周生建 王維偉 王明偉 聶彥軍 王鑫

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

目前BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要集中在三維建模、碰撞檢查、施工模擬和方案比選等，其在數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、信息共享、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但BIM建模軟件與橋梁有限元分析軟件在依托平臺(tái)、研發(fā)方向等領(lǐng)域存在差異，導(dǎo)致橋梁BIM模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)存在薄弱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)有限元分析在橋梁整體設(shè)計(jì)流程中占有重要的位置，是BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路。

橋梁BIM模型和有限元分析模型在建模時(shí)擁有高度相同的參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，在有限元分析中有效利用BIM構(gòu)件參數(shù)，相關(guān)學(xué)者對(duì)BIM技術(shù)在橋梁有限元分析中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。何祥平、王浩等基于Revit API 和C＃語(yǔ)言提出了一種BIM模型向Midas有限元模型的轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁在有限元建模過(guò)程中結(jié)構(gòu)參數(shù)信息的準(zhǔn)確添加［1］；王文芳、楊剛等基于Revit API和C＃語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)將斜拉橋BIM 模型轉(zhuǎn)換為包含不同單元類型的ANSYS 有限元模型［2］；陳志為、吳焜等基于C語(yǔ)言，編制了BIM軟件Revit和有限元分析軟件ANSYS 間的程序接口，并通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證［3］。賴華輝、鄧雪原等基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM數(shù)據(jù)共享與交換技術(shù)路線，解決了建筑項(xiàng)目過(guò)程中的數(shù)據(jù)交互問(wèn)題［4］；林佳瑞、張建平提出一種IFC標(biāo)準(zhǔn)的綠色性能分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與共享方法，實(shí)現(xiàn)了IFC 向gbXML的自動(dòng)轉(zhuǎn)化，有效降低了信息重復(fù)建模成本［5］；張曉洋、胡振中提出IFC-API 建筑結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換模式，涵蓋從建筑模型到結(jié)構(gòu)分析模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換及多結(jié)構(gòu)分析模型間的聯(lián)合分析對(duì)比［6］。

在這些研究中，關(guān)注較多的是連續(xù)梁橋、斜拉橋和建筑物等結(jié)構(gòu)，而對(duì)國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的簡(jiǎn)支梁橋研究較少。因此，本文重點(diǎn)研究了基于Autodesk Revit的BIM技術(shù)在簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)有限元分析中的應(yīng)用，梳理出橋梁BIM 模型與結(jié)構(gòu)有限元模型的數(shù)據(jù)架構(gòu)及其轉(zhuǎn)換方法，通過(guò)編程工具Dynamo 和Python 腳本進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)BIM 模型和有限元分析模型的數(shù)據(jù)共享，形成一套完整的可視化、數(shù)字化、智慧化解決方案。

1BIM模型和有限元模型的數(shù)據(jù)集成

橋梁BIM模型是以道路中心線為基準(zhǔn)在平面和豎向兩個(gè)維度上進(jìn)行建模，除主體結(jié)構(gòu)外同樣會(huì)建立支座、伸縮縫和欄桿等附屬設(shè)施，從而真實(shí)反映出橋梁各構(gòu)件的尺寸、材料特性和相對(duì)位置關(guān)系。而在橋梁結(jié)構(gòu)的有限元分析模型中，通常將主要受力構(gòu)件簡(jiǎn)化為平面桿系結(jié)構(gòu)，對(duì)計(jì)算模型的截面、單元長(zhǎng)度等參數(shù)數(shù)據(jù)有一定的規(guī)則要求。因此，BIM建模軟件所建立的BIM模型與有限元模型有很大區(qū)別，雖然分析所需的數(shù)據(jù)可在BIM模型中直接提取或根據(jù)參數(shù)的邏輯關(guān)系計(jì)算得到，但這使得BIM+結(jié)構(gòu)有限元分析變得十分困難。

本文結(jié)合橋梁常用有限元分析軟件Midas Civil，利用Revit 構(gòu)件參數(shù)的開(kāi)放性和多樣性特點(diǎn)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的編碼或命名，實(shí)現(xiàn)BIM參數(shù)的有限元化，并通過(guò)Python腳本輸出分析命令流，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在橋梁有限元分析中的正向應(yīng)用。

基于BIM技術(shù)的橋梁有限元分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換架構(gòu)如圖1 所示?；跇蛄河邢拊治鏊璧臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的BIM參數(shù)化構(gòu)件。通過(guò)橋梁布跨信息表，將參數(shù)化構(gòu)件依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行空間布置，建立全橋BIM模型。首先分析全橋模型中主要結(jié)構(gòu)的屬性信息，選擇受力控制的構(gòu)件，讀取截面形狀、材料特性、邊界位置、控制節(jié)點(diǎn)等數(shù)據(jù)。然后通過(guò)Python腳本進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以滿足有限元分析的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)劃分節(jié)點(diǎn)、建立單元和預(yù)應(yīng)力鋼束等工作，完成單梁或梁格有限元模型的創(chuàng)建，將處理后的數(shù)據(jù)輸出為MCT命令流。最后將命令流數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元軟件Midas Civil，進(jìn)行施加荷載和定義施工階段等工作，完成結(jié)構(gòu)有限元分析的前處理階段。結(jié)合有限元分析結(jié)果，將需修正的構(gòu)件信息返回BIM模型，從而實(shí)現(xiàn)BIM+結(jié)構(gòu)有限元分析的集成。

圖1 技術(shù)路線流程Fig.1 Technical route flow chart

2 有限元分析模型的轉(zhuǎn)換方法

綜合考慮BIM模型與有限元模型信息描述的不同以及數(shù)據(jù)映射的差異，本文研究根據(jù)Midas Civil 有限元模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立基本規(guī)則，將BIM模型信息進(jìn)行分別處理，建立具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再根據(jù)相關(guān)聯(lián)的不同實(shí)體屬性，轉(zhuǎn)換為有限元模型對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.1 參數(shù)化構(gòu)件的轉(zhuǎn)換方法

Midas Civil 設(shè)計(jì)截面的輸入方法通常有三種，一是根據(jù)截面尺寸標(biāo)注進(jìn)行手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，適用于各類常規(guī)結(jié)構(gòu)截面；二是將DXF 格式的圖形導(dǎo)入截面特性計(jì)算程序?qū)С鯯EC文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)輸入設(shè)計(jì)參數(shù)和驗(yàn)算扭轉(zhuǎn)厚度、剪切位置等控制數(shù)據(jù)，此種方法需要經(jīng)中間軟件導(dǎo)入、導(dǎo)出數(shù)據(jù)，在BIM 軟件的二次開(kāi)發(fā)中受到限制；三是通過(guò)輸入各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的方式，適用于非常規(guī)結(jié)構(gòu)的自定義截面，雖然同樣需要進(jìn)行截面特性計(jì)算，但是此過(guò)程在Midas Civil中進(jìn)行，無(wú)需經(jīng)過(guò)中間軟件轉(zhuǎn)換，適合進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

建立小箱梁、T 梁等常規(guī)截面的有限元模型時(shí)，可采用方法一的輸入方式。參考有限元軟件對(duì)主梁截面的參數(shù)標(biāo)注如圖2a所示，以相同的規(guī)則建立構(gòu)件截面如圖2b所示。然后通過(guò)Python腳本提取構(gòu)件截面的BIM參數(shù)，轉(zhuǎn)化為具有相同名稱的有限元截面數(shù)據(jù)，直接建立分析截面。

圖2 有限元模型和Revit 模型的常規(guī)截面Fig.2 Finite element models and general sections for revit models

自定義截面需采用方法三的輸入方式建立有限元模型，自定義截面如圖3a 所示。首先提取按照常規(guī)方法建立的主梁BIM 模型，然后在Python腳本中分析得出各控制截面的準(zhǔn)確位置，分別建立豎向平面與控制截面處的主梁相交，獲取控制截面內(nèi)、外輪廓各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。經(jīng)腳本代碼遍歷輪廓節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，分析獲得輪廓左下角節(jié)點(diǎn)作為閉合點(diǎn)，以此閉合點(diǎn)為起始點(diǎn)順時(shí)針重新排列輪廓節(jié)點(diǎn)號(hào)。通過(guò)處理內(nèi)、外輪廓的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，獲得組合截面的寬度、高度等主要設(shè)計(jì)值及驗(yàn)算扭轉(zhuǎn)厚度等參數(shù)，完成自定義截面的有限元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后截面如圖3b 所示。在分析處理同一截面的內(nèi)、外輪廓節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，以及相鄰截面的輪廓節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，需要選取同一相對(duì)位置的閉合點(diǎn)，并按相同的循環(huán)順序重新排列，否則無(wú)法建立自定義截面的有限元構(gòu)件模型，轉(zhuǎn)換流程如圖4 所示。

圖3 有限元模型和Revit 模型的自定義截面Fig.3 Custom sections for finite element models and revit models

圖4 自定義截面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程Fig.4 Data conversion process for custom sections

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼束模型的轉(zhuǎn)換方法

鋼束是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的主要構(gòu)件，為滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力需求一般采用三維曲線的樣式。在轉(zhuǎn)換預(yù)應(yīng)力鋼束B(niǎo)IM 模型數(shù)據(jù)時(shí)，可以將鋼束平彎和豎彎曲線導(dǎo)出為DXF 文件，然后導(dǎo)入鋼束形狀生成器中生成其布置形狀的MCT命令流，此種方法同樣需要中間軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在快速建立鋼束有限元模型時(shí)存在局限性。

提取預(yù)應(yīng)力鋼束B(niǎo)IM 模型后，將其投影至XZ平面獲取豎向平面線形，依次讀取直線和圓弧的長(zhǎng)度半徑、端點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù)，經(jīng)Python腳本分析得出圓弧對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)坐標(biāo)，整理出有限元數(shù)據(jù)格式的豎彎參數(shù)表；用同樣的方法取得鋼束的平彎參數(shù)表。最后輸出立面、平面兩個(gè)維度的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和圓曲線半徑等鋼束豎彎、平彎參數(shù)表，結(jié)合提取的支點(diǎn)位置和束數(shù)等參數(shù)施加于相應(yīng)梁?jiǎn)卧?，轉(zhuǎn)換流程如圖5 所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼束的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程Fig.5 Data conversion process for prestressed tendons

2.3 主梁模型的轉(zhuǎn)換方法

直線段橋梁有限元分析時(shí)通常采用單梁結(jié)合橫向分布系數(shù)的方法。在全橋模型中選取受力控制的主梁，通過(guò)Python 腳本代碼獲取其支撐段、過(guò)渡段和跨中段的長(zhǎng)度信息，作為主梁有限元分析的控制節(jié)點(diǎn)?；诹憾硕它c(diǎn)及控制節(jié)點(diǎn)，獲取分段長(zhǎng)度并進(jìn)行等數(shù)量均分，創(chuàng)建梁?jiǎn)卧Ｐ偷墓?jié)點(diǎn)序列，然后核算各節(jié)點(diǎn)相鄰間距能否滿足有限元分析模型對(duì)主梁分段長(zhǎng)度的精度需求。將此前分析獲得的截面數(shù)據(jù)，與提取的材料類型一起賦予各節(jié)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建梁?jiǎn)卧Ｐ?，根?jù)過(guò)渡段長(zhǎng)度及位置信息建立變截面組。通過(guò)進(jìn)一步分析預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)據(jù)，完善模型的預(yù)應(yīng)力鋼束和邊界條件等信息，完成主梁有限元模型的創(chuàng)建。

曲線段橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)通常采用梁格法，較單梁法具有更高的計(jì)算精度。與創(chuàng)建單片主梁有限元模型相比，梁格模型需增加兩側(cè)邊梁，同時(shí)還需設(shè)置實(shí)體橫梁和虛擬橫梁。在全橋BIM模型中同時(shí)選取左邊梁、中梁和右邊梁圖元，通過(guò)Python腳本代碼調(diào)取空間布梁階段的主梁橫向間距等參數(shù)，按照相同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，分別建立中梁和兩側(cè)邊梁的有限元模型。對(duì)主梁模型的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理后，依次創(chuàng)建端橫梁、中橫梁和虛擬橫梁?jiǎn)卧?，完成梁格法分析模型的?chuàng)建，轉(zhuǎn)換流程如圖6 所示。

圖6 主梁模型的轉(zhuǎn)換流程Fig.6 Main beam model conversion process

2.4 下部結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)換方法

通常情況下橋梁下部結(jié)構(gòu)的類型較為統(tǒng)一，可選取構(gòu)造尺寸極值或代表值的橋墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析。創(chuàng)建橋墩蓋梁的BIM模型構(gòu)件時(shí)，一般將橫向的倒梯形截面按順向長(zhǎng)度進(jìn)行拉伸，而有限元模型是將順向的矩形截面按橫向尺寸進(jìn)行拉伸或融合，同時(shí)需要建立變截面模型。兩種模型的創(chuàng)建方式不同，這就要求在定義蓋梁BIM參數(shù)化輪廓時(shí)，需要將倒梯形各節(jié)點(diǎn)的參數(shù)與有限元矩形截面的橫向控制間距相關(guān)聯(lián)。雙柱式橋墩的外形變化多集中于墩柱間距和樁基構(gòu)造高度，這兩項(xiàng)主要參數(shù)均可在橋墩BIM中直接提取。

獲取橋墩BIM模型的各項(xiàng)參數(shù)后，將蓋梁控制截面、墩柱頂、支座中心位置等數(shù)據(jù)與有限元建模規(guī)則相結(jié)合，對(duì)蓋梁進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分，進(jìn)一步建立蓋梁的梁?jiǎn)卧Ｐ图捌渥兘孛娼M。疊加三維地質(zhì)模型后可獲取樁基在各土層內(nèi)的分布長(zhǎng)度，按照有限元的分析精度對(duì)分段長(zhǎng)度再次劃分，創(chuàng)建樁基梁?jiǎn)卧Ｐ?。通過(guò)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的埋置深度，結(jié)合地質(zhì)模型中土層抗力系數(shù)的比例系數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出樁身土側(cè)向剛度，然后增加樁基彈性連接的邊界條件，完成樁基有限元模型的建立。

橋梁結(jié)構(gòu)的有限元分析還包括施加靜力荷載、移動(dòng)荷載、溫度荷載和劃分施工階段等信息，基于Revit創(chuàng)建的橋梁BIM 模型中該部分主要信息的組織結(jié)構(gòu)與有限元模型差異較大，需在專業(yè)計(jì)算軟件中單獨(dú)處理。

3 工程案例

以某跨海大橋工程為例，主橋上部結(jié)構(gòu)采用48 跨30m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，中間布設(shè)5 片預(yù)制小箱梁，兩側(cè)各布設(shè)1 片預(yù)制管廊梁，下部結(jié)構(gòu)采用大懸臂雙柱式橋墩。

3.1 橋梁BIM參數(shù)化模型

基于有限元分析的數(shù)據(jù)格式和構(gòu)件參數(shù)化需求，建立預(yù)制小箱梁、預(yù)制管廊和橋墩的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。通過(guò)Python腳本讀取道路路線的直曲表（包含緩和曲線）和豎曲表創(chuàng)建三維曲線，依據(jù)道路縱橫坡、橋梁跨徑組合、箱梁橫向間距等基本信息完成空間布梁和橋墩放置，并依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則自動(dòng)修正各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全橋主要結(jié)構(gòu)的BIM建模工作，全橋BIM模型如圖7 所示。

圖7 全橋主要結(jié)構(gòu)參數(shù)化BIM 模型Fig.7 Parametric BIM model of the main structure of the full bridge

3.2 上部結(jié)構(gòu)有限元模型

全橋共設(shè)240 片小箱梁，其中35 片位于曲線段，通過(guò)Python腳本可獲取全部小箱梁的梁長(zhǎng)數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)處理后可返回最大、最小梁長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的小箱梁圖元ID，經(jīng)ID 查詢定位其在全橋BIM模型中的具體位置。選擇需要進(jìn)行有限元分析的小箱梁，即可取得控制截面參數(shù)、梁長(zhǎng)、材料類型等主要參數(shù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后創(chuàng)建單梁法和梁格法有限元分析模型。

預(yù)制管廊是綜合管廊與箱梁設(shè)計(jì)理念相結(jié)合的一種非常規(guī)結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)輸入節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的方式建立自定義截面，然后對(duì)預(yù)制管廊獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，直接創(chuàng)建梁?jiǎn)卧獥U系模型，轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖8 和圖9 所示。可通過(guò)Midas Civil 與Midas FEA NX之間的數(shù)據(jù)傳遞，將桿系模型轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型，進(jìn)一步對(duì)預(yù)制管廊進(jìn)行實(shí)體單元的有限元分析。

圖8 預(yù)制小箱梁（梁格）模型的轉(zhuǎn)換Fig.8 Conversion of prefabricated small box girder（girder grid）model

圖9 預(yù)制管廊（單梁）模型的轉(zhuǎn)換Fig.9 Conversion of prefabricated pipe gallery（single beam）model

3.3 下部結(jié)構(gòu)有限元模型

主橋橋墩采用雙柱式大懸臂形式，獲取蓋梁、墩柱和樁基的控制截面、關(guān)聯(lián)點(diǎn)等數(shù)據(jù)，建立橋墩有限元模型。后期研發(fā)可疊加三維地質(zhì)模型，獲取樁基在各土層內(nèi)的分布長(zhǎng)度，按照有限元的分析精度對(duì)分段長(zhǎng)度再次劃分，建立樁基精細(xì)化分析模型，如圖10 所示。通過(guò)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的埋置深度，結(jié)合地質(zhì)模型中土層抗力系數(shù)的比例系數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出樁身土側(cè)向剛度，然后增加樁基彈性連接的邊界條件，完善樁基有限元模型的建立。

圖10 橋墩模型的轉(zhuǎn)換Fig.10 Conversion of bridge pier models

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前BIM技術(shù)在橋梁領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)正向設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)據(jù)交換困難的問(wèn)題，通過(guò)基于Revit 和Midas Civil的橋梁結(jié)構(gòu)模型，梳理兩者對(duì)于結(jié)構(gòu)分析信息的描述方式，建立了相關(guān)屬性與參數(shù)的映射關(guān)系。提出了BIM模型向有限元模型的快速轉(zhuǎn)換方法，其主要流程為基于Revit 可視化編程工具Dynamo的二次開(kāi)發(fā)，首先分析全橋模型中主要結(jié)構(gòu)的屬性信息，再選擇受力控制的構(gòu)件并將其BIM參數(shù)轉(zhuǎn)換為有限元分析所需的數(shù)據(jù)，輸出為Midas Civil能讀取的命令流，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)創(chuàng)建橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)有限元模型。最后，通過(guò)工程實(shí)例對(duì)提出的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)BIM模型向有限元分析模型的快速轉(zhuǎn)換，提高工作效率，推動(dòng)BIM技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的正向應(yīng)用。此外，針對(duì)橋梁設(shè)計(jì)人員，可視化編程工具Dynamo 和解釋性語(yǔ)言Python腳本相對(duì)被容易掌握，可以依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則或施工流程進(jìn)行分階段、分工況的自我開(kāi)發(fā)使用，本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的技術(shù)路線應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。