一种异形薄壁建筑结构加固方法与流程

本发明涉及机械结构分析技术领域，尤其涉及一种异形薄壁建筑结构加固方法。

背景技术：

建筑结构的动力响应关乎人员安全。目前，针对常规建筑物的抗震性能分析，已经有成熟的商业软件可应用，并且，在建筑结构的设计计算中起到了重要的作用。

但是，这类软件往往只能应用于较为规则的结构，其主体结构为梁、板、柱。针对这类结构，往往通过设计软件进行加固设计分析，即可得到验证。

然而，对于复杂异形薄壁建筑结构，通过上述方法进行加固计算较为粗糙，仅能人为地通过局部面积上的承载，来实现其结构的稳定性验算，其动力学的性能较难获得。而复杂异形薄壁建筑结构在静、动力荷载下的动力响应直接影响其在风、雪、地震荷载下的结构安全。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种异形薄壁建筑结构加固方法，用以解决现有技术无法准确分析异形薄壁建筑在静、动力荷载下的动力响应，使得无法准确确定异形薄壁的薄弱部位，进而无法对薄弱部位进行稳固性提升的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种异形薄壁建筑结构加固方法，包括如下步骤：

对异形薄壁建筑结构的蒙皮进行扫描，获得蒙皮点云数据；

对蒙皮点云数据进行逆做处理，获得对应的nurbs曲面模型；

对上述nurbs曲面模型进行有限元分析，如果有限元分析结果不收敛，对nurbs曲面模型畸变较大区域进行平滑过渡修正，获得优化后的nurbs曲面模型；

建立异形薄壁建筑结构的内部框架模型；

将获得的优化后的nurbs曲面模型和内部框架模型进行连接，对连接后结构进行有限元分析；

根据连接后结构的有限元分析结果确定异形薄壁建筑结构的薄弱部位，对所述薄弱部位进行结构加固。

上述技术方案的有益效果如下：现有的结构加固技术，仅能从静力角度进行分析，针对异形薄壁建筑结构的框架-蒙皮整体加固未见报道。其技术难点在于复杂异形薄壁结构模型不能通过常规的有限元设计软件建立。因此，上述技术方案先通过逆做程序对点云数据进行逆做处理，最终获得可用于结构动力学计算的异形薄壁建筑结构模型(即连接后结构)，进而实现结构动态力学性能的研究与验证，对薄弱部位进行结构加固。

基于上述方法的另一个实施例中，所述对异形薄壁建筑结构的蒙皮进行扫描，获得蒙皮点云数据，包括如下步骤：

布设三维激光扫描仪，并设置扫描路径，保证所述三维激光扫描仪的扫描范围能够覆盖整个异形薄壁建筑；

通过三维激光扫描仪对异形薄壁建筑结构的蒙皮进行初步扫描，获得蒙皮初步点云数据；

对蒙皮初步点云数据进行分析，获得蒙皮上可能存在形状突变的部位，通过无人机摄影方式对所述可能存在突变的部位进行局部扫描，获得初步点云数据的补充数据；

将上述初步点云数据与补充数据拼接，获得精细的蒙皮点云数据。

上述技术方案的有益效果是：采用三维扫描技术与无人机摄影技术对蒙皮的三维点云数据进行获取，在一致的坐标系下，丰富了局部点云信息，建立了包含局部点云信息的整体点云数据。

进一步，所述对蒙皮点云数据进行逆做处理，获得对应的nurbs曲面模型，包括如下步骤：

对蒙皮点云数据依次进行点云对齐、点云整理、点云降噪；

对降噪后结果进行检测，获得存在破洞、边界或重叠的区域，对所述区域依次进行破洞修补、边界强化或重叠清理，获得优化后点云数据；

将所述优化后点云数据输入geomigic软件，获得蒙皮初步模型；

对所述蒙皮初步模型依次进行特征识别、特征提取以及边界构建，形成对应的nurbs曲面模型。

上述进一步方案的有益效果是：采用上述点云精简方法(点云对齐、点云整理、点云降噪)及geomagic软件，可对点云数据进行精简，并保留曲率较大的特征部位，获得曲率较小部位的二次曲面(nurbs曲面模型)。

进一步，所述对上述nurbs曲面模型进行有限元分析，如果有限元分析结果不收敛，对nurbs曲面模型畸变较大区域进行平滑过渡修正，获得优化后的nurbs曲面模型，包括如下步骤：

对nurbs曲面模型进行网格划分；

设置nurbs曲面模型的边界条件，并加载重力载荷，对nurbs曲面模型进行有限元分析；如果有限元分析结果不收敛，检测nurbs曲面模型中畸变较大的部位，对其进行平滑过渡修正，再次划分网格并进行有限元分析，直到收敛为止，获得优化后的nurbs曲面模型。

上述进一步方案的有益效果是：通过对蒙皮部分的nurbs曲面模型进行有限元初算，修正nurbs曲面模型中畸变较大的部位，建立可用于有限元分析的蒙皮模型(优化后的nurbs曲面模型)。

进一步，所述建立异形薄壁建筑结构的内部框架模型，包括如下步骤：

建立异形薄壁建筑内部钢架3d模型和用于支撑蒙皮的支撑杆模型；

将所述支撑杆模型连接至所述内部钢架3d模型，将连接后结构作为异形薄壁建筑结构的初步内部框架3d模型；

对上述初步内部框架3d模型进行有限元分析，计算初步内部框架3d模型表面应力；如果无法获得初步内部框架3d模型表面应力，判定有限元分析结果不收敛，检测初步内部框架3d模型中畸变较大的部位，对其进行平滑过渡修正，再次进行有限元分析，直到收敛为止，获得异形薄壁建筑结构的内部框架模型。

上述进一步方案的有益效果是：根据异形薄壁建筑结构内部框架的2d资料，建立初步内部框架3d模型，通过对初步内部框架3d模型进行有限元初算，修正畸变较大的部位，获得符合实际情况的、可用于后续分析的、最终的内部框架模型。

进一步，所述将获得的优化后的nurbs曲面模型和内部框架模型进行连接，对连接后结构进行有限元分析，包括如下步骤：

根据异形薄壁建筑结构建设图纸，将获得的优化的nurbs曲面模型和内部框架模型进行连接；

针对连接部位，通过将容差值适当放大，对蒙皮网格进行局部调整，保证网格节点拼接在一起，将拼接结果作为所述连接后结构；

对所述连接后结构进行有限元分析，计算蒙皮表面应力；如果无法获得蒙皮表面应力，判定有限元分析结果不收敛，修正有限元网格中畸变较大的部位，再次进行有限元分析，直到收敛为止。

上述进一步方案的有益效果是：对nurbs曲面模型和内部框架模型的连接方法以及有限元网格调整进行限定。通过有限元试算结果优化了包含内部框架的整体建筑模型(连接后结构)，从而建立了符合实际的、适用于有限元分析的异形薄壁建筑结构模型。

进一步，所述根据连接后结构的有限元分析结果确定异形薄壁建筑结构的薄弱部位，对所述薄弱部位进行结构加固，包括如下步骤：

对有限元分析结果进行模态分析，获得连接后结构的自振特性；

根据建筑抗震设计规范，结合上述连接后结构的自振特性，以及场地特点，选取用于结构动力分析的地震波；

通过所述地震波，对连接后结构进行结构动力分析，根据获得的应力场分布，确定蒙皮结构的薄弱部位；

针对上述结构薄弱部位，通过增大截面积，或在内部框架与蒙皮之间相应部位通过钢板带连接，进行结构加固。

上述进一步方案的有益效果是：通过对异形薄壁建筑结构模型进行模态分析及初步动力分析，确定薄弱部位所在，从而采取加固措施修正薄弱部位。加固措施可采用增大截面积，或在内部框架与蒙皮之间相应部位通过钢板带连接。上述加固措施是发明人经过大量试验总结出的经验，直接应用能够缩短研究和制造周期。

进一步，该异形薄壁建筑结构加固方法，还包括如下步骤：

对结构加固后异形薄壁建筑结构进行ida增量动力分析，根据ida增量动力分析结果，判定异形薄壁建筑结构的易损性。

上述进一步方案的有益效果是：通过易损性分析，对规范中未说明的异形薄壁建筑结构的安全性进行分析评判。

进一步，所述对结构加固后异形薄壁建筑结构进行ida增量动力分析，根据ida增量动力分析结果，判定异形薄壁建筑结构的易损性，包括如下步骤：

以设置的内部框架模型的层高作为参考高度，将内部钢框架模型中每一层的最大位移除以该参考高度，得到所述层的层间位移角；

以一条地震波一个调幅下所有层中最大的层间位移角作为相关参数，以层间位移角分别为相关参数的1/250、1/100、1/50，作为对应于安全、可修复、倒塌的三个性能判断基准，与该模型最大层间位移角进行比较，对结构的抗震性能做出评判。

上述进一步方案的有益效果是：通过对模型进行ida分析，对结构的抗震性能做出评判，验证了结构整体的安全性。

进一步，采用如下评判标准，对结构的抗震性能做出评判：

当层间位移角大于1/50时，判定结构接近倒塌，当层间位移角在1/100～1/50时，判定结构影响生命安全，当层间位移角在1/100～1/250时，判定结构经过修复可以继续使用，当层间位移角小于1/250时，判定结构安全。

上述进一步方案的有益效果是：对结构的抗震性能的评判标准进行具体限定，上述评判标准是发明人通过大量试验总结出的规律，符合实际情况，直接应用能够缩短设计时间，提高用户体验和用户满意度。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1异形薄壁建筑结构加固方法步骤示意图；

图2为本发明实施例2异形薄壁建筑结构加固方法步骤示意图；

图3为本发明实施例2异形薄壁建筑结构加固方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种异形薄壁建筑结构加固方法，如图1所示，包括如下步骤：

s1.对异形薄壁建筑结构的蒙皮进行扫描，获得蒙皮点云数据。

s2.对蒙皮点云数据进行逆做处理，获得对应的nurbs曲面模型。

s3.对上述nurbs曲面模型进行有限元分析，如果有限元分析结果不收敛，对nurbs曲面模型畸变较大区域进行平滑过渡修正，获得优化后的nurbs曲面模型。

s4.建立异形薄壁建筑结构的内部框架模型。

s5.将获得的优化后的nurbs曲面模型和内部框架模型进行连接，对连接后结构进行有限元分析。

s6.根据连接后结构的有限元分析结果确定异形薄壁建筑结构的薄弱部位，对所述薄弱部位进行结构加固。

实施时，该方法首先对蒙皮进行点云数据的获取；然后，对蒙皮点云数据采用逆做软件进行处理，获得光滑的nurbs曲面模型，并在逆做软件中进行nurbs曲面模型修正；接着，建立内部框架模型，对nurbs曲面模型(蒙皮模型)和内部框架模型进行组合，再建立风洞或ida增量动力分析等研究结构响应。

与现有技术相比，本实施例提供的异形薄壁建筑结构加固方法可准确模拟异形薄壁建筑结构在雪荷载、风荷载、地震荷载下的结构响应(通过对连接后结构的适当部位施加不同的力)。而现有得结构加固技术，仅能从静力学角度进行分析，针对异形薄壁建筑结构的框架-蒙皮加固未见报道。其技术难点在于复杂异形薄壁结构模型不能通过常规的有限元设计软件建立。因此，本实施例技术方案先通过逆做程序对点云数据进行处理，最终获得可用于结构动力学计算的模型，进而可实现结构动态力学性能的研究与验证，进而对薄弱部位进行结构加固。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，如图2所示，该异形薄壁建筑结构加固方法还包括如下步骤：

s7.对结构加固后异形薄壁建筑结构进行ida增量动力分析，根据ida增量动力分析结果，判定异形薄壁建筑结构的易损性。

进一步，如果步骤s7中，判定的异形薄壁建筑结构的易损性为不安全、但满足修正条件，对异形薄壁建筑结构进行加固设计。所述加固设计可采用增大截面积、在内部框架与蒙皮之间相应部位通过钢板带连接中的至少一种。然后，对修正后结构再次进行ida增量动力分析，如果异形薄壁建筑结构的易损性仍不安全，继续进行加固设计，直到判定异形薄壁建筑结构的易损性为安全为止。

优选地，步骤s1可进一步细化为如下步骤：

s11.布设三维激光扫描仪，并设置扫描路径，保证所述三维激光扫描仪的扫描范围能够覆盖整个异形薄壁建筑。

s12.通过三维激光扫描仪对异形薄壁建筑结构的蒙皮进行初步扫描，获得蒙皮初步点云数据。

s13.对蒙皮初步点云数据进行分析，获得蒙皮上可能存在形状突变的部位，借助gps技术，通过无人机摄影方式对所述可能存在突变的部位进行局部扫描，获得初步点云数据的补充数据。

s14.将上述初步点云数据与补充数据拼接，获得精细的蒙皮点云数据。

具体地，例如，异形薄壁建筑结构为佛身(四川乐山大佛)，三维激光扫描仪可沿着佛身(一圈)每隔60°架设一次，采用水平扫描方式，保证每次扫描的扫描区域有重叠，以采集完整数据。对可能存在形状突变的部位，例如面部等，通过无人机摄影方式进行局部扫描。

接下来，需要对蒙皮点云数据进行精简处理，即步骤s2，可进一步细化为如下步骤：

s21.对蒙皮点云数据依次进行点云对齐、点云整理、点云降噪。点云对齐是，布设的三维激光扫描仪每次扫描时有一个固定的控制坐标，通过坐标换算，可将所有点云数据置于同一坐标系下。通过在扫描的时候有一个控制坐标，所有的点云数据都在同一坐标系下。点云整理、点云降噪是，由于复杂建筑结构的蒙皮部分曲面较多，造成整体计算较为困难，对数据点进行精简，并实现简化部分点云的拟合曲面。

具体地，设w为散乱点中的一点，p3×3为w及其临近点k所构成的协方差矩阵，w点的曲面变换δk

式中，w1、w2、···、wk为w的临近点k；λ0、λ1、λ2为协方差矩阵的特征值。

通过设置特征点阈值，可以以保留部分曲率较大、不宜精简的点。

特征阈值设置为

式中，δ(pi)为点pi的曲面变换；n为点云中点的数目，α为调节因子。

对于大于特征点阈值的点云数据进行保留，对于小于特征点阈值的点云数据，进行二次曲面函数拟合处理，取初始拟合函数的一般形式

z＝f(x,y)＝α0+α1x+α2y+α3x2+α4y2(3)

对于任意数据点k邻域h(xi)

对下式求解，得到相关系数，得到二次曲面拟合方程的系数

通过所述系数，可得到对应的曲率较小部分的拟合曲面，代替相应部分的点云数据。

s22.对降噪后结果进行检测，获得存在破洞、边界或重叠的区域，对所述区域依次进行破洞修补、边界强化或重叠清理，获得优化后点云数据。检测方法采用现有的破洞、边界或重叠检测方法，破洞修补、边界强化或重叠清理可借助geomagic软件的修补、重叠清理工具实现。

s24.将所述优化后点云数据输入geomigic软件，进行拟作处理，获得蒙皮初步模型。

s25.对所述蒙皮初步模型依次进行特征识别、特征提取以及边界构建，形成对应的nurbs曲面模型。geomagic中有特征识别、特征提取以及边界构建选项，可以直接选择后实现。

具体地，步骤s24中，通过面片组织形成nurbs曲面模型。形成nurbs曲面模型可以cae格式输出。

优选地，步骤s3可进一步细化为如下步骤：

s31.对nurbs曲面模型进行网格划分。可通过专用网格划分软件，进行网格划分。

s32.设置nurbs曲面模型的边界条件，并加载重力载荷，对nurbs曲面模型进行有限元分析；如果有限元分析结果不收敛，检测nurbs曲面模型中畸变较大的部位，对其进行平滑过渡修正，再次划分网格并进行有限元分析，直到收敛为止，获得优化后的nurbs曲面模型。

具体地，网格划分软件可采用hypermesh。有限元分析的软件可采用abaqus。平滑过渡修正可采用geomagic中的切割、平滑过渡命令进行修正。上述有限元分析结果可为模态分析图、应力云图、位移响应图、ida曲线图、三水准下以pga为参数的超越概率曲线图等中的至少一种。在有限元分析中，对于计算结果不收敛的单元会有特别标注，针对这些单元，可通过geomagic的切割、平滑过渡等命令进行修正。

具体地，有限元分析结果可为模态分析图、应力云图、位移响应图、ida曲线图、三水准下以pga为参数的超越概率曲线图等。

优选地，步骤s4可进一步细化为如下步骤：

s41.建立异形薄壁建筑内部钢架3d模型和用于支撑蒙皮的支撑杆模型。具体地，根据异形薄壁建筑结构建设图纸，建立内部钢架3d模型和用于支撑蒙皮的支撑杆模型。

s42.将所述支撑杆模型连接至所述内部钢架3d模型，将连接后结构作为异形薄壁建筑结构的初步内部框架3d模型。

s43.对上述初步内部框架3d模型进行有限元分析，计算初步内部框架3d模型表面应力；如果无法获得初步内部框架3d模型表面应力，判定有限元分析结果不收敛，检测初步内部框架3d模型中畸变较大的部位，对其进行平滑过渡修正，再次进行有限元分析，直到收敛为止，获得异形薄壁建筑结构的内部框架模型。

具体地，可采用cad软件建立内部钢架3d模型。有限元分析的软件可采用abaqus。平滑过渡修正可采用geomagic中的切割、平滑过渡命令进行修正。

优选地，步骤s5可进一步细化为如下步骤：

s51.根据异形薄壁建筑结构建设图纸，将获得的优化后的nurbs曲面模型和内部框架模型进行连接。

s52.针对连接部位，通过将容差值适当放大，对蒙皮网格进行局部调整，保证网格节点拼接在一起，将拼接结果作为所述连接后结构。

s53.对所述连接后结构进行有限元分析，计算蒙皮表面应力；如果无法获得蒙皮表面应力，判定有限元分析结果不收敛，修正有限元网格中畸变较大的部位，再次进行有限元分析，直到收敛为止。

具体地，步骤s52中，通过预先设定参考点，将内部框架模型与蒙皮模型(nurbs曲面模型)建立在同一坐标系中，对内部框架支撑杆与蒙皮连接处的网格进行修正，通过设置最小容差值，将临近点进行合并，实现蒙皮连接处的网格节点与支撑杆连接在一起。

步骤s53中，可通过geomagic的切割、平滑过渡等命令修正畸变较大的部位。

优选地，步骤s6可进一步细化为如下步骤：

s61.对有限元分析结果进行模态分析，获得连接后结构的自振特性。

s62.根据建筑抗震设计规范，结合上述连接后结构的自振特性，以及场地特点，选取用于结构动力分析的地震波。

s63.通过所述地震波，对连接后结构进行结构动力分析，根据获得的应力场分布，确定蒙皮结构的薄弱部位。具体地，将应力结果大于阈值的部位作为蒙皮结构的薄弱部位。

s64.针对上述结构薄弱部位，通过增大截面积，或在内部框架与蒙皮之间相应部位通过钢板带连接，减少应力集中，进行结构加固。

具体地，考虑到内板框架底部一般埋置在混凝土地板上，将钢框架与混凝土地板之间的连接定义为固结。通过施加自重荷载的倍数，模拟雪荷载下受力(自重荷载沿重力方向，为蒙皮部分的自重，受力部位为整个蒙皮曲面)；通过将风荷载简化为均布荷载，进行侧向施加(单侧，荷载大小通过对建筑荷载设计规范的规定值简化为均布荷载，施力点是迎风侧面)，模拟雪荷载下结构的受力；通过在底板施加幅值函数，进行两个方向的地震输入(内部钢框架的底部连接在底部混凝土地基上，底板指混凝土地基，方向是水平两个方向，幅值函数abaqus软件中自带的，用于地震波的表示，形式是通过输入一系列两列的数据表，将地震波曲线描述为一个幅值函数，获得的是结构整体的动力响应)，模拟地震下结构受力情况。

优选地，步骤s7可进一步细化为如下步骤：

s71.以设置的内部框架模型的层高作为参考高度，将将内部钢框架模型中每一层的最大位移除以该参考高度，得到所述层的层间位移角。其中，所述内部框架模型的层高指在设计内部钢框架的时候建立的层高，根据异形薄壁建筑结构建设图纸建立，一般包括多层，本领域技术人员可以理解。

s72.以一条地震波一个调幅下所有层中最大的层间位移角作为相关参数，以层间位移角分别为相关参数的1/250、1/100、1/50，作为对应于安全、可修复、倒塌的三个性能判断基准，与该模型最大层间位移角进行比较，对结构的抗震性能做出评判。

具体地，步骤s72中，可以10条以上地震波进行条幅分析，对结构进行ida增量动力分析，以层间位移角为性能判断标准，考察结构的易损性，对结构的抗倒塌能力进行评估。当层间位移角大于1/50时，判定结构接近倒塌，当层间位移角在1/100～1/50时，判定结构影响生命安全，当层间位移角在1/100～1/250时，判定结构经过修复可以继续使用，当层间位移角小于1/250时，判定结构安全。

本实施例提供的异形薄壁建筑结构加固方法流程图如图3所示。

与实施例1相比，本实施例提供的异形薄壁建筑结构加固方法，能够对既有异形薄壁建筑结构进行加固设计的静、动力响应分析，该方法解决了异形薄壁建筑结构在加固设计中模型难以建立，以及在雪荷载、风荷载、地震荷载下无法进行结构响应计算的问题。可采用abaqus中建立风洞、ida增量动力分析的方式研究结构响应。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。