基于BIM技术的索膜结构找形分析

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1索膜结构找形 索膜结构是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。它通过施加预应力,使结构具有一定的刚度以承受各种荷载作用。本人在“基于BIM技术的预应力空间结构全过程施工控制"一文中所述的盘锦体育场便是典型的大跨度柔性索膜结构,见下图1。 图1盘锦体育场实景图

1索膜结构找形

索膜结构是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。它通过施加预应力,使结构具有一定的刚度以承受各种荷载作用。本人在“基于BIM技术的预应力空间结构全过程施工控制"一文中所述的盘锦体育场便是典型的大跨度柔性索膜结构,见下图1。

图1盘锦体育场实景图

在索膜结构设计中,找形分析是最至关重要的一个步骤,其目的是确定结构的初始几何形状及应力分布状态。通过找形要满足“功能, 美学, 结构”三大要求。对找形而言,功能和美学的要求可具体化为形状符合建筑外观要求,而结构要求则可细分为三方面,一是强度方面――避免出现应力集中;二是刚度方面――避免出现较大的变形; 三是稳定方面:静力稳定――避免在雨或雪的作用下出现失稳,动力稳定――避免出现气弹失稳。


2 基于BIM的索膜结构找形流程进行参数化辅助BIM建模的具体过程如下(流程图见图2):
1)基于大型有限元软件ANSYS编制APDL语言,初步建立索膜结构雏形,导出找形后的节点坐标及单元节点号;
2)编制数据接口程序,经过处理后的数据插入RhinoScript脚本中,在Rhino中直接生成参数化三维模型;
3)然后导出到BIM软件中进行结构深化设计;
4)将深化设计后的模型再次通过数据接口导入到Ansys中进行索膜结构荷载态下的二次找形设计分析;
5)将ANSYS分析结果导出到BIM软件中建模,进行节点深化设计分析等。

图2 技术方案流程图

3 找形分析结果
将找完形的Rhino模型导入Revit进行BIM模型搭建。在Revit中进行深化设计的节点可以以.SAT格式导出到ANSYS里面进行二次分析,再通过RhinoScript脚本进行参数化建模,最后导入Revit出节点详图。进行参数化建模的BIM模型如下图3-图5所示。

图3 Rhino中直接生成参数化三维模型
图4 索膜结构BIM模型
图5 索节点BIM模型
导入到ANSYS进行有限元分析及找形结果见下图6-图9所示。
图6索膜结构ANSYS有限元模型
图7索网结构应力图
图8膜结构应力图
图9膜结构位移图

4结语
在索膜结构的找形设计中,形状和预应力决定刚度,形状确定之后,荷载态的分析主要是校核在各种荷载组合下膜面的应力是否超过设计应力,是否有褶皱出现,变形是否在许可范围内等等。如不满足,还要通过修改边界条件及预应力的方法来修正形状。 作为结构设计的难点之一,利用BIM技术可以实现索膜结构设计的高度参数化和精确性。以盘锦体育场索膜结构为例,盘锦体育场属于超大跨度空间张拉索膜结构工程,见下图。通过参数化辅助设计,具备高度的参数化特性,再结合BIM技术的直观、动态和信息化特性,可以大大提高设计效率,节约时间。
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