曾翔+陆新征+许镇

摘要： 针对建筑信息模型（Building Information Model， BIM）的共享数据标准为IFC标准，但现有软件导出的IFC格式模型缺少关键数据，不能满足结构非线性抗震分析数据需求的问题，提出建筑抗震弹塑性分析数据基于IFC标准的表达方法，编写C++转换程序将BIM包含的数据正确地转换成不同软件（如Marc和OpenSees等）的模型，从而可以使用不同的结构分析软件实现建筑抗震弹塑性分析.该方法为基于BIM数据实现建筑抗震弹塑性分析提供参考.

关键词： 建筑抗震分析； 纤维模型； 结构信息转换； IFC标准； IFC子信息模型； 前处理

中图分类号： TU318文献标志码： B

Abstract： The data sharing standard of BIM （Building Information Model） is IFC. However， the IFC models exported by the current softwares lack some key data， which cannot satisfy the data requirements for nonlinear structural aseismic analysis. Therefore， the building aseismic elastoplastic analysis data expression method is proposed on the basis of IFC standard ； a conversion program is developed by C++， which can correctly convert the BIM data into the structural analytical models of different softwares（e.g. Marc， OpenSees， etc.）； so the building aseismic elastoplastic analysis can be performed by different kinds of structural analysis softwares. The method can provide reference for the building aseismic elastoplastic analysis based on BIM data.

Key words： building aseismic analysis； fiber model； structural information conversion； IFC standard； IFC submodel； preprocessing

0引言

随着城市化的发展，地震对经济发展和人民生活的潜在威胁越来越严重，城市建筑震害预测成为防灾减灾的重要方面之一.城市区域内的建筑群震害预测包含2个层次：宏观层次和微观层次.宏观层次模型[1]将建筑抽象为具有一个或少数个自由度的结构，进行不同烈度下的地震损失分析预测.微观层次模型[2]建立建筑物更加精细化的分析模型（例如杆系模型等），可以考虑结构足够多的自由度和精确的动力特性，进行高精度的震害分析预测.

城市建筑震害预测需要获取和存储城市建筑的基础数据，若只是建立宏观层次模型，则只需要建筑面积、年代、层数和结构类型等少量宏观数据，其数据来源可以是城市GIS数据库等.基于GIS的城市震害预测已经有一定的研究基础.[3]建立微观层次的精细化模型需要更详细的数据，如梁柱的尺寸和配筋等，若采用手动方法建立精细化模型，不仅工作量太大，还容易出错，特别是对于某些开源的有限元软件（如OpenSees），由于没有前处理界面，建模极不方便.比较合理的方法是利用建筑已有的数字化模型，从中提取建筑震害分析所需要的详细数据，自动建模供计算模块进行分析计算.然而，不同软件生成的建筑数字化模型其数据格式不同，而计算模块也可能由不同的结构分析软件组成（如Marc和OpenSees等）.因此，需要采用统一的数据标准，以实现不同软件之间的数据交换.

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）致力于在建筑的全生命期实现不同建筑工程领域的信息共享和协同管理，基于BIM的建筑数字化模型是未来发展的重要方向.目前，BIM采用IFC标准作为建筑产品的数据交换标准，不同软件之间通过IFC标准交换数据.研究表明，基于IFC标准的建筑模型与结构模型之间的信息传递和共享还不十分成熟.[4]张剑涛等[5]和刘照球等[67]开发IFC与PKPM结构模型的数据转换接口，初步实现两者的几何和材料等信息的转换，但缺乏载荷信息等的转换.也有学者尝试建立通用建筑结构模型转换平台，以IFC为通用数据转换标准，实现任意常用结构分析软件间的结构分析模型数据转换.这类研究尚处于起步阶段，目前仅实现SATWE，ETABS和SAP2000等软件与IFC标准的转换接口，所能实现的数据转换也仅限于几何和材料等信息.

因此，能否利用BIM的共享性，解决城市建筑震害预测的数据获取以及自动建模问题，具有重要的研究价值.

1建筑震害分析和数据需求

对于钢筋混凝土框架结构，通常采用纤维梁模型作为抗震弹塑性分析的精细化计算模型.不少软件都具备建筑抗震弹塑性分析能力，其中2类典型的软件是Marc和OpenSees.

由于城市建筑信息以单体建筑为基础，因此，本文利用C++编写模型转换程序，从一个单体钢筋混凝土建筑的数字化模型（IFC格式）中，提取建筑震害分析所需的信息，自动生成Marc和OpenSees软件模型，验证转换后的模型能否用于分析建筑结构在地震作用下的响应，分析流程见图1.

1.1Marc和OpenSees软件

Marc是一款功能齐全的高级非线性通用有限元软件.[8]用Marc进行建筑震害模拟可以得到较为理想的分析结果，且适用于大多数分析需求.

基于纤维模型原理，清华大学土木工程系陆新征等[9]利用Marc提供的二次开发接口，编写THUFIBER程序，使Marc能对钢筋混凝土结构进行纤维模型计算.THUFIBER将混凝土构件的截面分为36个混凝土纤维以及4个钢筋纤维（纤维划分方法也可以由用户自定义），各纤维的面积由截面尺寸和配筋决定.对每根纤维定义特定的本构关系，便可以进行不同精度的有限元分析.

OpenSees是能够进行结构抗震弹塑性分析的开源软件[10]，相比内部代码不透明的商用有限元软件，OpenSees的开源性使得研究者能全面掌握其运行机制，并能根据自身需求进行二次开发，因此，OpenSees是进行建筑震害研究的重要工具.在OpenSees中，混凝土梁柱也用纤维模型模拟.

选用上述2种软件进行震害分析，可以同时利用商业软件的健壮性和开源软件的透明性.

1.2建筑震害分析的数据需求

为从IFC文件中提取足够的信息，以自动生成Marc和OpenSees结构模型，需要全面了解这2种软件的建筑震害分析建模方法，并总结震害分析所需的数据信息.这些数据信息分为2类：一类与混凝土结构模型有关，如结构构件的位置、几何信息、材料信息和载荷等；另一类则与震害分析的方法和过程有关，如地震波的选取、载荷工况的增量步总数和每个增量步的时间步长等，这类数据随着分析方法和要求的变化而变化，并且在软件中可以很方便地实现这类参数的调整.因此，应该重点关注第一类数据需求，即与混凝土结构模型有关的数据.

通过考察这2种软件的建筑抗震分析模型，得到抗震分析的数据需求，见表1.

5结束语

从建筑震害分析的数据需求出发，逐一分析这些数据需求在IFC 4中的表达方法，建立完整的IFC 4结构分析子信息模型.利用该子信息模型，就能通过IFC 4标准描述建筑抗震弹塑性分析的钢筋混凝土结构模型.

根据建立的IFC 4结构分析子信息模型以及Marc和OpenSees的建模规则，编写模型转换程序，实现节点、构件、载荷、支座约束、材料和截面几何等所有抗震分析所必要的信息的正确转换，进行IFC文件到Marc和OpenSees之间的数据转换的新尝试.

在此基础上，还有很多研究内容可以继续开展.例如，扩展本文建立的IFC 4结构分析子信息模型，使之能描述楼板、剪力墙等其他结构构件；考虑城市建筑群信息的IFC表达方法等.

参考文献：

[1]韩博， 陆新征， 许镇， 等. 基于高性能GPU计算的城市建筑群震害模拟[J]. 自然灾害学报， 2012， 21（5）： 1622.

[2]卢啸， 陆新征， 张万开， 等. 特大地震下超高层建筑的倒塌模拟[J]. 中国科学： 技术科学， 2011， 41（11）： 14051416.

[3]XU Feng， CHEN Xuping， REN Aizhu， et al. Earthquake disaster simulation for an urban area， with GIS， CAD， FEA， and VR integration[J]. Tsinghua Sci & Technol， 2008， 13（S1）： 311316.

[4]Applied Technology Council. Project ATC75[EB/OL]. （20121112）[20130701]. https：//www.atcouncil.org/Projects/atc75project.html.

[5]张剑涛， 刁波， 唐春风， 等. IFC标准在PKPM结构软件中的实现[J]. 建筑科学， 2006， 22（4）： 103106.

[6]刘照球， 李云贵， 吕西林， 等. 建筑结构信息集成的程序实现[J]. 沈阳建筑大学学报： 自然科学版， 2009， 25（3）： 467473.

[7]刘照球， 李云贵， 吕西林， 等. 基于BIM 建筑结构设计模型集成框架应用开发[J]. 同济大学学报：自然科学版， 2010， 38（7）： 948953.

[8]蒋学武， 吴新跃， 朱石坚. 综合应用UG， HyperMesh和MSC Marc软件进行有限元分析[J]. 计算机辅助工程， 2007， 16（2）： 1114.

[9]陆新征， 叶列平， 缪志伟， 等. 建筑抗震弹塑性分析： 原理、模型与在Abaqus，MSC Marc和SAP2000上的实践[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2009： 143162.

[10]MCKENNA F. OpenSees： A framework for earthquake engineering simulation[J]. Comput Sci & Eng， 2011， 13（4）： 5866.

[11]Building SMART. Industry foundation classes IFC 4 official release[EB/OL]. （20130320）[20130701]. http：//www.buildingsmarttech.org/ifc/IFC 4/final/html/.

[12]张洋. 基于BIM的建筑工程信息集成与管理研究[D]. 北京： 清华大学， 2009.

[13]秦领， 刘西拉. 建筑物理模型与结构分析模型的数据映射研究[J]. 土木建筑工程信息技术， 2010， 2（2）： 2836.

[14]WAN Caiyun， CHEN P H， TIONG R L K. Assessment of IFCS for structural analysis domain[J]. Inform Technol Construction， 2004（9）： 7595.

[15]Data modelling using EXPRESSG for IFC development[EB/OL]. （20130310）[20130701].http：//www.stanford.edu/group/narratives/classes/0809/CEE215/ReferenceLibrary/Industry%20Foundation%20Classes%20（IFC）/IFC%20General/Data_Modelling_Using_EXPRESSG_for_IFC_Development.pdf.

[16]邹积麟. 空间RC框架结构全过程静力弹塑性分析[D]. 北京： 清华大学， 2001.（编辑武晓英）

1.1Marc和OpenSees软件

Marc是一款功能齐全的高级非线性通用有限元软件.[8]用Marc进行建筑震害模拟可以得到较为理想的分析结果，且适用于大多数分析需求.

基于纤维模型原理，清华大学土木工程系陆新征等[9]利用Marc提供的二次开发接口，编写THUFIBER程序，使Marc能对钢筋混凝土结构进行纤维模型计算.THUFIBER将混凝土构件的截面分为36个混凝土纤维以及4个钢筋纤维（纤维划分方法也可以由用户自定义），各纤维的面积由截面尺寸和配筋决定.对每根纤维定义特定的本构关系，便可以进行不同精度的有限元分析.

OpenSees是能够进行结构抗震弹塑性分析的开源软件[10]，相比内部代码不透明的商用有限元软件，OpenSees的开源性使得研究者能全面掌握其运行机制，并能根据自身需求进行二次开发，因此，OpenSees是进行建筑震害研究的重要工具.在OpenSees中，混凝土梁柱也用纤维模型模拟.

选用上述2种软件进行震害分析，可以同时利用商业软件的健壮性和开源软件的透明性.

1.2建筑震害分析的数据需求

为从IFC文件中提取足够的信息，以自动生成Marc和OpenSees结构模型，需要全面了解这2种软件的建筑震害分析建模方法，并总结震害分析所需的数据信息.这些数据信息分为2类：一类与混凝土结构模型有关，如结构构件的位置、几何信息、材料信息和载荷等；另一类则与震害分析的方法和过程有关，如地震波的选取、载荷工况的增量步总数和每个增量步的时间步长等，这类数据随着分析方法和要求的变化而变化，并且在软件中可以很方便地实现这类参数的调整.因此，应该重点关注第一类数据需求，即与混凝土结构模型有关的数据.

通过考察这2种软件的建筑抗震分析模型，得到抗震分析的数据需求，见表1.

5结束语

从建筑震害分析的数据需求出发，逐一分析这些数据需求在IFC 4中的表达方法，建立完整的IFC 4结构分析子信息模型.利用该子信息模型，就能通过IFC 4标准描述建筑抗震弹塑性分析的钢筋混凝土结构模型.

根据建立的IFC 4结构分析子信息模型以及Marc和OpenSees的建模规则，编写模型转换程序，实现节点、构件、载荷、支座约束、材料和截面几何等所有抗震分析所必要的信息的正确转换，进行IFC文件到Marc和OpenSees之间的数据转换的新尝试.

在此基础上，还有很多研究内容可以继续开展.例如，扩展本文建立的IFC 4结构分析子信息模型，使之能描述楼板、剪力墙等其他结构构件；考虑城市建筑群信息的IFC表达方法等.

参考文献：

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[8]蒋学武， 吴新跃， 朱石坚. 综合应用UG， HyperMesh和MSC Marc软件进行有限元分析[J]. 计算机辅助工程， 2007， 16（2）： 1114.

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[12]张洋. 基于BIM的建筑工程信息集成与管理研究[D]. 北京： 清华大学， 2009.

[13]秦领， 刘西拉. 建筑物理模型与结构分析模型的数据映射研究[J]. 土木建筑工程信息技术， 2010， 2（2）： 2836.

[14]WAN Caiyun， CHEN P H， TIONG R L K. Assessment of IFCS for structural analysis domain[J]. Inform Technol Construction， 2004（9）： 7595.

[15]Data modelling using EXPRESSG for IFC development[EB/OL]. （20130310）[20130701].http：//www.stanford.edu/group/narratives/classes/0809/CEE215/ReferenceLibrary/Industry%20Foundation%20Classes%20（IFC）/IFC%20General/Data_Modelling_Using_EXPRESSG_for_IFC_Development.pdf.

[16]邹积麟. 空间RC框架结构全过程静力弹塑性分析[D]. 北京： 清华大学， 2001.（编辑武晓英）

1.1Marc和OpenSees软件

Marc是一款功能齐全的高级非线性通用有限元软件.[8]用Marc进行建筑震害模拟可以得到较为理想的分析结果，且适用于大多数分析需求.

基于纤维模型原理，清华大学土木工程系陆新征等[9]利用Marc提供的二次开发接口，编写THUFIBER程序，使Marc能对钢筋混凝土结构进行纤维模型计算.THUFIBER将混凝土构件的截面分为36个混凝土纤维以及4个钢筋纤维（纤维划分方法也可以由用户自定义），各纤维的面积由截面尺寸和配筋决定.对每根纤维定义特定的本构关系，便可以进行不同精度的有限元分析.

OpenSees是能够进行结构抗震弹塑性分析的开源软件[10]，相比内部代码不透明的商用有限元软件，OpenSees的开源性使得研究者能全面掌握其运行机制，并能根据自身需求进行二次开发，因此，OpenSees是进行建筑震害研究的重要工具.在OpenSees中，混凝土梁柱也用纤维模型模拟.

选用上述2种软件进行震害分析，可以同时利用商业软件的健壮性和开源软件的透明性.

1.2建筑震害分析的数据需求

为从IFC文件中提取足够的信息，以自动生成Marc和OpenSees结构模型，需要全面了解这2种软件的建筑震害分析建模方法，并总结震害分析所需的数据信息.这些数据信息分为2类：一类与混凝土结构模型有关，如结构构件的位置、几何信息、材料信息和载荷等；另一类则与震害分析的方法和过程有关，如地震波的选取、载荷工况的增量步总数和每个增量步的时间步长等，这类数据随着分析方法和要求的变化而变化，并且在软件中可以很方便地实现这类参数的调整.因此，应该重点关注第一类数据需求，即与混凝土结构模型有关的数据.

通过考察这2种软件的建筑抗震分析模型，得到抗震分析的数据需求，见表1.

5结束语

从建筑震害分析的数据需求出发，逐一分析这些数据需求在IFC 4中的表达方法，建立完整的IFC 4结构分析子信息模型.利用该子信息模型，就能通过IFC 4标准描述建筑抗震弹塑性分析的钢筋混凝土结构模型.

根据建立的IFC 4结构分析子信息模型以及Marc和OpenSees的建模规则，编写模型转换程序，实现节点、构件、载荷、支座约束、材料和截面几何等所有抗震分析所必要的信息的正确转换，进行IFC文件到Marc和OpenSees之间的数据转换的新尝试.

在此基础上，还有很多研究内容可以继续开展.例如，扩展本文建立的IFC 4结构分析子信息模型，使之能描述楼板、剪力墙等其他结构构件；考虑城市建筑群信息的IFC表达方法等.

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[8]蒋学武， 吴新跃， 朱石坚. 综合应用UG， HyperMesh和MSC Marc软件进行有限元分析[J]. 计算机辅助工程， 2007， 16（2）： 1114.

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[10]MCKENNA F. OpenSees： A framework for earthquake engineering simulation[J]. Comput Sci & Eng， 2011， 13（4）： 5866.

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[12]张洋. 基于BIM的建筑工程信息集成与管理研究[D]. 北京： 清华大学， 2009.

[13]秦领， 刘西拉. 建筑物理模型与结构分析模型的数据映射研究[J]. 土木建筑工程信息技术， 2010， 2（2）： 2836.

[14]WAN Caiyun， CHEN P H， TIONG R L K. Assessment of IFCS for structural analysis domain[J]. Inform Technol Construction， 2004（9）： 7595.

[15]Data modelling using EXPRESSG for IFC development[EB/OL]. （20130310）[20130701].http：//www.stanford.edu/group/narratives/classes/0809/CEE215/ReferenceLibrary/Industry%20Foundation%20Classes%20（IFC）/IFC%20General/Data_Modelling_Using_EXPRESSG_for_IFC_Development.pdf.

[16]邹积麟. 空间RC框架结构全过程静力弹塑性分析[D]. 北京： 清华大学， 2001.（编辑武晓英）