陳志為， 吳 焜a， 黃 穎， 黃錳鋼

(1. 廈門大學(xué) a. 建筑與土木工程學(xué)院； b. 廈門市交通基礎(chǔ)設(shè)施智能管養(yǎng)工程技術(shù)研究中心，福建 廈門 361005; 2. 福建船政交通職業(yè)學(xué)院， 福建 福州 350007; 3. 廣聯(lián)達(dá)科技股份有限公司， 北京 100193)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是對設(shè)施物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，可實現(xiàn)設(shè)施信息的知識資源共享，從而為其在全生命周期內(nèi)作出各種決策提供可靠的信息基礎(chǔ)[1]。BIM在歐美等發(fā)達(dá)國家的應(yīng)用已十分普遍，例如英國要求2016年以前實現(xiàn)所有政府工程皆要采用合作式3D BIM。BIM技術(shù)在我國工程實踐的發(fā)展與推廣也十分迅速。在不久的未來，參與建設(shè)的各個締約方或?qū)⒏鼜V泛地采用BIM技術(shù)，不需要圖紙而直接基于模型開展工作，推動工程建設(shè)朝著無紙化方向發(fā)展。為了保障施工建設(shè)期和運營維護(hù)期的結(jié)構(gòu)安全，還需進(jìn)一步拓展建筑模型的結(jié)構(gòu)受力分析功能，那么實現(xiàn)基于已有的BIM模型向結(jié)構(gòu)分析模型的自動轉(zhuǎn)換變得十分必要[2]。目前，BIM模型已在某些結(jié)構(gòu)分析軟件上實現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換接口，但若要對復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)分析，仍需通過商業(yè)有限元軟件重新建模。這樣不僅費時費力，還存在模型查錯困難等問題[3]。基于BIM的復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元精細(xì)建模需要涉及到多類型構(gòu)件的物理信息提取、查詢和信息賦值等工作，工作量大且容易在信息提取、傳遞等環(huán)節(jié)中出錯。通過編寫接口程序，實現(xiàn)BIM模型自動轉(zhuǎn)換生成有限元精細(xì)模型，既可保證不同模型的一致性，還可提高有限元建模效率，具有良好的工程應(yīng)用前景和使用價值。

Revit是建筑業(yè)BIM體系中最廣泛使用的軟件，IFC標(biāo)準(zhǔn)是最被廣泛接受的數(shù)據(jù)交換、共享標(biāo)準(zhǔn)，目前BIM建模軟件實現(xiàn)與結(jié)構(gòu)分析軟件對接多基于IFC標(biāo)準(zhǔn)[4]。有限元分析技術(shù)被廣泛用于建筑/土木結(jié)構(gòu)的受力分析，常用的商業(yè)有限元分析軟件包括ANSYS、ABAQUS、SAP2000、ETABS等。近年來，已有學(xué)者開展了BIM建模軟件與商業(yè)有限元分析軟件的接口程序研究[5～7]，例如鄧雪原等[8]從IFC標(biāo)準(zhǔn)模型中提取信息生成了ETABS和SAP2000結(jié)構(gòu)模型，李艷妮等[9]完成了Revit與SAP2000軟件模型轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)接口，宋杰等[10]實現(xiàn)了Revit與ANSYS軟件的建筑結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化。但是，以上研究或僅針對由矩形構(gòu)件組成的簡單結(jié)構(gòu)，或需引入較多假設(shè)用于簡化結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換的有限元模型難以滿足局部精細(xì)分析的需要[11]。目前，描述IFC模型幾何實體可采用掃略(Sweep)、幾何體素構(gòu)造法(CSG)、以及邊界描述(B-rep)等方式實現(xiàn)，而描述復(fù)雜形體的幾何實體模型則多采用B-rep技術(shù)。一些結(jié)構(gòu)分析軟件(如PKPM軟件)，雖可支持IFC標(biāo)準(zhǔn)格式的模型轉(zhuǎn)換，卻不太適用于基于B-rep表達(dá)方式[12]，這使得自動生成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元精細(xì)模型仍然存在較多困難。

本文以BIM核心建模軟件Revit以及應(yīng)用較廣的有限元分析商用軟件ANSYS為例，開展基于BIM模型的有限元精細(xì)化模型自動生成研究，開發(fā)完成的接口程序可供其他BIM建模軟件自動轉(zhuǎn)換生成有限元模型所借鑒。

1 BIM模型與有限元模型轉(zhuǎn)換框架

基于BIM模型生成有限元模型通常有兩種方式：(1)通過IFC標(biāo)準(zhǔn)格式的中間文件進(jìn)行模型轉(zhuǎn)化，先將BIM模型以IFC格式輸出，再將IFC模型導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析軟件生成有限元分析模型，如圖1a所示；(2)直接提取BIM模型的幾何信息和物理信息，將提取的信息整理成有限元建模的語言格式，進(jìn)而生成有限元模型，如圖1b所示。

圖1 BIM模型轉(zhuǎn)換成有限元模型的不同方式

IFC標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)今國際建筑業(yè)廣泛接受的數(shù)據(jù)交換與共享標(biāo)準(zhǔn)[11]，也是BIM模型與各類應(yīng)用分析軟件信息共享的中間文件格式。對于支持IFC格式的結(jié)構(gòu)分析軟件(如ETABS、SAP2000等)，通過第一種方式實現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換有快捷便利的優(yōu)點，但也存在不少弊端。首先，由于不同有限元軟件采用不同的數(shù)據(jù)庫與顯示平臺[12]，在與IFC 標(biāo)準(zhǔn)對接上存在差異，導(dǎo)致普遍存在模型導(dǎo)入過程中構(gòu)件丟失或定義錯誤的現(xiàn)象[13]；第二，現(xiàn)階段IFC標(biāo)準(zhǔn)主要面向工業(yè)與民用建筑，對于交通基礎(chǔ)設(shè)施(如橋梁)還未形成完整統(tǒng)一的實體定義；第三，許多具有廣泛應(yīng)用的商業(yè)有限元分析軟件不支持IFC標(biāo)準(zhǔn)格式文件，并且通過第一種轉(zhuǎn)換方式得到的有限元模型常滿足不了結(jié)構(gòu)精細(xì)分析的要求。相比之下，第二種模型轉(zhuǎn)換方式更加靈活，它可根據(jù)結(jié)構(gòu)分析軟件建模特點進(jìn)行模型信息的提取和整理，模型轉(zhuǎn)換的針對性強，準(zhǔn)確度高，面向不支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的有限元分析軟件，也能快速獲取BIM模型信息自動生成有限元模型。

本研究采用第二種模型轉(zhuǎn)換方式，以BIM核心建模軟件Revit和廣泛應(yīng)用于科研和工程實踐的有限元分析軟件ANSYS為例，實現(xiàn)了基于BIM模型的建筑結(jié)構(gòu)有限元精細(xì)模型轉(zhuǎn)換。Revit提供應(yīng)用程序編程接口API，允許開發(fā)者使用.NET兼容的語言如C#，C++等來編寫程序[14]。本文采用C#語言在.NET環(huán)境下編寫接口程序。通過Revit API提取Revit模型信息，模型轉(zhuǎn)換的基本框架如圖2所示，主要工作包括：(1)通過訪問BIM模型中結(jié)構(gòu)構(gòu)件對象存儲的屬性，獲取物理信息，如楊氏模量、泊松比、密度等；(2)幾何信息的轉(zhuǎn)換，幾何模型以邊界表達(dá)B-rep描述，并通過SAT數(shù)據(jù)格式表示；(3)幾何模型和物理信息根據(jù)材質(zhì)類別以及幾何模型體編號賦值規(guī)則進(jìn)行自動匹配；(4)將所有的信息轉(zhuǎn)換成目標(biāo)軟件(ANSYS軟件)的參數(shù)化設(shè)計語言格式(APDL語言文件)，最終運行生成結(jié)構(gòu)有限元分析模型。

圖2 模型轉(zhuǎn)換的基本框架

2 模型轉(zhuǎn)換實現(xiàn)過程

2.1 物理信息的提取

Revit建模采用面向?qū)ο蟮木幊淘O(shè)計思想，其中元素類(Element)在Revit中有著舉足輕重的地位，絕大多數(shù)類繼承自元素類。物理信息提取過程中所涉及的類如Material類、PropertySetElement類都繼承自元素類。圖3所示為Revit物理信息提取類的繼承關(guān)系圖。

圖3 類繼承關(guān)系

根據(jù)上述類的繼承關(guān)系結(jié)構(gòu)，提出以下提取物理信息的方法：(1)獲取構(gòu)件圖元ID的集合(ElementIds)，進(jìn)而獲取圖元(Elements)集合，遍歷圖元集合中每個圖元對象，調(diào)用獲取材料的函數(shù)，得到圖元材料ID(MaterialId)屬性；(2)根據(jù)獲取的材料ID屬性，得到含有該屬性的圖元類，并將圖元類轉(zhuǎn)換成材料類(Material)；(3)根據(jù)材料類中結(jié)構(gòu)材質(zhì)屬性ID(StructuralAssetId)獲取構(gòu)件圖元，并將構(gòu)件圖元類轉(zhuǎn)換成屬性集圖元類(PropertySetElement)的實例對象，通過屬性集圖元類的實例對象獲取結(jié)構(gòu)材質(zhì)(StructuralAsset)。結(jié)構(gòu)分析所需物理信息可從StructuralAsset類的屬性中提取，如彈性模量(YoungModulus.X)、泊松比(PoissonRatio.X)、密度(Density)等。提取物理信息的層級關(guān)系如圖4所示。提取得到的彈性模量、泊松比、密度等物理參數(shù)按ANSYS編程語言APDL的語法格式排列，組成字符串對象。通過遍歷整個模型，獲取所有構(gòu)件對象的物理參數(shù)信息。將所有同類型構(gòu)件對象的參數(shù)信息整理成字符串對象，并存儲到一個集合中。遍歷該集合，剔除集合中重復(fù)的物理信息后，輸出集合對象，可提取出整個結(jié)構(gòu)模型所有類型的物理參數(shù)信息。每一組不同的物理信息(彈性模量、泊松比、密度等)都對應(yīng)一個材質(zhì)編號，便可順序生成模型中所有材質(zhì)編號(M=1,2,3,…,n)。

圖4 物理信息的層級關(guān)系

2.2 幾何模型的轉(zhuǎn)換

ANSYS模型的幾何圖素等級由低向高依次為關(guān)鍵點、線、面和體。創(chuàng)建幾何模型可采用自底向上或自頂向下的方法。自底向上建模是先創(chuàng)建最低級的圖素(如關(guān)鍵點)，再通過關(guān)鍵點生成高級圖素(如體、線、面)。自頂向下建模是先創(chuàng)建高級的圖素(如體或面)，并自動生成較低級圖素，通過體或面的組合可得到復(fù)雜的模型[15]。BIM核心建模軟件Revit主要通過三維數(shù)字模型和參數(shù)化關(guān)聯(lián)技術(shù)創(chuàng)建模型，其操作的對象不再是簡單的點、線、面，而是由不同構(gòu)件組成的實體，故Revit的建模更類似于ANSYS自頂向下的建模方式。

實現(xiàn)Revit模型向ANSYS模型的轉(zhuǎn)換可有兩種方式。方式一：提取Revit模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件關(guān)鍵點信息，在ANSYS中通過APDL命令自動生成幾何實體。該方式對于轉(zhuǎn)換規(guī)則形狀構(gòu)件(如矩形、圓柱形等)的幾何模型有較高的工作效率，若幾何構(gòu)件形狀復(fù)雜(如變截面異形構(gòu)件)則不再適用。故本研究擬采用了另一種方法，首先獲取Revit幾何實體，從中提取幾何信息并轉(zhuǎn)換成SAT數(shù)據(jù)格式，然后通過邊界表達(dá)BREP描述ANSYS幾何實體模型。Revit和ANSYS都支持SAT數(shù)據(jù)格式，故可實現(xiàn)幾何實體的信息交換。BREP模型由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何信息兩部分組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述頂點、邊、環(huán)、面、實體之間的關(guān)系，而幾何信息依附拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框架表達(dá)點、曲線和曲面。BREP能較好地表達(dá)復(fù)雜形體結(jié)構(gòu)的幾何模型，且定義的三維模型具有唯一性。輸出幾何模型BREP實體可通過調(diào)用EXPORT函數(shù)完成，調(diào)用該函數(shù)需傳入SAT數(shù)據(jù)格式選項對象、viewids、幾何實體材質(zhì)編號等參數(shù)。其中，幾何實體材質(zhì)編號是用于將不同結(jié)構(gòu)材質(zhì)類型的構(gòu)件分別存儲于不同的集合中的集合編號，viewids是BREP幾何實體輸出對象的視圖ID，SAT數(shù)據(jù)格式選項用于將篩選的視圖對象以SAT格式輸出，對于非目標(biāo)材質(zhì)的幾何對象，通過調(diào)用unhide函數(shù)進(jìn)行隱藏處理。輸出的BREP實體為SAT格式，需要對SAT文件格式進(jìn)行解析，獲取實體類型、實體材質(zhì)等信息，并將其編譯成APDL命令流格式。

2.3 模型幾何信息與物理信息的匹配

Revit模型的物理信息與幾何信息的提取與轉(zhuǎn)換可通過上述步驟分別進(jìn)行，但若要形成完整的結(jié)構(gòu)有限元模型還需針對模型所有構(gòu)件實現(xiàn)兩類信息的匹配。本研究提供的接口程序?qū)崿F(xiàn)了信息自動匹配，其主要步驟包括：(1)賦予自動生成的ANSYS幾何模型每一個構(gòu)件一個唯一的編號，并在Revit模型構(gòu)件和ANSYS模型幾何實體構(gòu)件間添加一一對應(yīng)的關(guān)聯(lián)；(2)根據(jù)Revit模型構(gòu)件的物理參數(shù)不同，賦予構(gòu)件對應(yīng)的材質(zhì)編號，并對同類材質(zhì)構(gòu)件計數(shù)G1,G2,…,Gm(Gm表示屬于第m號材質(zhì)的構(gòu)件數(shù))；3)按照材質(zhì)編號順序，根據(jù)Revit模型和ANSYS模型構(gòu)件的關(guān)聯(lián)性，找出ANSYS模型中具有相同材質(zhì)屬性(即同一材質(zhì)編號)的構(gòu)件，賦予其彈性模量、泊松比、密度等物理信息。

3 算 例

驗證算例采用福建省福州市324國道上的一座大跨預(yù)應(yīng)力混凝土T型剛構(gòu)橋，該橋全長548 m，各跨跨徑分別為58+3×144+58 m。

3.1 大跨橋梁Revit模型的創(chuàng)建

采用Autodesk公司的Revit軟件建立烏龍江大橋的BIM模型。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用箱梁截面，箱梁截面幾何形狀復(fù)雜，不能直接利用軟件已有的系統(tǒng)族，故采用了創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族的方式建模。如圖5a所示，創(chuàng)建箱梁族可通過參數(shù)化設(shè)計定義構(gòu)件幾何輪廓，并根據(jù)箱梁實際準(zhǔn)確模擬頂板、底板的弧度和棱角，箱梁截面沿橋梁縱向采用漸變截面，圖5b是生成的其中一段主跨箱梁模型。考慮到該橋梁模型存在較多復(fù)雜的幾何細(xì)節(jié)，適合用于驗證本文所提出的BIM模型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)有限元精細(xì)模型方法的可行性。

圖5 橋梁箱梁的Revit模型建模

3.2 ANSYS有限元模型的轉(zhuǎn)換

在Revit中運行接口程序，隨即生成模型的APDL文件，圖6所示為生成ANSYS模型的APDL文件的截取片段。有限元模型在ANSYS中按材質(zhì)編號順序依次生成，首先生成材質(zhì)編號為一的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(箱梁構(gòu)件)，然后依次生成材質(zhì)編號二(掛梁構(gòu)件)、材質(zhì)編號三(橋墩構(gòu)件)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，直至生成整個結(jié)構(gòu)模型。如圖7所示，BIM模型構(gòu)件按不同材質(zhì)信息逐類自動提取信息。圖8展示了可按材質(zhì)類型的不同逐項生成構(gòu)件幾何模型，并可自動完成物理信息的匹配。

圖6 APDL命令流文件片段

以下展示模型轉(zhuǎn)換過程中信息匹配完成的核心代碼片段：

(1)輸出BREP實體并整理成APDL格式：_export = "～SATIN," + "input" + "" + "'"+ ",'sat'," + "'" + folder + "'" + ",SOLIDS,0 /NOPR/GO" + " ";

(2) 通過構(gòu)件計數(shù)編號“Gm”以及材質(zhì)編號“input”實現(xiàn)關(guān)聯(lián)：selecomponent="allsel"+" "+"vsel"+","+"s"+","+"volu"+",,"+(Gminus.Count()+1)+","+(Gminus.Count()+1+(Gsum.Count()-(Gminus.Count()+1)))+","+1+" "+"VATT"+","+input+" ";

圖7 自動提取BIM模型不同類構(gòu)件的材質(zhì)信息

圖8 自動生成有限元幾何模型

圖9 全橋模型y向位移云圖

圖10 箱形梁y向應(yīng)力云圖

全橋模型在自重作用下y向的位移云圖如圖9所示，結(jié)構(gòu)位移場保持連續(xù)，變形結(jié)果較為合理?？紤]自重作用的一號箱形梁y向應(yīng)力云圖詳見圖10，由圖可知箱形梁上部翼緣及面板受拉，下部腹板及底板受壓。轉(zhuǎn)換生成的有限元模型能夠較好地反映結(jié)構(gòu)受力特點，可用于準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部細(xì)節(jié)受力特性。

4 結(jié) 論

本文開發(fā)的接口程序可將形體復(fù)雜的Revit模型自動轉(zhuǎn)換生成精細(xì)化的ANSYS有限元分析模型?？筛鶕?jù)構(gòu)件物理信息的不同依次生成ANSYS模型，幾何模型的物理信息賦值自動完成，幾何實體表達(dá)完整無誤。成功地應(yīng)用于烏龍江大橋，自動轉(zhuǎn)換生成的ANSYS模型能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部細(xì)節(jié)受力特性。該方法省去了在有限元軟件中建模的時間，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)參數(shù)的自動匹配，避免了人工查詢信息以及信息賦值操作過程中可能產(chǎn)生的錯誤，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化有限元分析提供可靠的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)橋梁智能安全管理的重要環(huán)節(jié)。