BIM技术在化工建设项目中的施工信息分类系统搭建_曹小菊.pdf

工程技术优化2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.038Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2022-11-24;修回日期:2023-02-08作者简介:曹小菊(1991-)，女，硕士，讲师，主要从事建筑材料、项目管理等研究;E-mail:cxj201126 com。基金项目:陕西省教育厅专项科研项目(项目编号:21JK0816);西安欧亚学院校级科研基金项目(项目编号:2021XJZK09)。引文格式:曹小菊，王群，崔莉萍 BIM 技术在化工建设项目中的施工信息分类系统搭建 J 粘接，2023，50(2):162-166BIM 技术在化工建设项目中的施工信息分类系统搭建曹小菊，王群，崔莉萍(西安欧亚学院，陕西 西安710065)摘要:将 BIM 模型应用在有限元软件中进行计算，可充分分析化工厂建筑结构受力情况;但目前有限元软件中无法有效区别化工厂建筑复合材料混凝土中的有机材料(水泥、减水剂等)与钢筋。为进一步提高钢筋与复合材料混凝土在有限元软件中的识别，通过在 BIM 技术和有限元仿真技术的支持下，构建化工建筑结构仿真系统，并结合建筑结构、应力荷载等实际情况对化工建筑结构仿真系统进行了分析。还对传统的结构分析算法进行改进，设计实验来评价此方法的效果，并以仿真的形式对数据进行分析，比较测试结果的有效性。研究结果可知，通过建立化工建筑结构仿真系统，可有效识别复合材料混凝土与钢筋。关键词:BIM;化工厂建筑;钢筋;混凝土;系统搭建中图分类号:TQ050 8;TP39文献标志码:A文章编号:1001-5922(2023)02-0162-05Establishment of construction information classification systemin chemical construction project with BIM technologyCAO Xiaoju，WANG Qun，CUI Liping(Xi an Eurasia University，Xian 710065，Shaanxi China)Abstract:Applying BIM model in finite element software can fully analyze the stress distribution of chemical plantbuilding structure However，at present，the finite element software cannot effectively distinguish the organic materi-als(cement，water reducing agent，etc)and reinforcing bars in the composite concrete of chemical plant build-ings In order to further improve the recognition of reinforced steel and composite concrete in the finite element soft-ware，the simulation system of chemical building structure is constructed with the support of BIM technology and fi-nite element simulation technology，and the simulation system of chemical building structure is analyzed by combi-ning the actual situation of building structure，stress load and so on In addition，the traditional structural analysisalgorithm is improved，experiments are designed to evaluate the effectiveness of the proposed method，and the dataare analyzed in the form of simulation to compare the effectiveness of the test results The results show that the sim-ulation system of chemical building structure can effectively identify the composite concrete and reinforcementKey words:BIM;chemical plant construction;steel bar;concrete;system building261工程技术优化随着我国工业不断升级，化学工业品需求量不断增大，化工厂的数量也在呈指数变化。而化工厂建筑结构，决定着化工厂能否安全运行。化工厂通常存放大量化工制品，如氢氧化钠、硫酸盐、盐酸等无机物，以及酒精、苯乙烯等有机物，若发生建筑结构倒塌，会严重导致上述化工材料发生泄露，严重影响当地环境，并存在极大安全隐患。近年来，针对化工厂建筑得到越来越多的重视1。同时，为了更好地实现建筑师的设计理念，展现更完美的设计形式，很多化工建筑需要从传统的钢筋混凝土模型中寻求突破2。随着有机材料的快速革新，如碳纤维、高效减水剂、水玻璃等有机材料在混凝土中的掺入、高强度及耐久性强的混凝土不断应用在实际工程中，实现了许多新的空间体系，如空间弦梁结构3、开合空间结构4、索拱顶结构5 等体系。且随着计算机水平不断提高，BIM 技术逐渐应用于化工厂建筑工程施工，可以在其软件中对钢筋、混凝土、楼板进行绘制，通过三维渲染等功能将建筑以 3D 形式展现。同时也可以将 BIM 模型导入到有限元软件中对其结构进行计算。但目前针对有限元软件中，其软件无法有效识别 BIM 模型，尤其是对钢筋与复合材料混凝土无法有效识别，极易造成建模后工程量计算不正确，不仅导致施工成本增加，进一步增加施工风险;同时也会为未来化工厂生产运行带来一定风险，且由于有限元软件对复合材料混凝土中的有机材料(水泥、减水剂等)无法有效识别，进一步导致施工中出现施工材料浪费等现象发生。因此，本文基于 BIM 模型，在 VFEAP 有限元软件基础上，借助 LS DYNA 程序对化工厂建筑施工中钢筋与混凝土进行识别，进一步提高 BIM 建模的准确性。1模型元素类型的选择LS DYNA 软件的单元库包括:实体单元、壳体单元、梁单元;杆单元，惯性单元，质量单元，弹性单元6-7。所有的单元都采用了较低质量的单元，并采用了直线位移内插的方法，其预设的计算方法是简单的积分运算。经过大量的计算与分析，证明了这种基于线性位移内插和单点积分的显式动力学单元能够有效地解决各类大形变及非线性问题。对于化工厂建筑结构，采用三维实体单元 SOL ID164(BIM 模型);图 1 为化工厂硫酸盐、盐酸等材料存储库房，其基本特征:薄壳单元被选取为模拟地面的 SHELL163，具体如图 2 所示。SHELL163 主要特点:(1)它是一种具有 4 个结点的空间薄壳单元。在各结点上，应考虑各结点的位移与转动;图 1SOLID164 单元Fig 1SOLID164 unit图 2SHELL163Fig 2SHELL163(2)默认算法采用 Belytschko-Tsay 单点积分的壳元算法;(3)针对不同的壳单元计算方法，可以根据不同的计算方法来选取沿着厚度的积分点数;(4)外壳的厚度是用一个真实的参数来确定的，它不可能是 0;(5)SHELL163 元素的面积不能为 08。退化元素可以通过同一个节点出现 2 次来定义;(6)SHELL163 元素支持大多数材料模型算法。2三维实体单元的基本显式算法以 8 个 结 点 的 立 体 实 体 为 实 例，给 出 了LS DYNA的显式积分方法。LS DYNA 的主要算法采用拉格朗日增量法来跟踪粒子的运动轨迹。对于空间(1，2，3)初始矩的粒子，轨迹方程9:xi=xi(，t)(1)式中:为材料点的初始位置;(1、2、3)运动的初始条件:xi(，0)=ixi(，0)=vi()(2)此外，弹性动力空间问题的运动微分方程:3j=1ijxj+fi=pui(3)上式满足以下边界条件:361工程技术优化(1)位移边界条件:ui=ui(4)(2)应力边界条件:3j=1ijnj=Ti(5)(3)滑动接触面位移不连续处的跳跃条件:3j=1+ij()ijnj=0(6)(4)当 x+j=xi时，在内接触的边界上，有一种积分形式的微分运动方程(最小势能原则):=V3i=1(pxi fi)uidV+V3i=13j=1ijijdV b23i=1Tiuids=0(7)式中:u是满足位移边界条件的虚拟位移场;是与u对应的虚拟应变场。若整体是一个有限的分立单元，可以将其整体势能的改变用各个单位的位能总和来表达，由此得出动态问题的一个基本方程式。例如，一个 8 个结点的三维实体元，可以用以下几种方法来表达。在各单位中，利用节点座标进行插补，可以获得任意点的坐标10，即:xi，()t=8j=1j，()xjt(t)(8)式中:、为单位坐标，具体如图 3 所示。图 38 节点实体等参数单元原理图Fig 3Schematic diagram of 8-node entityand other parameter units式(8)中，插值函数(形状函数)为:j，()=18(1+j)(1+j)(1+j)(9)式中:(j、j、j)是元素的第 j 个节点的坐标，上述公式可以用矩阵形式表示:X(，t)=NXe(10)式中:X(、t)是单元中任意一个点的位置坐标(包括 3 个分量);Xe为 t 时刻单位各节点的位置坐标数组;X(、t)=NXe是插值函数矩阵，可以写成以下形式:N(，)=N1，N8(11)式中:第 j 个子块为 Nj=jI3 3。当整个结构是一系列离散元素时，可以由虚拟位移原理得到:=em=eXeTvepNTNdVXe+veBTdV veNTfdV bNTTd S=0(12)其中，柯西应力向量为:=x，y，z，xy，yz，zxT(13)应变矩阵为:B=LN(14)L 为微分算子矩阵，其具体元素为11:LT=x000y000zyx00zyz0 x(15)在 LS DYNA 程序中，由于均匀单位质量矩阵中 me=vepNTNdV 被合并到在对角线单元内，一个中心的质量矩阵会被合并进整个的对角质量矩 M，上面所描述的方程可以被改写为:MX=P(t)F(16)上述的计算式是一个离散的运动方程式，M 是一个完整的质点;F 是一个单元的应力散度矢量，可由以下公式得到:F=eveBTdV(17)P 为由集中的节点力、表面力、物理力等形成的整体节点载荷矢量，计算公式:P=eveNTfdV+bNTTd()S(18)考虑阻尼影响的 LS DYNA 三维离散结构运动方程为:Mx=P F+H CX(19)时间积分采用显式中心差分原则，格式如下:X=M1P(tn)F(tn)+H(tn)CX(tn 1/2)X(tn+1/2)=X(tn 1/2)+X(tn)(tn 1+tn)2X(tn+1/2)=X(tn)+X(tn+1/2)tn(20)其中 t(n 1)/2=(tn+tn 1)/2，t(n+1)/2=(tn+tn 1)/2 在 tn+时刻的节点速度矢量为二分之一。LS DYNA3D 中，为确保其收敛性，使用了一种可变步积分法。所采用的积分步一定要比一定的阈值低，不然会导致计算结果不稳定。栅格中的最小单位将确定选取的时间步:t=min te1，t