黃熊偉，馮茂云，宋福春

(1.湖南城市學院設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000； 2.沈陽建筑大學交通工程學院，遼寧 沈陽 110168)

BIM在橋梁工程中大多體現(xiàn)在定義上，實際工程的探索案例較為稀缺。橋梁這種大跨度的承載體系其結(jié)構的受力分析尤為重要，而在受力分析中節(jié)點分析又更為關鍵。本文基于BIM無紙化設計和數(shù)字化表達的核心意義，利用軟件的二次開發(fā)，使BIM模型與有限元分析模型能做到信息傳遞。通過有限元軟件的受力分析結(jié)果，對構造做出優(yōu)化微調(diào)同時反饋給BIM模型。在這一過程中，使得設計做到了三維可視化模擬。讓BIM技術滲透并指導橋梁結(jié)構設計階段。

本文采用Autodesk Revit作為工程的BIM建模軟件，Revit是一款具有高度集成建筑模型各構建信息化能力的BIM軟件。它對于處理常規(guī)結(jié)構建筑有著易上手、易操作的族庫參數(shù)化建模功能，對于復雜的異形結(jié)構，可利用其中內(nèi)嵌的Dynamo軟件進行可視化編程的參數(shù)化建模。在二次開發(fā)中，Revit軟件開放了軟件的API函數(shù)代碼，對于所需參數(shù)可精確定位、獲取、控制，所以其開發(fā)的自由度較高。綜上原因使得Revit成為眾多BIM軟件中的選擇。

1 工程概況與BIM模型創(chuàng)建

1.1 工程概況

本研究對象為南北向半穿式連續(xù)鋼桁橋。橋梁邊跨為62m，主跨為100m，全長為224m, 橋面寬30m。橋面設1.5%的雙向橫坡。連接構件為M24高強度鋼螺栓。本橋的荷載設計要求為城-A級，人群荷載設計按3.5kN/m2進行橋梁加載。橋梁的橋門架、橫撐、下平縱聯(lián)為桿系結(jié)構。橋梁主桁部分采取無豎撐的三角形腹桿體系解決方案，主桁節(jié)點采用剛性較大的整體節(jié)點。由于桁架的相互間隔大，所以橋梁的下平聯(lián)部分采取雙X結(jié)構形式與下弦桿節(jié)點處相互連接。通過這種結(jié)構形式來提升橫向抗風能力。同時，這種連接方式也能抵抗弦桿變形所產(chǎn)生的內(nèi)力。

1.2 模型創(chuàng)建方式

在模型創(chuàng)建過程中，分別對橋梁上部結(jié)構橋面系、橋面板、主桁架、連接系和支座5部分進行BIM建模。針對不同截面桿件和梁單元進行族庫的參數(shù)化建模。這種方式便于在對應不同桿件時來獲取不同構件圖元ID(見圖1)。

圖1 利用Revit進行的BIM參數(shù)化建模

2 Revit to ANSYS接口的制作

2.1 模型轉(zhuǎn)換的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段Revit中實現(xiàn)BIM模型與有限元軟件制作接口對接的方式有3種：第1種是利用軟件基于IFC標準對接各有限元軟件，如賴華輝等從導出的IFC格式中提取模型的信息，轉(zhuǎn)變?yōu)榛赬ML格式的通用有限元表達，生成了有限元軟件的結(jié)構模型。第2種是利用軟件的ACIS三維實體表達格式導入有限元軟件進行受力分析。這2種方式均為軟件的模型外部處理方式，其在模型導出、導入過程中易存在模型構件丟失或定義錯誤現(xiàn)象，且在有限元劃分和材質(zhì)定義中處理較為麻煩。第3種是宋杰等實現(xiàn)了ANSYS與Revit軟件的模型參數(shù)相互轉(zhuǎn)換。利用調(diào)動軟件中豐富的API函數(shù)，獲取模型幾何參數(shù)和物理參數(shù)，從而直接賦值為ANSYS APDL命令流。此方法利用BIM模型減輕少了使用ANSYS APDL重新建模的巨大工程量。相比于前兩種方式模型轉(zhuǎn)換效率和精度明顯提高。而且基于ANSYS APDL命令流強大的可操作性，模型的加載與后處理結(jié)果的輸出都十分便捷。

2.2 二次開發(fā)的基本思路

許多有限元分析軟件現(xiàn)階段已在BIM軟件中制作了模型相互傳遞的接口。但這些軟件在做傳遞接口的過程中?；诤暧^工程的實現(xiàn)方法和目的考慮，在結(jié)構模型信息的傳遞過程中對結(jié)構的細節(jié)部分做了許多簡化處理。這樣導致轉(zhuǎn)換后的模型不適合BIM要求模型準確傳遞的基本要求。同時，由于大量簡化處理使得有限元分析模擬與真實情況相比誤差更大。大多數(shù)做轉(zhuǎn)換的接口程序是基于模型導出的IFC格式，其中在轉(zhuǎn)換的過程中包含了大量與所需參數(shù)無關的數(shù)據(jù)，導致了模型的轉(zhuǎn)換效率低下。然而，作為主流的有限元分析軟件ANSYS，它與Revit各自擁有不同的文件存儲方式和數(shù)據(jù)格式，不能直接進行數(shù)據(jù)交換共享。

為此，本文研究出一種能快速從BIM模型中抓取有限元建模所需的各類物理參數(shù)，且能保證BIM模型的各細節(jié)準確轉(zhuǎn)換，對其進行有限元分析。這種解決方案極大方便了后續(xù)分析工作。

主要思路為：利用Revit API函數(shù)的C#進行二次開發(fā)，創(chuàng)建Revit與ANSYS模型的轉(zhuǎn)換接口。基于ANSYS強大的有限元分析功能，并對模型關鍵節(jié)點的構造形式進行優(yōu)化，同時反饋給BIM模型。通過此方法來確定BIM引導結(jié)構正向優(yōu)化設計的可行性。

自從Revit2017起Revit API已得到增強，可以與.NET4.6一起運行。因此，本文使用具有.NET 4.6框架目標的Visual Studio 2015來調(diào)試插件。API函數(shù)調(diào)用查詢庫如圖2所示。

圖2 API函數(shù)調(diào)用字典

根據(jù)Autodesk公司提供的可行性方案，利用RevitAPI.dll與RevitAPIUI.dll這兩個接口組件，其中調(diào)動Revit中API函數(shù)進行接口程序編寫主要編程思路如下。

1)獲取橋梁中構建所關聯(lián)的材質(zhì)參數(shù)，其中包括密度、泊松比和彈性模量，賦值輸出為APDL材質(zhì)定義命令流格式。

2)訪問橋梁BIM模型獲取模型中的幾何參數(shù)，即利用模型在空間的對角點坐標獲取各構建集的截面關鍵點參數(shù)，賦值輸出APDL截面定義命令流格式。

3)獲取各構建交點坐標，在賦值APDL命令流過程中根據(jù)幾何模型編號進行梁單元創(chuàng)建(見圖3)。

圖3 節(jié)點坐標提取的程序片段

表1 模型在最不利荷載組合作用下的主要桿端應力

將程序文件放入指定的接口庫文件，打開Revit，程序?qū)詣幼R別新的類庫文件。選項卡中生成了Revit to Mechanical APDL的啟動按鈕，啟動按鈕生成帶有幾何參數(shù)和材料屬性的Mechanical APDL命令流文件(見圖4)。

圖4 識別插件后的Revit主窗口

3 有限元分析與節(jié)點優(yōu)化

3.1 整體模型的有限元分析

在Mechanical APDL中輸入模型導出的命令流得到整體模型，對有限元模型的節(jié)點進行部分約束釋放，然后添加邊界條件和荷載，得到該半穿式連續(xù)鋼桁架橋的整體應力圖。從應力圖中發(fā)現(xiàn)橋梁在橋跨1/4上弦桿處與跨中板桁結(jié)點處應力變化較大。本文主要對研究1/4上弦桿的結(jié)點處受力情況進行討論，并對此結(jié)點進行優(yōu)化(見圖5)。

圖5 全橋有限元分析

利用ANSYS的后處理功能，查看各桿件的受力情況，從而確定結(jié)點處各桿所受的桿端應力。各桿的位置編號如圖6所示，各桿端應力如表1所示。

圖6 各桿件的平面位置示意

3.2 模型的局部節(jié)點優(yōu)化

在模型的某一局部節(jié)點進行有限元分析時，常規(guī)做法是直接從總體模型中取出小部分受力復雜的區(qū)域，但模型外部的邊界條件與真實情形一般會有差異，這樣易導致計算結(jié)果不準確。對于該實際案例，在有限元建模過程中采用MPC(多點約束)的方法，該方法與常規(guī)建模手段相比，方便了不同單元的連接[7]。利用此方法可解決傳統(tǒng)接觸算法中其他多點約束工具使用上的缺點。本文利用此連接方法進行板殼單元建模，然后對單元端部施加桿端力，使有限元模型更趨于真實情況。所研究節(jié)點處有限元分析如圖7所示。

圖7 所研究節(jié)點處的有限元分析過程

圖7中所圈出位置是由于兩側(cè)弦桿軸向荷載在進入節(jié)點范圍時以直線相對的方式相交，上弦桿軸向荷載的自我平衡導致對豎桿彎壓作用的減少，所以出現(xiàn)此處的應力集中。

傳統(tǒng)的結(jié)構設計主要基于技術要求和設計者經(jīng)驗來完成，從而確保方案的可靠性，但對設計中的結(jié)構布局、尺寸合理、材料選擇及結(jié)構外形等方面考慮較少。隨著科學技術和設計思路的發(fā)展，單純實現(xiàn)設計要求已不滿足現(xiàn)階段的結(jié)構設計，更重要的是對設計結(jié)構進行優(yōu)化和完善。所以對此處集中應力節(jié)點進行優(yōu)化設計，在優(yōu)化問題中常用以下表達式來確定解決問題的核心思想。

X=[x1x2x3…xn]T

F(x)→min或max

hj(X)=0 (j=1,2,…,k)

Gi(X)=0 (j=1,2…,m)

X≥0

式中：X為設計變量；F(X)為目標函數(shù)；hj(X)，Gi(X)及X≥0分別為優(yōu)化問題中應該滿足的條件。

綜合軟件的優(yōu)化處理與實際可行性，對節(jié)點豎桿與上弦桿間的連接形式做出改變。優(yōu)化后的有限元模型如圖8所示。

圖8 節(jié)點優(yōu)化后有限元分析過程

從以上有限元模型的應力分布情況看，應力分布更為合理。這種連接方式對節(jié)點中荷載的傳遞更加有利，而且也防止了弦桿與豎桿位置的集中應力或應力奇異出現(xiàn)。

4 優(yōu)化信息對BIM模型的反饋

4.1 Dynamo的模型精細化處理

本項目在此交角處生成的曲線利用常規(guī)的Revit建模方式無法實現(xiàn)精細化模型處理，Dynamo作為Revit平臺的插件而存在，其本身具有Revit平臺建模的所有基本功能，且與Revit平臺具有良好的互導性。Dynamo中形成Revit模型主要有2種方式：①在Revit中做好族，在Dynamo中通過編輯模型構建規(guī)律放置該族，并通過節(jié)點來完成模型構建；②利用Dynamo內(nèi)部函數(shù)庫直接以可視化建模的方式對模型進行建立，然后利用“Direct Shape. By Geometry”或“Import instance. By Geometry”轉(zhuǎn)換成Revit模型。對于小體量的族可直接使用Dynamo創(chuàng)建實體模型，而對于體量較大項目，一般采用第1種建模方式。

本項目由于建模位置體量較小，所以利用第2種方案使用Revit加Dynamo參數(shù)化平臺實現(xiàn)建模，首先對函數(shù)曲線進行編輯，再利用Direct Shape. By Geometry轉(zhuǎn)換成Revit模型(見圖9)。

圖9 Dynamo軟件操作界面

在Dynamo參數(shù)化平臺中包含了數(shù)學運算中的基本函數(shù)批量的運算節(jié)點，包括三角函數(shù)、基本的加減乘除、總加和、對數(shù)計算、數(shù)據(jù)列表的平均值、返回小于此數(shù)字的第1個整數(shù)、取兩者較大值或兩者較小值等基本數(shù)學運算節(jié)點。

輸入坐標的x值、y值，組合成xy平面上的點，并使用叉積，將點在xy平面布滿。通過函數(shù)將點連接成曲線，并將所構建用x，y，z以函數(shù)表達式來展現(xiàn)出來，將所有點連成曲線然后連成面，形成拋物曲面(見圖10)。

圖10 利用Dynamo的可視化編程的精細化建模

此Dynamo的中心建模思想實際上是將整個建模思路以算法及參數(shù)利用函數(shù)表達式表達出來，驗證了在實體模型的建立中運用函數(shù)表達的可行性，實現(xiàn)了復雜曲線參數(shù)到建模所需參數(shù)的運算與轉(zhuǎn)換。

4.2 設計變更后的模型表達

在對模型進行優(yōu)化修正后，利用Revit自帶的標識數(shù)據(jù)功能，對模型的修改進行解釋說明。并且利用視圖可見性修改，使變更部位一目了然。這樣借助BIM三維模型的表達，使工程項目設計變更變得更加直觀簡潔。同時，可將結(jié)構模型無損交遞，直接進行其他部門的模型整合。優(yōu)化設計后的BIM模型如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后的信息反饋

5 結(jié)語

本文開發(fā)的接口程序?qū)evit結(jié)構模型提取參數(shù)，轉(zhuǎn)換成帶有物理參數(shù)和幾何參數(shù)的ANSYS APDL命令流。對于這一過程，本文給出了詳細的接口程序設計流程。這使得BIM模型的利用率得到提高，有限元建模速率大大提升。通過有限元分析軟件對整體模型的整體分析與局部優(yōu)化后，利用Dynamo的精準繪圖反饋給BIM模型，使得模型在結(jié)構受力上更合理。與利用繁瑣復雜二維圖紙進行設計變更相比，本文全程都是在三維視角下對橋梁BIM模型的優(yōu)化設計，其表達方式更直觀。