季鑫宇

（重慶市設(shè)計(jì)院有限公司，重慶市 400015）

0 引言

BIM 技術(shù)提出至今已過去十幾年，首先在建筑行業(yè)得到了大力推廣，并以其可視化、信息化等突出的特點(diǎn)在水運(yùn)工程、公路工程、市政工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域不斷發(fā)展、創(chuàng)新。BIM 技術(shù)是傳統(tǒng)基建行業(yè)與大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)融合的一個重要切入點(diǎn)，因此BIM 技術(shù)在基建領(lǐng)域中的的推廣相當(dāng)必要。

目前，BIM 技術(shù)的應(yīng)用普遍先使用二維CAD 設(shè)計(jì)，然后根據(jù)CAD 圖紙建立BIM 模型，并以此模型進(jìn)行展示、模擬、分析、檢查等應(yīng)用。這種BIM 逆向設(shè)計(jì)的解決方案只是BIM 發(fā)展的一個階段，BIM 技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)該往正向設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。針對市政工程而言，BIM 正向設(shè)計(jì)是在高精度數(shù)字三維地形（dem）環(huán)境中，直接利用BIM 軟件進(jìn)行道路選線、道路平縱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

BIM 技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用存在幾個難點(diǎn)：一是BIM 軟件從歐美引進(jìn)與國內(nèi)規(guī)范結(jié)合不緊密；二是市政道路為帶狀結(jié)構(gòu)體量大，對電腦性能要求高；三是市政道路多含復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化難度大，加之軟件局限性強(qiáng)，從而加大了建模難度[1]。因此，市政工程的BIM 正向設(shè)計(jì)難度很大，其中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算就是難點(diǎn)之一。

1 應(yīng)用路線

目前的設(shè)計(jì)方法中，結(jié)構(gòu)計(jì)算方面通常是根據(jù)CAD 設(shè)計(jì)圖紙單獨(dú)建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算分析。在BIM 正向設(shè)計(jì)方法中，為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高設(shè)計(jì)效率，需要將BIM 模型與結(jié)構(gòu)有限元模型統(tǒng)一起來，保持兩個模型的一致性。

因此，在BIM 正向設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)計(jì)算方面，BIM模型與有限元模型需要具有良好的數(shù)據(jù)交互性?，F(xiàn)主要探討基于Autodesk 平臺的BIM 正向設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)用路線。Robot 與Revit 建模軟件具有良好的數(shù)據(jù)交互性，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向“無縫連接”[2]。該應(yīng)用路線主要利用Revit 軟件在結(jié)構(gòu)板塊中建立結(jié)構(gòu)模型，并且可以同時生成結(jié)構(gòu)分析模型。然后，在該分析模型中建立邊界條件設(shè)置各節(jié)點(diǎn)的連接方式，添加荷載工況，完成一致性檢查后可以直接將該分析模型傳遞到Robot 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中。在Robot 軟件中，可以繼續(xù)對各結(jié)構(gòu)的截面形狀、材料、邊界條件、荷載工況、荷載組合等進(jìn)行調(diào)整修改，完成設(shè)置后可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。該應(yīng)用路線如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)用路線圖示

Robot 進(jìn)行計(jì)算分析后，可以將計(jì)算后的結(jié)果、模型傳遞回Revit，完成BIM 模型更新，并進(jìn)行之后的配筋設(shè)計(jì)等。

2 Robot 與Midas 計(jì)算對比

市政工程中的結(jié)構(gòu)計(jì)算多采用Midas、橋梁博士、ANSYS 等有限元軟件。Robot 軟件在市政工程中應(yīng)用較少，現(xiàn)依托市政工程中常見的連續(xù)彎箱梁結(jié)構(gòu)對比分析Robot 與Midas 的計(jì)算結(jié)果。

2.1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目匝道橋上部結(jié)構(gòu)采用3×30 m 連續(xù)彎箱梁，一期恒載混凝土容重γ=26 kN/m3，橋面鋪裝均布荷載38.2 kN/m,護(hù)欄均布荷載15.0 kN/m，基礎(chǔ)不均勻沉降0.5 cm 計(jì)，整體升溫取12.3℃，整體降溫取-20℃。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

Robot 分析模型直接由Revit 傳遞過來，保證了BIM 模型與有限元模型的一致性。Robot 分析模型繼承了BIM 結(jié)構(gòu)模型的幾何特性；材質(zhì)信息；節(jié)點(diǎn)連接方式、支撐類型等邊界條件；結(jié)構(gòu)自重、二期恒載等荷載工況。該分析模型可以在Robot 軟件中繼續(xù)進(jìn)行修改、調(diào)整，并根據(jù)荷載組合規(guī)范進(jìn)行荷載組合，為分析計(jì)算做準(zhǔn)備。

2.3 分析結(jié)果對比

為了驗(yàn)證Robot 軟件在市政工程結(jié)構(gòu)計(jì)算方面的可行性、適用性，利用Midas 軟件的計(jì)算結(jié)果與Robot 進(jìn)行對比分析。根據(jù)城市橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)[3]并按荷載分項(xiàng)系數(shù)組合[4]計(jì)算，對比結(jié)果如下。

2.3.1 總位移

匝道橋上部結(jié)構(gòu)的總位移DZ對比如圖2 所示。Midas 計(jì)算結(jié)果的總位移DZ為-3.7 cm，最大位移出現(xiàn)在箱梁第一、三跨跨中位置；Robot 計(jì)算結(jié)果的總位移DZ為-3.7 cm，最大位移出現(xiàn)在箱梁第一、三跨跨中位置。由此可見，兩種計(jì)算結(jié)果的總位移基本一致。

圖2 總位移DZ 圖示

2.3.2 My彎矩包絡(luò)圖

該彎箱梁的My彎矩包絡(luò)圖對比結(jié)果如圖3 所示，兩種計(jì)算結(jié)果顯示的包絡(luò)圖形狀基本一致。最大正彎矩都出現(xiàn)在第一、三跨跨中位置，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在第二、三支柱位置處。

圖3 My 彎矩包絡(luò)圖

2.3.3 Fz 剪力包絡(luò)圖

該彎箱梁的Fz剪力包絡(luò)圖對比結(jié)果如圖4 所示，兩種計(jì)算結(jié)果顯示的包絡(luò)圖形狀基本一致。Midas 軟件的Fz計(jì)算結(jié)果最大值為-7 252 kN，Robot 軟件的Fz計(jì)算結(jié)果最大值為-6 579 kN。兩種結(jié)果誤差為9%，結(jié)果相差不大。

圖4 Fz 剪力包絡(luò)圖

通過總位移DZ、My彎矩包絡(luò)圖、Fz剪力包絡(luò)圖的對比，可以驗(yàn)證Robot 計(jì)算結(jié)果的可行性。

3 應(yīng)用總結(jié)與探討

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析在設(shè)計(jì)工作中是十分重要的部分，BIM 正向設(shè)計(jì)需要將BIM 模型與結(jié)構(gòu)有限元模型統(tǒng)一起來，使兩個模型具有一致性、交互性的特點(diǎn)，以達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率、保證計(jì)算準(zhǔn)確的目的。

（1）Robot 與Revit 具有良好的“無縫連接”數(shù)據(jù)交互模塊，Revit 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型可直接傳遞于Robot進(jìn)行計(jì)算，Robot 也可將計(jì)算結(jié)果返回于Revit 中。

（2）Robot 的計(jì)算結(jié)果與Midas 進(jìn)行對比后，驗(yàn)證了Robot 軟件在市政工程常見結(jié)構(gòu)計(jì)算中的可行性。

（3）Robot 軟件來源于國外，其部分內(nèi)容需修改調(diào)整。

（4）Revit 軟件的空間曲面造型能力不足，市政工程中具有復(fù)雜空間曲面的結(jié)構(gòu)在Revit 中無法建立，也就不能與Robot 進(jìn)行交互。該復(fù)雜結(jié)構(gòu)可嘗試直接在Robot 中建立有限元模型或者借助其他有限元軟件進(jìn)行計(jì)算并利用中間模型文件格式進(jìn)行交互。

4 結(jié)語

本文提出了市政工程BIM 正向設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)用路線，通過Revit 建立BIM 模型，從而同時生成Revit 的分析模型，并傳遞到Robot 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。

通過對Robot 與Midas 兩個軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了Robot 軟件在市政工程常見結(jié)構(gòu)計(jì)算中的可行性。

由于市政工程呈帶狀、體量大等特點(diǎn)，BIM 正向設(shè)計(jì)涉及諸多問題，本文僅僅就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算部分提出了探討，以望能夠提供一定的參考價值。