开发了一款钢筋混凝土框架结构BIM模型-OpenSEES有限元分析软件（简称ITO软件），实现了从BIM模型到OpenSEES有限元分析模型的有效过渡，使得建筑设计软件（如Revit）中的钢筋混凝土框架结构模型可以在OpenSEES中进行精确的有限元分析。在转换过程中，本软件相对保留了钢筋信息和材料信息，并采用Fiber截面来模拟钢筋混凝土的特性。通过与其他转换方式的对比验证，本软件的转换方法在保留结构信息方面表现出色，确保了计算结果的高精度。
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研究背景
建筑信息模型（BIM）是建筑学、工程学和土木工程领域的一种新工具，它以其可视化、协调性和可生成图形等优点在建筑工程行业得到广泛应用。随着近年来BIM的快速发展，BIM软件如Revit等也变得越来越普及。
在工程项目中，Industry Foundation Class（IFC）文件因其公开性和全面的数据描述而成为实现建筑、工程和施工软件之间交互的关键。然而，在IFC文件转换过程中，常常出现一些问题，比如梁柱单元交接部位的节点不重合，无法完整提取钢筋信息和材料属性等。
为了解决模型转换过程中信息丢失的问题，本研究提出了一种将钢筋混凝土框架BIM模型转换为OpenSEES有限元模型的方法。从IFC文件出发，通过对几何信息、钢筋信息和材料信息等进行提取和处理，较好地还原了钢筋混凝土构件的性能。这使得钢筋混凝土框架BIM模型能够更加精确、高效地转换为有限元模型，并能够在OpenSEES中完成有限元分析。
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软件界面
ITO软件共设置IFC解析、约束设置、材料设置、单元设置、截面设置、荷载设置、分析设置与生成代码八大模块。
图1：IFC解析
图2：约束设置
图3：材料设置
图4：单元设置
图5：截面设置
图6：荷载设置（1）
图7：荷载设置（2）
图8：输出设置（1）
图9：输出设置（2）
图10：分析设置（1）
图11：分析设置（2）
图12：生成代码
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软件主要模块
3.1 IFC解析模块
本软件中，IFC解析模块的主要功能是对模型的几何信息、单元及钢筋信息、材料信息进行初步提取。首先，通过使用Python编程语言和ifcopenshell开源库对IFC文件进行初步解析和数据提取。这一解析的目标是提取出有限元软件OpenSEES所需的关键参数。
在初步提取几何信息的过程中，首先通过ifcopenshell库的geom函数将坐标转换为全局坐标。接下来，通过ifcopenshell库的create_shape函数，将目标单元或钢筋划分为三角网格，并获取与之相对应的顶点数组（vertices）、边数组（edges）和面数组（faces）。
在初步提取材料信息的过程中，从IFC文件中提取钢筋混凝土结构BIM模型中预先设置的材料信息，并结合材料库文件获取目标单元或钢筋的材料属性。
该模块的算法流程图如下：
图13：IFC解析模块算法流程图
材料库如下：
图14：混凝土材料库
图15：钢筋材料库
3.2 数据处理模块
在对初步提取的信息进行数据处理时，首先对所有单元进行遍历，以获取每个单元的顶点数组。接着，根据各个顶点的坐标计算出该单元的坐标区间和端点坐标，并将这些信息与单元的材料信息一同保存在其信息数组中。
随后，遍历所有的钢筋，通过其节点数组计算其端点坐标，并判定钢筋类型为纵筋或箍筋。若为箍筋，当其横截面的形心坐标位于目标单元的坐标区间内时，则根据单元内各箍筋横截面的形心坐标，计算箍筋间的间距，将箍筋强度、直径和箍筋存入该单元的信息数组中。若为纵筋，当其端点坐标都位于目标单元的坐标区间内时，统计此单元截面中纵筋的数量、位置和直径，并将统计结果与纵筋强度一并保存在该单元的信息数组中。该模块的算法流程图如下：
图16：数据处理算法流程图
3.3 模型转换与分析模块
数据处理完成后，用户依次完成约束、材料、单元等相关设置。
约束设置：对结构模型的底层节点是否约束进行设置。
材料设置：根据OpenSEES所需的材料信息，在Revit的结构模型中设置混凝土与钢筋的材料名，解析完成后，按照自带的材料库，将材料参数赋予给相应的材料。
单元设置：对梁、柱构件的单元类型及积分点数目进行设置，对有板单元的构件，还需选择板单元采用膜单元/刚性隔板。
截面设置：对所有单元截面的核心区和边缘区的纤维划分数量进行设置。
荷载设置：对于外部施加的荷载，选择荷载类型，进行荷载大小以及作用位置的设置；对于屋面、楼面的恒荷载和活荷载，根据输入的荷载参数以及类型，按照单向板和双向板的荷载传递规则，传递到相应梁单元上，自动计算该楼层的重力荷载代表值，并根据作用形式为点荷载/线荷载作用到对应的节点/单元上；对于地震作用，根据输入的地震时间间隔、峰值放大系数、方向以及所选地震波文件，完成对结构地震作用的设置。
输出设置：用户可以对输出类型、文件名、保存位置、需要进行输出的节点/单元编号以及输出的数据类型进行设置。
分析设置：根据OpenSEES中进行分析所需的参数要求，用户选择进行静力/动力时程分析，并完成相关分析设置的选择及参数设定。
生成代码：用户完成上述设置后，自动生成对应的TCL命令流，可由用户进行修改/保存。
结合用户在约束设置、材料设置、单元设置、截面设置等页面中的相关设置，在生成代码页面中，点击“代码生成”按钮，即可生成相应的TCL命令流。点击“修改”/“保存”按钮，即可对文本框中的代码进行修改或保存，点击“开始分析”按钮时，则自动调用OpenSEES有限元分析软件对当前TCL文件进行计算分析，并将结果输出至指定文件中。
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算例
4.1 三层框架结构模型转换
图17：IFC文件可视化模型
图18：转换后OpenSEES可视化模型
4.2 八层框架结构模型转换与分析验证
图19：IFC文件可视化模型
图20：转换后OpenSEES可视化模型
算例采用ITO软件将BIM模型转换为OpenSEES模型，同时在有限元软件ETABS中建立了一个相同的模型，并通过ETO软件将其转换为OpenSEES命令流，以确保两者的材料参数一致。然后，对转换后的Fiber截面命令流进行了修改，并进行了分析。为了进行比较，将Fiber截面修改前后的分析结果分别标记为“对比1”和“对比2”。分析结果对比如下：
图21：最大层间位移角对比图
图22：局部放大图
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结论
本研究开发了一个钢筋混凝土框架结构BIM模型-OpenSEES有限元分析软件（ITO软件）。在转换过程中，ITO软件较好地保留了钢筋信息和材料信息，并采用Fiber截面模拟钢筋混凝土的特性，从而实现了BIM模型到OpenSEES有限分析模型的高效转换与有限元分析。
相关知识产权：
正在开发的 V2.0 版本新增了以下功能：
1. 钢筋混凝土框架-剪力墙结构的转换；
2.结构抗震可靠度-易损性快速评估模块。
如果您对该软件感兴趣，欢迎通过以下联系方式与我们取得联系：xujun86@hnu.edu.cn
胡鑫，硕士生，研究方向：结构模型转换与抗震
徐军，教授，研究方向：结构随机振动与可靠度
供稿：胡鑫
校核：徐军
