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适用于多LOD BIM的建筑地震损失评估

2019-6-28 13:38
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适用于多LOD BIM的建筑地震损失评估Seismic loss assessment for buildings with various-LOD BIM dataAdvanced Engineering Informatics 为实现上述目的,美国联邦应急署(FEMA)历经10年努力,提出了下一代抗震 ...

适用于多LOD BIM的建筑地震损失评估

Seismic loss assessment for buildings with various-LOD BIM data

Advanced Engineering Informatics


       为实现上述目的,美国联邦应急署(FEMA)历经10年努力,提出了下一代抗震性能化设计框架下的研究成果——FEMA P-58。该方法通过直接考虑建筑每类结构和非结构构件的破坏和维修费用,以更精细地考虑建筑地震经济损失,被广泛用于单体建筑的震损详细评估中。而且,FEMA P-58方法提供了700余种建筑构件的易损性曲线和修复成本数据库,便于实际应用。研究背景介绍

       随着抗震研究与设计标准的不断提高,经严格抗震设计的建筑出现倒塌的概率越来越低。然而,建筑虽然在地震中未倒,但可能造成极高的震后修复成本,严重影响抗震韧性。例如,在2011年新西兰Christchurch地震中,该城市CBD区域内近70%的建筑因为修复成本太高而被迫拆除。    

       精细化的建筑地震损失评估可为建筑抗震设计、加固策略等提供关键决策参考,进而提高建筑抗震韧性。

FEMA P-58的精细化数据需求

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图1 FEMA P-58方法(卷一)


       但是,FEMA P-58所需要的数据也极为精细。具体来讲,不仅需要构件尺寸、材料、施工做法、力学特性,甚至需要构件间连接关系及放置方向等。可以说,FEMA P-58是一把破解建筑地震损失评估问题的“好枪”,但是也需要精细数据作为“弹药”。那么谁能提供这种“弹药”呢?

       BIM是一个不错的选择。BIM自身包含了丰富的建筑信息,可以提供构件级别的精细数据,正好可以满足FEMA P-58的精细化数据需求。

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BIM的多LOD挑战

       然而,采用BIM数据实现基于FEMA P-58建筑地震损失评估并不是一件简单的事情,存在不少挑战。其中,一个重要的挑战就是不同BIM模型的发展程度和精细程度的差异化问题,也就是多LOD(Level of development)问题。

       在建筑信息模型中,不同发展程度的构件包含建筑信息的丰富程度不同,能提供给FEMA P-58的信息也不相同。因此,需设计一个统一的方法兼容不同的LOD,并且能够保证LOD越高,地震损失评估结果越准确。

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       此外,即使BIM构件有很高的LOD,也可能难以包含FEMA P-58所需的全部信息,或因建模风格不同导致信息提取失败。因此,需对BIM的建模过程提出适当的要求,使其能为建筑震损评估提供尽量多的有用数据。


解决方案


(1) 适用于多LOD数据的易损性确定方法

      基于FEMA P-58的地震损失评估的基础性问题就是确定构件的易损性,进而可以根据易损性和对应的结果函数计算构件的震害和损失。

      首先,通过根据FEMA P-58的分类规则建立决策树,进而确定候选易损性分类编码。一块石膏板隔墙在FEMA P-58对应的候选易损性函数编号如图2所示

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图2 石膏板隔墙的决策分类树


       美国建筑师学会(AIA)定义了LOD纲要,BIMForum对其进行了细化。根据其细化规定,LOD 200构件可到达深度为2的节点,LOD 300构件可到达深度为3的节点,而LOD 350及以上构件则包含了所有所需信息,而可直达叶节点(见图2分类树)。

       然后,利用蒙特卡洛方法进行大量随机模拟,得到该情形下构件的脆弱性函数(如维修费用对于工程需求参数EDP的函数),且所得的脆弱性函数综合了所有候选构件类型的特性。

      以石膏板隔墙(C1011)为例,选择上图决策树中6个节点作为案例进行说明,将其按照深度顺序编号为1 ~ 6号,计算每个节点的脆弱性函数,如图3所示。

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图3 石膏板隔墙1 ~ 6号节点的脆弱性函数


       上述方法的主要优势在于:既可以使用一个基于FEMA P-58方法的统一框架处理不同LOD构件的损失评估,又能充分利用可用的信息。当信息越充分时,候选的构件类型越少,所对应的脆弱性函数的不确定性越低。


(2) BIM建模规则与信息提取

       目前BIM建模的软件平台很多,为了便于说明,本文所提及的BIM建模采用广泛使用的Autodesk公司推出的Revit 2018软件。具体BIM建模规则与信息提取方法请点击文末“阅读原文”,不再赘述。


应用案例

       以一个2层钢框架办公楼为例,如图4所示。该建筑的BIM模型根据美国建筑师学会(AIA)的LOD纲要建立,可在BIMForum可公开下载。

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图4 示例办公楼的Revit模型


       为了考察建筑数据完备程度给震损带来的不确定性,本文以这个基准模型为基础,建立了3个虚拟的建筑信息模型,如表1所示。注意:结构构件的数据完备程度会影响整个建筑的地震响应。为了控制不确定性的来源,假定3个虚拟建筑的结构构件种类和数量是确定的,且完全相同。


表1 案例分析采用的3个模型

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       基于本文方法,利用Revit API中提取建筑震损评估所需信息,如图5所示(以MEP为例)。

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图5 HVAC风管构件信息提取示意图


       选择广泛使用的El-Centro地震动为例,PGA设为0.2g。利用BIM转换到ETABS软件中计算结构反应,获取所需的工程需求参数EDP。

       3栋建筑的地震损失分析结果如图6所示。对比建筑A、B和C可知,随着建筑信息模型中包含的信息不断丰富,地震总损失的不确定性有减小的趋势(对数标准差分别为0.38、0.28、0.14)。即使仅仅已知建筑抗震设计类别和结构信息(建筑A),也可以得到一个可用的地震损失结果。

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图6 不同LOD模型的地震总损失


       而且,本方法也可以给出不同构件的具体损失,可用于具体修复策略的决策支持,如图7所示。

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图7 各个构件的损失中位值


总结

      (1)针对BIM的多LOD问题,提出了基于分类决策树和蒙特卡洛的构件易损性确定方法;针对BIM信息提取与建模差异化问题,提出了基于Revit平台的建模规则与信息提取方法

       (2)案例表明,一方面,即使可用信息非常有限,本方法也可以给出一个可接受的震损评估结果;另一方面,更丰富的可用信息则有助于提高震损评估的准确性,降低评估结果的不确定性

       (3)本文方法可以适用于不同LOD的BIM数据,为结合BIM和FEMA P-58的建筑地震损失精细化评估提供了重要参考


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