利用BIM创建混凝土结构分析设计模型的方法有哪些?

2021年4月14日
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目前,桥梁结构的数字模型往往是简单地按需创建,主要用于可视化,而没有规划阶段的内容,如数据调查和结构分析。有时,模型只单独在设计阶段使用,或是施工阶段使用。只有在业主的强烈要求下,才会有一个完整的模型贯穿项目始终。

利用BIM创建混凝土结构分析设计模型的方法有哪些?

在设计过程中,工程师们不愿意使用BIM的一个主要原因是,BIM软件很少支持全部建模需求,通常只支持过程中的某些特定建模任务,甚至有时还需要将数据传输到BIM环境之外的专业工具上。但是,在不同的外部工具上来回处理重复的数据转换是繁琐且容易出错的。另一个问题是责任划分不清。在整个设计和施工阶段,没有清楚地规定模型应该如何使用、由谁使用和维护。因此,如果我们想通过BIM达到从本质上改善桥梁设计行业的目标,将几何建模集成到BIM过程中使用,并提供多种智能规划功能,包括结构分析、设计和检查,形成一套完整的、一体化的流程和程序是必不可少的。

利用BIM创建混凝土结构分析设计模型的方法有哪些?

结构建模的基础

参数化描述模型

创建一体化程序的关键是严格的参数化描述结构模型。也就是说,模型中需要包含规划方案,而不是简单的几何形状坐标值。这种智能的数据结构可以轻松地进行数据合并及修改,也可以直接用于许多不同的应用程序中,如可视化、数据采集、结构分析、强度和适用性评估等程序。

参数化描述模型的优点是可以将一个项目的工程参数,通过简单的修改和调整就能应用到另一个类似的项目上。同时,可以将数据传输到通用的BIM平台上,快速而准确地重新计算详细的桥梁几何图形。

同一条路线上的多个桥梁和现有结构可以存放在一个完整的模型中,检查结构之间的冲突和碰撞。此外,模型中不仅包含三维几何数据,还包含详细的施工进度计划等时间参数。数据库中包含的相关分析参数,还可以为结构分析自动创建适当的数学模型。

分层的参数结构允许当上一级数值被修改时,下一级数值也会自动调整。因此,在初步设计阶段研究备选设计方案时,可以满足详细设计的需求。从局部的构件到施工管理,数字模型将所有与桥梁相关的信息联系在一起。

 

描述几何图形的相关对象

对于桥梁结构的几何部分,建模时使用轴线和截面作为数据库中的基本物理参数。除此之外,对于一些特殊的结构变化,可以将其几何形状定义为表格或数学函数,并分配不同的截面尺寸。例如变截面的箱梁采取顶对齐的方式建模,纵坐标值描述其相对的位置。这种对齐的方式是用桥梁轴线作为基准线来描述的。在平面上定义桥梁轴线的参数,有直线段的起点、长度和方向,以及曲线段的半径、曲率参数等。在剖面图中,轴线由纵坡、坡度变化的过渡半径和超高值来描述。截面的几何形状由局部坐标系中的边界线来描述。

整个上部结构的几何形状是简单地根据桥梁线形,通过沿桥梁轴线布置横截面来定义的。桥梁上部结构的各个部分是在所有的横截面沿着它们各自的路线定位时生成的。

类似的,桥台、桥墩和支座等子结构元素也用轴线和截面来定义。对齐方式由不同对象的竖轴来确定。这些轴与上部结构中对应的点来连接。因此,当上部结构中截面上的点位置被修改后,桥墩轴线的位置也会自动对中。

 

施工进度的规划

除几何描述外,时间参数作为第4个维度在模型中通过精确地指定施工过程来考虑。施工过程中连续的子步骤,例如混凝土浇筑、硬化、钢筋受力、自重激活等,被称为“任务”,并按“施工阶段”分组。

每个任务都有一个开始日期和持续时间值,以便随时跟踪施工过程,并在需要时重新检查时间参数。此外,这种定义方式也能够在结构分析时,对每一个构件进行精确的分析。

 

智能的预应力筋建模方式

预应力钢筋和导管在模型的数据库中被定义为附加的物理对象。几何布局与上部结构的横截面定义有关。一般来说,它是空间中的任意Hermite(埃尔米特)样条曲线,由一组约束点来定义。但是,仅通过空间坐标值来定义约束点是不可行的。因此,需要指定它们相对于截面参考点的距离来定义约束点的位置,而这些参考点可以是截面的边界点,也可以是额外命名的附加截面点。

 

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在用户自定义坐标系下定义截面中的预应力钢筋约束点

 

我们可以通过计算,精确地定位这些约束点,画出它们的三维几何形状。通常在预应力筋的起终点会放置锚具。锚具有一定的长度,但在几何计算时需要考虑锚具中的预应力筋形状,按直线段计算,以便得到一个没有扭转的钢筋几何形状。锚具的详细参数是作为模板提供给用户使用的,可以根据不同的预应力筋布置情况自动调用,方便后续的碰撞检测。

定义预应力筋的几何形状的难点在于:在普通的箱梁设计中,预应力筋的数量较多,操作过程比较繁琐。通常在预应力筋的中段平行布置,首末端呈扇形展开。因此,采用智能化的预应力筋几何定义功能,可以大大简化这一繁复的操作。

为了在整个预应力筋的长度上获得一个较为均匀的应力分布状态,通常的做法是控制张拉应力,分批进行预应力筋的张拉。同时,也要考虑后张法预应力筋张拉时的应力损失。根据损失发生的时间可分为瞬间损失和长期损失。瞬间损失包括孔道摩擦损失、锚固损失、弹性压缩损失等;长期损失包括预应力筋应力松弛损失和混凝土收缩徐变损失等。

 

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考虑瞬时损失的应力分布

 

根据前述的时间参数模型,施工阶段中也需要同时考虑预应力筋在张拉过程中的应力变化。通常是在混凝土达到设计强度后,且混凝土龄期不小于7天时,进行预应力筋的张拉。在预应力分析过程中,将这一过程按照顺序依次进行定义。

总之,在3D模型中完成预应力筋张拉过程的创建和优化。除了可以显示预应力分布外,还可以直接计算和存储预应力状态,用于下一步的结构分析。然而,详细的应力过程描述也可以作为施工现场控制所需的参考资料。

 

自动创建结构的力学模型

参数化的三维模型为BIM过程中的可视化和数据管理提供了一个详细的几何模型。例如,上部结构、桥墩或桥台等单个构件的几何形状,可以是任意形状的,三维模型给出了其精确的尺寸,甚至包括许多与结构受力无关的荷载。但是,进行结构分析还需要许多额外的数据,而这些数据与可视化、数据管理无关,例如所用材料的刚度和强度参数以及边界条件。

而且,任意三维物体的详细几何数据不适合进行结构分析,必须进行简化,以便按照现行的设计规范进行分析。按理说,考虑到静定结构和分析结果的准确性,这个任务应由结构工程师来完成。也就是说,工作是在两个独立的轨道上完成的。一方面是在BIM软件上的几何建模和设计,一方面是在详细设计阶段创建结构受力模型。

为了避免这种重复的建模,Allplan Bridge可以从参数化描述的桥梁模型自动创建出对应的结构模型。一般来说,如果主梁的截面足够精细,应用伯努利梁理论,结构模型将变成一个杆系模型,上部结构被创建为一系列拥有不同截面的梁单元。然而,桥面板或多片T梁将被创建为由若干纵梁和虚拟横梁单元组成的梁格。当然,用户也可以修改自动创建的结构模型,例如在单元划分和不同单元连接细节等方面。桥梁模型和结构模型是可以相互关联的,即任何几何形状上的修改都会反应在结构模型中,反之亦然。

在结构分析时,根据模型中的单元数量、边界条件、附加荷载、施工阶段等,自动完成结构的静力计算。所有的计算过程都可以在模型窗口中看到,用户可以在分析的任何时候修改参数,改变生成的结果。自重荷载、预应力荷载、时变效应等都会根据程序中已经设定好的规律自动计算。施工阶段分析中,在特定的施工时间点施加的恒荷载都被单独存储其结果,线性叠加后给出所有荷载的总和结果,包括内力和位移,可以直接用于后续的正常使用极限状态设计中。

 

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某一施工阶段下的弯矩(自重)分布

 

设计状态与评估

预应力混凝土桥梁的设计特点是有许多施工和使用阶段,在这些阶段中必须对结构进行分析和校核。施工和使用阶段中,混凝土的时变效应会导致截面及结构的应力重分布。在可变荷载作用下,为了确定挠度、疲劳及结构使用时的极限抗力,我们需要确定截面的初始应力状态。

 

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初始应力和可变荷载

 

在设计过程中必须考虑所有永久荷载、预应力荷载,以及时变效应在单个截面构件中的初始应力,并基于承载能力极限状态(ULS)和正常使用极限状态(SLS)的假设,叠加可变荷载的作用。同时,必须建立一个新的截面模型,考虑现有的钢筋、截面,以及混凝土的龄期。

初始应力状态定义了每个截面纤维的作用应力水平。与解析法相反,对截面上的每一根纤维使用不同的应变和应力“起始”值。

抗弯承载力计算的第一步是验证长期荷载作用下应力/应变值的客观性。在实际应用中,时变效应分析的子步骤按照线弹性理论计算。即使在合理的预应力结构设计中也不应形成裂缝,不应出现由于长期荷载作用而产生塑性区,然而这些情况也应在计算中考虑。

初始状态法可以应用于ULS和SLS设计状态下的预应力混凝土超静定结构和复合混凝土结构。利用解析法来计算截面的初始应力问题,对于超静定结构来说只能作为近似解。此外,对于复合结构,简化方法的应用根本不能确保结构的安全性。由于应力和应变在截面中的非线性分布,压缩破坏可能发生在截面的内部纤维中。

欧洲规范中的剪力设计基于可变的桁架模型。关于抗剪强度和受弯构件的力矩之间的关系,以及在计算受剪的纵向钢筋的拉力时,需对欧洲规范规定的某些参数进行修改或解释。

截面的抗扭承载力可根据等效的薄壁闭口截面进行计算。纵筋和抗剪箍筋中的应力在主拉应力方向上形成拉力的分量。整个结构的平衡由主压应力方向的混凝土杆件来承担。混凝土中的应力、剪力和纵向钢筋的合力,形成了一个力的三角形。

在SLS设计验算中,由于初始应力状态对结果的影响显著,使用初始状态法比使用ULS验算更为必要。根据欧洲规范的评估,在控制截面的设计时可以采用初始状态法。尽管这只是结构在其服役寿命中所承受的附加荷载,但这种验算也非常重要,不应被忽视,也不应被结构的承载能力极限状态验算所取代。

在桥梁工程中应用BIM技术,其效果常常受到软件功能的限制,无法满足所有的设计需求,也没有达到在整个设计过程中无缝地使用数据的目标,造成为了满足外部平台和软件工具的要求而进行多次的数据输入和转换。这严重影响到了结构的分析和强度设计。然而,这需要基于几何形状的特殊结构模型,还需要额外的数据来描述材料的强度、施工的过程和结构服役时的外部影响。因此,需要为桥梁工程量身定制一种新的BIM解决方案,弥补这一不足。并且,能够在4D BIM模型的环境中直接进行设计和计算。

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