摘    要：为了提升建筑整体稳定性，提升建筑物结构的安全性，本文引入BIM技术，设计广厦结构建筑整体稳定性分析系统。设计建筑稳定性分析系统的网络结构，利用应用层、接口层、模型层、平台层以及存储层组建逻辑模块；应用OPC数据协议实现数据访问，基于剪切型与弯剪型广厦结构失稳因素，设计建筑稳定性检验算法；采用重力效应分析策略实现分析系统设计。通过对广厦结构建筑进行模拟分析，验证所设计系统性能。结果表明，设计的系统能够对广厦结构建筑整体稳定性进行分析，同时具有较高的稳定性分析效率。

关键词: BIM: 广厦结构建筑:整体稳定性:稳定性检验，

Design of Overall Stability Analysis System for GSCAD Building Using BIM

WANG Hong-yan ZHANG Zi-hong

School of civil engineering, Xi'an Traffic Enginering Institute

Abstract：In order to improve the overall stability of the building and the safety of the building structure, this paper introduces BIM technology to design the overall stability analysis system of the GSCAD, designs the network structure of the building stability analysis system, uses the application layer, interface layer, model layer, platform layer and storage layer to form logical modules; uses OPC data protocol to achieve data access, based on shear type and bending shear type building structure instability factors, designs the building stability inspection algorithm; it adopts the gravity effect analysis strategy to realize the analysis system design.The performance of the designed system is verified through the simulation analysis of the GSCAD building. The results show that the designed system can analyze the overall stability of the GSCAD building, and at the same time has a high efficiency of stability analysis.

Keyword：BIM; GSCAD building; overall stability; stability inspection;

1 引言

经济快速发展与城市飞快建设等因素都在不断扩大建筑结构规模，使建筑行业日益演变成国民经济的重要支柱产业，随着建筑结构更加多元化与复杂化，结构安全问题也日渐突显，建筑稳定性既是决定建筑安全的重要因素之一，也对建筑业的可持续发展与国家社会的稳定存在着较大影响力[1]。影响建筑稳定性的因素很多，各因素均在不同程度上干扰建筑整体稳定性，破坏建筑安全，例如：建筑物荷载物体质量、岩土种类以及空间分布形式等，还有地下水分布情况与潜在地质灾害情况等，都属于建筑稳定性的主要因素。岩土变形、压缩、膨胀或隆起，地下水位下沉、地下洞室凿挖、建筑物附近施工，因这些因素会直接引起地基倒塌，都在很大程度上影响着建筑稳定性，若发生地质灾害，将加重失稳与坍塌程度，加快失稳与坍塌速度，故应提前获取建筑稳定度，预防地质灾害、施工影响，做到及时止损，更好地保障建筑安全。

李少成等人[2]提出的质量分布不均匀的高层建筑整体稳定性分析中，以高层建筑结构设计中的刚重比作为指标，构建与质量分布沿高度较为均匀结构相适宜的刚重比计算公式，挖掘重力二阶效应增幅、刚重比以及临界屈曲荷载因子之间的关联性，基于实际建筑工程的竖向荷载变化与分布，修正刚重比，分析结构的重力效应增幅与整体屈曲，判定结构整体稳定度；安东亚[3]对复杂连体高层结构整体稳定展开研究，根据JGJ3-2010结构技术规程中的高层结构整体稳定判定条件与刚重比限值，发现复杂连体高层结构问题，依据欧拉临界失稳原理，确定塔式刚性连体高层结构的刚重比限值与影响因素，针对连接关系较为复杂的异形连体结构，需采用二阶效应非线性稳定分析，结合空间结构稳定判定策略，利用静力稳定分析、特征值屈曲分析以及极限稳定破坏分析等，评估结构整体稳定性。

BIM技术作为建筑行业领域的创新纪元，使建筑业经历了一场思想上与信息化的变革，将思维模式直接从二维转变为三维模式，该项技术随着发展与普及，形成了一种自身属性。由于文献方法缺少信息化的分析方式，无法满足当前建筑领域需求，因此，本文以广厦结构建筑为研究目标，设计一种应用BIM的建筑整体稳定性分析系统。采用多种网络模式，满足不同层面需求；采用OPC数据协议形式来访问数据，提升系统安全性与数据隐私性；通过配置一系列OPC对象，实现实时数据、历史数据与数据变化等信息的实时访问。

2 建筑稳定性分析系统构建

2.1 系统整体结构

2.1.1 网络结构

网络结构的组成模式分别是C/S、B/S、M/S。C/S模式具有较强的信息承载能力、丰富的界面与较好的可视化效果；B/S模式适应范围强，升级维护容易，系统功能可通过浏览器实现；M/S模式有效去除“信息孤岛”与“信息荒岛”之间的连接，提升建筑现场与数据中心的信息交互程度。实际运用时，可根据不同层面需求，采用不同模式，C/S模式主要是BIM数据的可视化与综合管理，B/S模式侧重于业务流程管理与信息集成，建筑现场移动应用与管理人员查询管控则利用M/S模式。网络框架结构如下图1所示。

2.1.2 逻辑结构

基于构建的网络结构来设计逻辑结构模块(如图2所示)，主要组成部分描述如下：

(1)应用层：采集与集成安全分析、项目管理、现场采集以及安全服务的具体应用方面，还有结构化与非结构化的工程信息；

(2)接口层：双向转换信息与模型层之间的进度信息、现场监测数据、模型信息、安全分析关系、理论计算结果等，设计BIM数据接口与交换引擎[4];

(3)模型层：对接口层转换后的信息做集成处理，按照不同模块架构广厦结构的建筑稳定性信息模型，为平台层的存储、显示、分析、管理等操作提供技术支持，平台层提取信息后，由该层发送至应用方，实现具体应用的服务；

(4)平台层：基于模型层一系列理论与技术支持，得到集成环境与应用模块，可扩展C/S、B/S、M/S等不同终端，形成较为完善的BIM建筑结构整体稳定性分析系统；

(5)存储层：通过私有云BIM[5]数据存储，将统一的数据源提供给各平台与各终端。

2.2 分析系统数据访问

在应用层中访问数据的形式分为开放数据库与数据协议两种方式，前者通过公开数据库简便系统查询与访问流程；后者通过协议在系统中访问数据。

为确保系统的安全性与数据隐私性，采用OPC数据协议形式来访问数据，经定义标准软件接口，在管理层间进行数据传递，通过客户端/服务器完成OPC协议创建，该协议规定了服务端与客户端间的数据访问接口，因此，客户端需通过接口才能访问服务端数据。OPC协议结构如图3所示。

OPC协议的应用流程如图4所示，具体内容描述如下：

(1)在监测模块里架构与OPC协议相符的OPC服务器对象；

(2)采用OPC协议公开法，访问服务器对象所含数据与相关操作。

服务器对象、组对象以及标签对象为OPC协议含有的主要数据访问对象，其中，服务器对象表示任意子系统，涵盖一个组对象集合，集合内含有多个组对象；以任意操作为目的执行数据访问的多个OPC标签集合即为组对象，一个组含有一个项集合，一个项集合里由多个标签对象组成；OPC服务器中任意状态点的数据就叫做标签对象，其中含有多种属性，比如数据值、数据点质量标识以及更新时间等。基于BIM技术在系统中配置一系列OPC对象，就能够实现实时数据、历史数据与数据变化等信息的访问。

2.3 稳定性检验算法

2.3.1 剪切型广厦结构建筑稳定性

该类型结构失稳属于建筑整体失稳情况，由双曲率弯曲导致纯框架梁和柱发生的层间侧向位移[6]，使建筑整体都显现出屈曲，在忽略柱子轴向变形影响的前提下，基于近似计算的临界荷重表达式如下所示：

上式里，第i层的临界荷重为，该层的层高与抗侧刚度[7]分别是hi、Di，其中，抗侧刚度Di表示第i层剪力与层间位移的比值。

结合重力二阶效应[8]，采用下列公式近似描述剪切型广厦结构的侧移表达式：

上式里，基于P-△效应的结构层层间位移为，表示排除P-△效应的第i层结构层间位移，Gj表示该层与以上各层的所有荷重相加。

若除去结构弹性刚度折减因素，则当重力P-△效应的位移不超过10%时，建筑结构稳定性才属于安全范围，如果降低刚重比，重力P-△效应则会以非线性趋势提升，导致整体失稳，因此，剪切型广厦结构建筑整体稳定性需符合下列不等式：

将上列两式代入整理后，可得到下列不等式：

与式(1)合并，得出下列表达式：

其中，i表示结构层数，取值范围是i=1,2,…,n。

由上式可知，已知结构布置与荷重，即可解得各楼层的刚重比值，且该比值随着结构布置与楼层荷重沿竖向分布变化而改变，能够有效检验剪切型广厦结构建筑整体稳定性。

2.3.2 弯剪型广厦结构建筑稳定性

此类型结构的建筑稳定性主要从框架-剪力墙结构、剪力墙结构以及简体结构三种情况切入研究。

采用下列欧拉公式[9]计算弯曲型悬臂杆临界荷重：

上式里，作用于悬臂杆顶部的竖向临界荷重为Per，悬臂杆的弯曲刚度是EJ，高度是H。

用竖向均匀分布的荷重代替竖向临界荷重，使计算更加简便，表达式如下所示：

将上列两式结合，得到如下表达式：

对于近似计算，通过等效抗侧刚度EJd替换悬臂杆弯曲刚度EJ，用下列表达式描述弯曲型与弯剪型悬臂杆：

基于P-△效应，构建下列结构侧移的近似表达式：

上式里，关于重力P-△效应的结构侧移为△*，而与重力P-△效应不相关的结构侧移则为△。

同理，此类结构的P-△效应楼层位移也不应超出10%，也就是说，弯剪型广厦结构建筑整体稳定性需符合下列不等式：

在式(10)中分别代入上式与式(9)，整理得到下列不等式：

结构顶点在倒三角形分布荷载的作用下，具有相同位移，依据此近似原则，换算结构弹性等效侧向刚度EJd，表达式如下所示：

上式里，倒三角形分布荷载极大值为q，结构顶点质心弹性水平位移为μ。

2.3.3 重力P-△效应分析策略

排除P-△效应影响，利用有限元[10]位移法分析结构线弹性，得到下式所示的结构平衡表达式：

上式里，结构初始线弹性刚度矩阵、水平荷载矢量以及水平荷载矢量作用下的结构位移矢量分别是[K]、{F}以及{μ}。

只与P-△效应相关的结构分析阶段内，结构平衡表达式如下所示：

上式里，表示结构侧移变形造成的刚度矩阵变化量，表示P-△效应下的结构位移矢量。

在系统的分析计算软件中，用倒三角形分布换算出的结构顶部水平荷载极大值q表示基底地震剪力，解得结构等效侧向刚度。

3 系统模拟分析

选取某市一栋集办公、休闲、娱乐于一体的广厦结构建筑，建设面积为8232平方米，主体工程属于现浇钢筋混凝土结构，图5所示为该建筑平面图。

利用ANSYS与Revit的通用sat文件，将该建筑的物理数据导入分析系统，分别按照60MPa、65MPa、70MPa的承重柱、墙以及楼板材料强度，分析建筑整体稳定性。

当强度为65MPa时，初始荷载下的建筑最大主应力与竖直方向位移云图如图6所示。

通过图6可知，在重力作用下的建筑窗间墙体具有较高应力，属于整体结构的薄弱部分；由于楼层进深较大，导致中心位移也随之变大，如果周围结构牢固度不足，极易在地震灾害中引发楼板塌陷。

从表1中数据可以看出，结构破坏发生步数与安全系数均随着材料强度的提升而增加，也就是说，材料强度越高，结构的安全储备与整体稳定性也越高。这说明本文系统可以有效分析出目标建筑的整体结构稳定性。

为了进一步验证稳定性分析系统的性能，采用文献[2]系统、文献[3]系统以及设计系统对广厦结构建筑整体稳定性分析时间进行统计，得出结果如图7所示。

分析图7可知，不同系统对广厦建筑物整体稳定性分析用时不同。当迭代次数为20次时，文献[2]系统对对广厦建筑物整体稳定性分析所用时间为28 s，文献[3]系统对对广厦建筑物整体稳定性分析所用时间为25 s，设计系统对广厦建筑物整体稳定性分析所用时间为5 s。当迭代次数为100次时，文献[2]系统对对广厦建筑物整体稳定性分析所用时间为26 s，文献[3]系统对对广厦建筑物整体稳定性分析所用时间为21 s，设计系统对广厦建筑物整体稳定性分析所用时间为6 s。所设计系统的分析用时远远低于其他两种传统系统，说明所设计系统的分析效率高。

4 结束语

本文结合BIM构建一款广厦结构建筑整体稳定性分析系统。通过实验得出以下结论：

(1)本文系统能够对目标建筑的整体结构稳定性进行有效分析。

(2)设计系统对广厦建筑物整体稳定性分析所用时间较短，说明所设计系统的分析效率高。

但是若过于依赖BIM提供的数据可能会影响分析结果，因此，在后续工作中要以该问题作为研究侧重点，重点解决。

参考文献

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