宋　杰，　張亞棟，　王孟進(jìn)，　張錦華，　范俊余

(解放軍理工大學(xué)　國防工程學(xué)院， 江蘇　南京　210007)

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Revit與ANSYS結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換接口研究

宋杰，張亞棟，王孟進(jìn)，張錦華，范俊余

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院， 江蘇南京210007)

摘要：復(fù)雜荷載作用下結(jié)構(gòu)的精細(xì)化數(shù)值分析是結(jié)構(gòu)和抗爆工程研究領(lǐng)域的重要趨勢。Revit作為一款功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)建模軟件，其中包含大量建筑物的物理和功能特性信息，是結(jié)構(gòu)分析非常需要的，但通用大型結(jié)構(gòu)分析軟件如ANSYS通常都不具備直接獲取這些信息的能力。本文提出了基于運用Revit及Revit API技術(shù)的模型轉(zhuǎn)換方法，在Visual Studio 2012平臺上用C#語言進(jìn)行二次開發(fā)，獲取結(jié)構(gòu)分析建模軟件所需的幾何參數(shù)、彈性模量、密度、泊松比等數(shù)據(jù)，并對復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行了切分處理，把提取的數(shù)據(jù)整理成ANSYS APDL命令流格式，從而實現(xiàn)了Revit模型到ANSYS分析模型的直接轉(zhuǎn)換，體現(xiàn)出兩者的優(yōu)勢互補和轉(zhuǎn)換的快速高效。最后，在模型轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，給出一個工程轉(zhuǎn)換實例進(jìn)行驗證，在ANSYS中查看各項數(shù)據(jù)參數(shù)，數(shù)據(jù)信息內(nèi)容符合分析計算要求，驗證了模型轉(zhuǎn)換程序的正確性和實用性。

關(guān)鍵詞：Revit；ANSYS；模型轉(zhuǎn)換；二次開發(fā)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展促進(jìn)了建筑物的大幅度增加和更新?lián)Q代，各種復(fù)雜和異形建筑不斷涌現(xiàn)[1]，這就給建筑建模和分析工作帶來了挑戰(zhàn)。為了快速和精細(xì)化地實現(xiàn)以上功能，必須借助于強(qiáng)大的有限元分析軟件。

ANSYS具有較強(qiáng)的有限元分析功能，在土木工程等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。ANSYS軟件包括前處理模塊(PREP7)、分析計算模塊(SOLUTION)和后處理模塊(POST1和POST26)三個模塊[2]，其自帶建模功能相較于其強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析功能遜色不少[3]，尤其是對異形和復(fù)雜建筑，做到精細(xì)化建模則較為繁瑣和復(fù)雜，需要花費大量的時間和精力，很大程度上制約和限制了該軟件的使用。對于結(jié)構(gòu)分析人員來說，如何快速有效建立結(jié)構(gòu)的精細(xì)化分析模型，是一個長期探討的問題。

BIM(Building Information Modeling)是指建筑信息模型，通過建立建筑工程各個構(gòu)件的虛擬模型，并將構(gòu)件的各種信息數(shù)據(jù)與模型相關(guān)聯(lián)，從而通過數(shù)字信息仿真來模擬建筑物真實信息。Autodesk Revit作為應(yīng)用廣泛的三維BIM建模軟件，為設(shè)計師和工程師在建筑領(lǐng)域的設(shè)計和施工提供了優(yōu)秀平臺，其數(shù)字化模型集成的信息量非常豐富，包括大量的幾何信息和非幾何信息，支持建筑項目所需的整體設(shè)計、出圖和明細(xì)表等，均能以完整數(shù)據(jù)庫的信息表現(xiàn)出來[4]，且這些數(shù)據(jù)允許用戶通過二次開發(fā)提取使用[5]。Revit能在較快時間內(nèi)、最大限度地對建筑物實體及各個細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行還原，為工程分析向精細(xì)化發(fā)展提供了可能。

目前，許多流行的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件如ETABS、Robot、PKPM、YJK以及SAP2000等均開發(fā)有與Revit之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口[6]。這些程序多基于工程設(shè)計目的考慮，在模型轉(zhuǎn)換過程中對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)往往做了許多假設(shè)簡化，將實體構(gòu)件轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元，使得轉(zhuǎn)換后的模型不適合通用目的和精細(xì)化的分析需要。同時，眾多轉(zhuǎn)換程序基于IFC中間格式實現(xiàn)[7,8]，冗余信息太多而轉(zhuǎn)換效率低下。然而，作為主流分析軟件的ANSYS與Revit各自擁有不同的文件存儲方式和數(shù)據(jù)格式，不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換共享。為此，本文研究提出了一種快速的結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換方法，利用該方法可以直接從Revit結(jié)構(gòu)模型生成ANSYS分析所需的物理模型，并能最大程度地保留結(jié)構(gòu)的各種構(gòu)造細(xì)節(jié)，極大方便了后續(xù)分析工作。

1開發(fā)目標(biāo)與思路

1.1ANSYS建模及模型轉(zhuǎn)換分析

ANSYS軟件有多種建模方法，傳統(tǒng)的方式即在GUI中通過創(chuàng)建“關(guān)鍵點→線→面→體→節(jié)點→單元”的“自下而上”的實體建模方式，費時費力，對復(fù)雜模型處理難度大，靈活性差。這種方式也可以通過ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言APDL編寫的文本文件，以命令流的形式完成，但也存在著創(chuàng)建大型模型時查錯困難等問題[9]。

由于ANSYS在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域舉足輕重的地位，許多CAD軟件如Pro/E、Inventor、UG等均提供了與ANSYS之間的模型轉(zhuǎn)換接口[3,10,11]，同時ANSYS還具有通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式如ACIS、IGES等輸入幾何模型的功能，使得ANSYS針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模能力得到增強(qiáng)。雖然Revit軟件也可以輸出ACIS格式的模型，如圖1所示。但是這個結(jié)構(gòu)實體只是一個整體閉合的幾何體，導(dǎo)入ANSYS做結(jié)構(gòu)分析時不能直接進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，需要手工切割成形狀相對簡單的幾何體，并作必要的修補，否則不能劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格，也難以進(jìn)行精細(xì)的結(jié)構(gòu)描述。同時，通過ACIS導(dǎo)入的模型不能體現(xiàn)各個構(gòu)件的獨立性，需要手工指定各個構(gòu)件的材料信息，模型切分和材料賦值的工作量依然很大。另外，這種轉(zhuǎn)換方式容易出現(xiàn)幾何數(shù)據(jù)的丟失和轉(zhuǎn)換不徹底的情況，效果往往并不理想。本文針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模及后續(xù)修補工作的不便，直接通過二次開發(fā)得到適合ANSYS劃分網(wǎng)格的構(gòu)件切分塊體，不需要后續(xù)手工調(diào)整，一次性生成符合ANSYS精細(xì)網(wǎng)格劃分要求的模型。

1.2Revit到ANSYS模型轉(zhuǎn)換開發(fā)思路

Revit模型包含的數(shù)據(jù)量很大，其中包括結(jié)構(gòu)分析所需的構(gòu)件ID、空間位置、幾何尺寸(長、寬、高)和材質(zhì)信息(彈性模量、密度、泊松比)等[12]。這些數(shù)據(jù)也是ANSYS結(jié)構(gòu)建模的必要信息，可以通過API編程直接讀取出來。本文開發(fā)思路是，先借助Revit API將上述數(shù)據(jù)讀取出來，通過幾何切分算法將具有復(fù)雜幾何關(guān)系的模型切分成具有規(guī)則形狀的幾何體，再用ANSYS 參數(shù)化設(shè)計語言APDL以命令流形式寫成文體文件，在ANSYS中讀入該文件即可生成所需的分析模型。

本文方法可一次性完成模型的轉(zhuǎn)換，避免手工操作中可能的重復(fù)及人為錯誤。

1.3開發(fā)工具及模式

Revit系列軟件提供了可以擴(kuò)展產(chǎn)品功能的應(yīng)用程序編程接口——Revit API，包括訪問文檔中對象API、用戶選擇交互API、文檔級別事件API、對象過濾API和族創(chuàng)建API等，功能十分豐富。Revit API包含在兩個接口組件文件RevitAPI.dll和RevitAPIUI.dll中，支持在.NET環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)，兼容的.NET語言包括Visual Basic.NET、C#和C++/CLI。

本文開發(fā)使用C#語言。該語言繼承和結(jié)合了C、C++和VB的優(yōu)點，可以快速地編寫各種基于MICROSOFT.NET平臺的應(yīng)用程序，便于在Microsoft Visual Studio中進(jìn)行跟蹤調(diào)試，是.NET開發(fā)的首選語言。本文開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2012及Microsoft.NET Framework 4.5。

Revit二次開發(fā)支持兩種模式，分別為外部命令方式(External Command)和外部應(yīng)用方式(External Application)。其中外部應(yīng)用方式具有添加菜單和工具條或其它初始化命令的功能，在啟動和關(guān)閉Revit.exe時自動執(zhí)行，與Revit原菜單融為一體，操作方便，本文選擇該方式進(jìn)行開發(fā)。

2程序?qū)崿F(xiàn)

2.1程序開發(fā)流程

程序開發(fā)流程如圖2所示，首先對模型中所有圖元進(jìn)行尋找和過濾，判斷族類型并分類收集存儲，通過遍歷判斷出不同材料信息的族實例并進(jìn)行編號，然后獲取構(gòu)件的角點坐標(biāo)，利用它們之間的相互關(guān)系進(jìn)行切分。具體方法是：先利用與柱相交的主、次梁對柱進(jìn)行切分，再利用與板相交的柱對板進(jìn)行切分，用板的厚度切分相交的梁和柱，最后再用次梁來切分主梁，切分過程中保留構(gòu)件的材料信息，完成整個模型的切分工作。切分結(jié)束后獲得一系列幾何形狀簡單的立方塊，將其按ANSYS APDL語言格式生成文件輸出。

圖2　接口程序算法流程

2.2算法要點

根據(jù)算法流程圖，在Visual Studio平臺上利用C#語言中豐富的數(shù)組表達(dá)式、函數(shù)、流程控制等數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)完成開發(fā)目的。本文開發(fā)需求包括四個方面：一是獲取圖元的材質(zhì)信息，包括構(gòu)件的楊氏模量、泊松比、密度等材料特性；二是獲取圖元的幾何信息，即構(gòu)件“左下-右上”對角點空間坐標(biāo)；三是對相交的構(gòu)件利用其角點坐標(biāo)進(jìn)行判斷切分；四是通過構(gòu)件的角點坐標(biāo)確定出所需求幾何塊體的空間坐標(biāo)，并按照ANSYS APDL語言格式進(jìn)行排列，輸出到指定文檔。其核心代碼介紹如下：

(1)遍歷模型梁、板、柱、墻，各自獲取它們的集合。

Filtered Element Collector collector1 = new Filtered Element Collector(doc); //創(chuàng)建一個過濾收集器

Element Category Filter filter1 = new Element Category Filter(Built In Category.OST_Walls); //通過過濾獲取所有墻類型

I Listlists1=collector1.Where Passes(filter1).Where ElementIs Not Element Type().To Elements(); //返回選中的墻

Filtered Element Collector[]collectors={collector1, collector2, collector3, collector4,...，}; //對所有構(gòu)件類型進(jìn)行過濾

//對所有構(gòu)件類型進(jìn)行遍歷

foreach (Filtered Element Collectorele Collector in collectors)

{

}

(2)遍歷各個構(gòu)件的材質(zhì)信息，獲取它們的楊氏模量、泊松比和密度。

//遍歷所有構(gòu)件材質(zhì)信息集合

foreach (Element elem in eleCollector)

{

inti = -1;

Element Pick = elem;

MaterialSet pw = Pick.Materials;

}

//遍歷獲取一類構(gòu)件材質(zhì)信息，并把它定義為圖元屬性集

foreach (Material m in pw)

{

Property Set Elementstructual Asset = doc.Get Element(m.Structural AssetId) as Property Set Element;

}

//對構(gòu)件材質(zhì)信息進(jìn)行判斷并提取

if (structural Asset != null)

{

int number = -1;

double temp0 = structural Asset.Get Structural Asset().Young Modulus.X / 304800;

double temp1 = structural Asset.Get Structural Asset().Poisson Ratio.X;

double temp2 = structural Asset.Get Structural Asset().Density * 16.02;

}

對王家會站1992—2016年中水期流量實測流量資料進(jìn)行統(tǒng)計分析。水位流量關(guān)系相關(guān)性比較散亂，單值化處理后的關(guān)系性也較差，見圖5。主要原因為中水期流量較小，影響流量變化的控制因素不如高水時穩(wěn)定。通過對資料的分析，選取了近六年即2011—2016年的實測資料進(jìn)行單值化處理，相關(guān)性比較好，見圖6。

//在所有已經(jīng)識別的材質(zhì)中尋找當(dāng)前材質(zhì)的編號。如果沒找到，賦予一個新的編號。

for (int k = 0; k < total; k++)

{

if (Math.Abs(temp0 - para Data Wall[k, 0]) < 0.001 &&

Math.Abs(temp1 - para Data Wall[k, 1]) < 0.001 &&

Math.Abs(temp2 - para Data Wall[k, 2]) < 0.001)

{

break;

}

} //沒找到

if (number == -1)

{

total = total + 1;

i = total - 1;

para Data Wall[i, 0] = temp0;

para Data Wall[i, 1] = temp1;

para Data Wall[i, 2] = temp2;

}

(3)遍歷構(gòu)件角點坐標(biāo)，利用它們的相互關(guān)系進(jìn)行排序。

//為切分板而確定柱的位置

if (((cxmin

{

Acxmin= cxmin;

Acymin=cymin;

Acxmax=cxmax;

Acymax=cymax;

}

(4)按照ANSYS所需要的格式輸出內(nèi)容。

//輸出所有的材質(zhì)信息

for (int k = 1; k <= total; k++)

{

string s = " " + "MP" + "," + "EX" + "," + k + "," + Convert.To String(para Data Wall[k - 1, 0]) + " " + "MP" + "," + "PRXY" + "," + k + "," + Convert.To String(para Data Wall[k - 1, 1]) + " " + "MP" + "," + "Dens" + "," + k + "," + Convert.To String(para Data Wall[k - 1, 2]) + " ";

}

//找到了材質(zhì)的編號，輸出角點坐標(biāo)

if (number >= 0)

{

number = number + 1;

double Wall Start Point1 = Pick.get_Bounding Box(doc.Active View).Min.X;

......；

string wabs = Convert.To String(Wall Start Point1 * 304.8) + ...+...;

}

按上述算法編寫程序并進(jìn)行編譯，按Revit規(guī)定的路徑存放生成的接口類庫文件，啟動Revit，程序自動調(diào)入該庫文件，生成Revit To Ansys菜單以及其中的ANSYS按鈕，如下圖3所示。

圖3　Revit主窗口

3算例分析

針對某建筑模型，將Revit到ANSYS的轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了演示。結(jié)果顯示，本文開發(fā)的接口程序和算法準(zhǔn)確可靠地實現(xiàn)了模型之間的轉(zhuǎn)換。

首先，在Revit程序中點擊Revit To Ansys菜單下ANSYS按鈕，生成APDL命令流文件，如圖4所示。該模型包含梁、板、柱構(gòu)件75個，模型轉(zhuǎn)換在3秒內(nèi)完成，導(dǎo)入ANSYS生成分析模型用時5秒，程序效率高。

圖4　目標(biāo)文件數(shù)據(jù)

將圖4中的目標(biāo)文件按照“柱→梁→板”依次導(dǎo)入到ANSYS中，獲取模型的效果圖(圖5～7)。導(dǎo)入時可以根據(jù)需要選取其中的部分構(gòu)件，這樣就使目標(biāo)文件中的數(shù)據(jù)具有可控性和靈活性。

圖5　某建筑模型“柱”展示效果

圖6　某建筑模型“柱→梁”展示效果

圖8 是上述模型經(jīng)切分后的情況。由圖9可以看出，柱在X、Y方向上分別被主、次梁切分，板在X、Y方向上分別被和它相交的柱切分，柱在Z方向上分別被主、次梁和板切分，主梁在Z方向上分別被次梁和板切分，次梁在Z方向上被板切分。切分后的模型由簡單的六面體構(gòu)成，非常適合ANSYS劃分網(wǎng)格。

圖9、圖10分別是模型網(wǎng)格劃分和結(jié)構(gòu)在重力作用下的變形云圖?？梢钥吹?，整個結(jié)構(gòu)模型劃分的有限元網(wǎng)格非常規(guī)整，質(zhì)量很高。重力作用下結(jié)構(gòu)的位移場保持連續(xù)，在構(gòu)件連接處沒有突變，表明模型轉(zhuǎn)換過程中保持了構(gòu)件之間連接的完整，模型的切分和轉(zhuǎn)換正確。

圖8　某建筑模型構(gòu)件切分細(xì)部展示效果

圖9　某建筑模型網(wǎng)格劃分細(xì)部展示效果

圖10　某建筑變形云圖

4結(jié)論

本文使用C#編程語言與Revit API接口技術(shù)，將Revit結(jié)構(gòu)模型切分成適合ANSYS結(jié)構(gòu)分析的幾何塊體，實現(xiàn)了Revit模型到ANSYS分析模型的轉(zhuǎn)換，給出了詳細(xì)的接口程序設(shè)計流程和算法要點，開發(fā)了實用的模型轉(zhuǎn)換接口程序。算例表明，該程序可以完整地將Revit結(jié)構(gòu)模型的幾何信息及物理信息可靠地傳遞到ANSYS中，能夠保證結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的完整表達(dá)。

所開發(fā)的接口程序，從Revit模型中提取信息到導(dǎo)入ANSYS軟件生成目標(biāo)模型，整個過程無需人工干預(yù)，大大減少在ANSYS中直接建?；ㄙM的時間，在轉(zhuǎn)換效率上有很大的優(yōu)勢，具有很好的實用價值。

Revit模型中存儲了大量信息，通過二次開發(fā)可以分別提取轉(zhuǎn)化為多種格式。本文算法具有通用性，可供其他接口開發(fā)人員參考。

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Research of Model Exchange Interface Between Revit and ANSYS

SONGJie,ZHANGYa-dong,WANGMeng-jin,ZHANGJin-hua,FANJun-yu

(School of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Abstract:The structure of fine numerical analysis under complicated load is an important trend in the research field of engineering structure and anti-explosion. As a powerful structural modeling software, Revit contains a large number of physical and functional characteristics of the building information, which is very necessary towards structural analysis. The general large structural analysis software, such as ANSYS, however, usually does not have the ability to directly obtain the information. It is put forward the technology of model transformation based on Revit and Revit API in this paper. Through the secondary development by using C# language on the platform of visual studio 2012, we obtained the structure analysis data of geometric parameters, elastic modulus, density, Poisson's ratio for the modeling, then extracted and divided them into command stream format of ANSYS APDL. Consequently, it has been realized the direct conversion of Revit structure model to the ANSYS program, reflecting both of the complementary advantages and the conversion of fast and efficient. In the end, grid division is carried out on the basis of model transformation. A project conversion instance is given by. Subsequently, the data parameters are viewed in ANSYS and met the requirements of analysis and calculation. The correctness and practicability of the model conversion program are verified.

Key words：Revit; ANSYS; model transformation; secondary development

中圖分類號：TU375; TP312

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-0985(2016)01-0079-06

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51021001)

作者簡介：宋杰(1988-)，男，甘肅天水人，碩士研究生，研究方向為防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程(Email:songjie2005@126.com)

收稿日期：2015-06-28修回日期： 2015-09-28