何祥平 王 浩 張一鳴 王飛球 茅建校 謝以順,

(1東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室，南京 211189)(2中鐵二十四局集團江蘇工程有限公司，南京 210038)

近年來，橋梁結構正朝著大型化、規(guī)模化、復雜化方向不斷發(fā)展，橋梁設計階段建模工作難度日益增大.傳統(tǒng)手動建模方式存在效率低下、信息傳遞錯誤率高等問題，難以滿足橋梁結構安全分析需求.建筑信息模型(BIM)技術的出現(xiàn)為解決上述問題提供了技術支撐[1]，利用其可視化、協(xié)調(diào)性和參數(shù)化等優(yōu)點，可將有限元分析所需參數(shù)信息存儲于BIM模型中，通過數(shù)據(jù)傳遞實現(xiàn)基于BIM模型的有限元快速建模及橋梁結構有限元分析[2].

通過對BIM模型的二次開發(fā)提取結構分析所需的結構建模信息，并傳遞至有限元分析軟件，是實現(xiàn)BIM模型向有限元模型轉換的有效手段[3-4].文獻[5]通過開發(fā)Rhino參數(shù)化插件Grasshopper，編寫了截面信息提取和命令流生成模塊，實現(xiàn)了Rhino軟件到Midas/Civil軟件間的模型轉換.文獻[6]基于Revit API接口和C#語言，開發(fā)了Revit與ANSYS的交互程序，實現(xiàn)了BIM模型向有限元模型的自動轉換.文獻[7]利用可視化編程工具Dynamo，基于Python Script節(jié)點編寫了功能腳本，實現(xiàn)了從BIM模型到Midas/Civil模型的轉換.BIM模型向有限元模型的信息傳遞也由最初僅能夠傳遞橋梁截面信息，豐富到橋梁截面特性、材料、荷載、邊界條件等信息.文獻[8]通過二次開發(fā)提取了Revit橋梁模型中的幾何參數(shù)、彈性模量等基本信息，實現(xiàn)了Revit與MIDAS/CIVIL間的模型轉換，但未包含預應力束、施工節(jié)段劃分等信息的傳遞.由于軟件的數(shù)據(jù)格式、編碼標準等不同，由BIM模型向有限元模型轉換仍存在傳遞信息有限、不同平臺交互性差等問題，有待進一步拓展BIM軟件在結構分析領域中的應用.

為進一步研究BIM技術在橋梁結構分析領域中的應用價值，本文提出了一種基于二次開發(fā)的BIM模型向有限元模型轉換方法，設計并開發(fā)了一種模型轉換程序.以某連續(xù)梁橋為對象，分析并驗證了模型轉換方法的可行性與轉換程序的有效性.

1 Revit-Midas/Civil模型轉換方法

BIM技術具有信息集成特性[9-10]，在進行三維建模時以模型為載體，存儲構件節(jié)點、單元、關鍵截面參數(shù)、預應力鋼束、材料、施工階段劃分信息等數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)不同結構模型間的信息傳遞.目前， BIM模型與結構分析模型間的轉換方法主要有2種：① 通過IFC標準格式的中間文件進行模型轉換，即先將BIM模型以IFC格式輸出，再將IFC格式文件導入結構分析軟件，生成有限元模型；② 通過二次開發(fā)程序接口，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結構分析軟件中的語言格式，進而生成有限元模型.

Midas/Civil雖然可通過導入MCT文件生成有限元模型，但無法提供IFC標準的支持，因此第1種方法不適用于Revit與Midas/Civil間的模型轉換.若能通過二次開發(fā)提取BIM模型中的構件屬性信息并以MCT格式導出，即可實現(xiàn)BIM模型向有限元模型的直接轉換.鑒于此，本文提出了一種Revit-Midas/Civil模型轉換方法(見圖1).轉換步驟具體如下：

圖1 Revit-Midas/Civil模型轉換方法

① 模型處理.將BIM模型劃分為多個施工節(jié)段，以便程序獲取各節(jié)段的箱梁數(shù)量、節(jié)段長度、位置坐標等關鍵信息.支座節(jié)點根據(jù)橋墩模型信息、上部零號塊、邊跨現(xiàn)澆塊的模型信息來定位模擬.

② 關鍵截面參數(shù)的傳遞.梁單元的截面參數(shù)從梁BIM模型中提取，主要包括箱梁高度、頂?shù)装鍖挾?、腹板寬度、倒角尺寸、翼緣板厚度、翼緣板寬度等幾何信?

③ 材料參數(shù)的傳遞.有限元分析軟件所需的材料信息可在建立BIM模型時添加物理、力學參數(shù)信息，便于程序識別獲取.

④ 預應力鋼束信息的傳遞.預應力鋼束信息處理是BIM模型向有限元模型轉換的關鍵.以EDFBTools設計工具箱為媒介，在預應力孔道的BIM模型中添加適用于MCT格式的預應力鋼束信息，采用C#語言直接編寫入MCT文件中.

⑤ 施工階段劃分信息的傳遞.連續(xù)梁橋結構分析涉及臨時固結、最大懸臂、合龍等施工狀態(tài).以此為依據(jù)，在BIM模型中設置相應的載荷和邊界條件，使得生成的有限元模型可直接用于計算分析.

⑥ MCT文件生成.編寫MCT文件并導入Midas/Civil軟件，即可自動建立橋梁結構有限元模型，檢查無誤后進行分析計算.

2 模型轉換程序開發(fā)

2.1 開發(fā)工具

Revit軟件除具有強大的參數(shù)化三維建模功能外，其應用程序編程接口(API)為將擴展功能的應用程序集成到整個軟件平臺提供了極大方便，無需訪問內(nèi)部源碼或理解內(nèi)部工作機制[11-12].基于Revit API.dll和Revit APIUI.dll程序集，可以深入訪問Revit底層數(shù)據(jù)庫，獲取模型的幾何及非幾何信息，借助UI功能拓展，方便點選模型構件，提升人機交互界面功能.數(shù)據(jù)庫訪問精準，人機交互界面靈活，有利于軟件功能的拓展，從而實現(xiàn)與結構計算軟件的交互訪問[13-14].

以Revit 2017為BIM建模平臺，利用Revit API進行二次開發(fā)，采用擴展應用的方式開發(fā)模型轉換程序，并選擇Visual Studio 2017為編程軟件，C#為編程語言，以適應二次開發(fā)時基于.NET Framework 4.5及以上編程環(huán)境的編譯和調(diào)試需求.

2.2 開發(fā)流程

Revit中的模型信息主要包括幾何尺寸、截面特性、材料特性、邊界條件等，而利用Midas/Civil進行結構分析時包含荷載工況、構件兩端約束、邊界條件等.Revit與Midas/Civil中的模型信息對比見表1.

表1 Revit與Midas/Civil中的模型信息對比

由表1可知，可獲取的信息與編寫MCT格式文件所需的數(shù)據(jù)吻合.因此，可利用Revit API二次開發(fā)技術進行數(shù)據(jù)的提取轉存，進而實現(xiàn)Revit與Midas/Civil之間的模型轉換.模型轉換程序開發(fā)流程見圖2.程序主要設計功能包括節(jié)段劃分、信息獲取、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)編寫、文件編寫等.主要步驟如下：

圖2 模型轉換程序開發(fā)流程

① 完成代碼編寫并進行編譯，生成解決方案；

② 編譯成功后生成.dll文件并進行程序調(diào)試；

③ 調(diào)試成功后，啟動Revit程序，跟蹤程序執(zhí)行過程，驗證程序功能.

2.3 模型轉換程序

基于二次開發(fā)編寫的模型轉換程序Revit to Midas/Civil(RTM)可集成到Revit軟件界面(見圖3).

圖3 RTM程序界面

RTM程序?qū)υ捒蚩深A設表格，以校核橋梁截面提取的信息，避免因錯選、漏選橋梁結構BIM模型導致信息缺失.通過點擊“選擇連續(xù)梁”按鈕，即可框選連續(xù)梁橋模型.被框選的連續(xù)梁橋模型節(jié)段截面參數(shù)將出現(xiàn)于對話框預設表格，如果截面參數(shù)無誤，則點擊“導出連續(xù)梁數(shù)據(jù)”，以自動提取并保存連續(xù)梁橋的節(jié)點、單元、截面信息、材料等信息為MCT格式；如果錯選、漏選，則點擊“清空數(shù)據(jù)”重新選擇(見圖4).數(shù)據(jù)將以MCT格式文件保存，并可被Midas/Civil讀取，在讀取前可檢查節(jié)點、單元、材料等保存的文件.

圖4 Revit模型數(shù)據(jù)讀取與存儲

將由RTM程序生成的MCT格式文件導入Midas/Civil后，即可生成如圖5所示的橋梁有限元模型.由于僅提取了連續(xù)梁橋BIM模型中節(jié)點、單元、材料、預應力鋼束及施工節(jié)段劃分信息，對于連續(xù)梁橋BIM模型未包含的荷載、邊界條件、收縮徐變信息，則需要在生成的有限元模型上進一步添加.

圖5 連續(xù)梁橋有限元模型

3 模型轉換方法驗證

為分析所提模型轉換方法的可行性并驗證模型轉換程序的有效性，以連云港至徐州高速鐵路中某連續(xù)梁為例開展應用研究.該橋為單箱單室預應力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑布置為(40+72+40)m，具有直腹板、變截面、變高度的結構特點(見圖6).該橋的Revit模型見圖7.

圖6 某大跨度連續(xù)梁橋(單位：m)

圖7 連續(xù)梁橋Revit模型

3.1 模型轉換參數(shù)

將通過RTM程序生成的MCT文件導入Midas/Civil中，即可生成連續(xù)梁有限元模型，進一步檢驗并補充相關參數(shù)后即可提交計算.相關參數(shù)具體如下：

1) 單元類型.該橋為三跨預應力混凝土連續(xù)梁橋，有限元分析采用Midas/Civil變截面梁單元.

2) 材料參數(shù)及預應力鋼束信息.主梁梁體采用C50混凝土，根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》(TB 10092—2017)[15]，其設計參數(shù)見表2.預應力鋼束主要包括頂板束、腹板束、底板束和合龍束，均采用標準強度fpk=1 860 MPa鋼絞線.錨口及喇叭口損失按錨外控制應力的6%計算，孔道摩阻系數(shù)為0.23，孔道偏差系數(shù)為2.5×10-3.松弛損失、收縮徐變及其他各項損失均按規(guī)范[15]取值.

表2 材料參數(shù)

3) 荷載參數(shù).恒載按實際結構計算，同時考慮腹板變寬及底板變厚.橫梁和預應力錨塊自重按均布荷載施加，將掛籃荷載模擬為作用于梁單元的集中力和力矩，混凝土濕重按集中荷載考慮，取1.1倍的混凝土自重.混凝土收縮徐變按野外一般條件計算，相對濕度取70%，相鄰兩支點的基礎不均勻沉降Δ=0.015 m.根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》(TB 10092—2017)[15]，設計合龍溫度為16～20 ℃，均勻溫差按升降溫20 ℃計算，日照溫差按頂板升溫8 ℃計算.

4) 邊界條件.連續(xù)梁橋采用平衡懸臂施工法，施工過程涉及到體系轉換，故邊界條件隨著施工階段而改變，主要包括墩梁固結、支架現(xiàn)澆、最大懸臂、全橋合龍狀態(tài)等.

5) 施工階段劃分.根據(jù)實際施工方法和順序，將連續(xù)梁橋施工劃分為0#段施工、掛籃安裝、懸臂段施工、合龍等施工階段，均按7 d施工周期模擬.懸臂段施工過程包括鋼筋綁扎、內(nèi)模安裝、混凝土澆筑養(yǎng)護、掛籃前移等.該橋沒有邊跨合龍段，故在邊跨現(xiàn)澆段增加了壓重鐵砂混凝土.

3.2 應力分析

對基于BIM模型生成的連續(xù)梁有限元模型進行最大懸臂狀態(tài)與全橋合龍狀態(tài)的施工階段應力分析，所得橋梁頂板與底板應力分布見圖7和圖8，應力分析結果見表3.

(a) 梁頂板

(a) 梁頂板

表3 應力分析結果

由表3可知，最大懸臂與全橋合龍狀態(tài)時，箱梁最大壓應力均小于C50混凝土容許壓應力16.8 MPa[15]，且與僅采用Midas/Civil手動建模的應力分析結果保持一致，說明由BIM模型轉換的橋梁結構有限元模型可用于應力分析且結果合理，從而驗證了Revit-Midas/Civil模型轉換方法的可行性與模型轉換程序的有效性.

4 結論

1) 本文提出了一種Revit與Midas/Civil間的模型轉換方法，即通過訪問BIM模型中結構構件對象存儲的屬性信息，獲取橋梁結構分析所需的有限元建模參數(shù)，并將其轉換成Midas/Civil軟件的語言格式，實現(xiàn)結構分析相關信息的準確添加.

2) 基于二次開發(fā)，編寫了模型轉換程序RTM并集成于Revit軟件中.通過在某連續(xù)梁橋上的應用，驗證了模型轉換方法的可行性與模型轉換程序的有效性，由BIM模型直接轉換成結構分析模型的方法提高了橋梁結構有限元分析的建模效率，彌補了BIM技術在橋梁結構分析方面的不足.

3) 后續(xù)將進一步完善模型轉換過程中荷載參數(shù)、邊界條件、收縮徐變等數(shù)據(jù)信息的獲取與傳遞方法，開發(fā)更高效全面的BIM～FEM模型轉換程序，為解決橋梁工程設計階段的信息斷層、重復性工作等問題提供參考.