設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工的需求。

3)本文是基于BIM平臺(tái)的二次開發(fā)，得到三維的信息模型，擺脫了二維平臺(tái)的局限性，對(duì)后期的施工及算量都具有指導(dǎo)意義。

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