BIM模型的公路橋梁結構計算分析規則探索

文/ 江西中鄱工程咨詢有限公司 葉玉花 張東曉

本文針對我國公路橋梁結構分析中應用BIM技術的現狀，深入研究如何在公路橋梁設計建模中運用BIM這一設計人員最為關心的問題，在建模過程中和其他有限元軟件實現數據傳輸、模型正確性檢驗及該軟件在公路橋梁結構計算分析時適用性的問題，為BIM在公路橋梁結構計算分析中提供一定的參考。

目前國內BIM技術在公路橋梁結構設計方面的參與度較低，大部分是脫離的。多數公路橋梁結構工程師認為，當前BIM軟件與傳統結構計算軟件之間的數據交換存在壁壘，BIM技術無法給公路橋梁結構計算帶來便利，因此，仍然傾向于選擇在結構計算軟件中重新建模進行計算分析。

工程背景

某大橋位于江西省境內，其下部結構蓋梁采用變截面形式；雙柱式橋墩采用圓形截面，墩柱間距6m；樁基礎的樁身直徑1.5m，樁長15m，采用對稱布置單排雙柱樁。上部箱梁采用C50混凝土，蓋梁和橋墩采用C40混凝土，其余采用C30混凝土。

BIM軟件與結構分析軟件的互導

圖1 基于BIM的結構設計

圖2 牛腿的應力云圖和變形

圖3 牛腿的應力跡線圖

圖4 某公路橋引橋橋墩應力云圖

目前大部分主流結構計算軟件與BIM軟件都支持的數據格式是.dxf和.ifc文件，但是將這兩個文件相互轉換的過程中發現如下幾個問題：.dxf在軟件圖形識別中是一種通用的文件，可以進行圖形的交換，但在運用BIM進行.dxf文件導入的過程中，也僅僅是導入了結構的幾何圖形，其他信息則會丟失，這就給工程師分析計算帶來巨大的工作量。

.ifc能夠將建筑領域各個專業的設計和管理整合為一個整體。形成此種現象的目的是使建筑行業不同專業之間使用的不同軟件可以共享相同的數據源，最終使得軟件之間信息共享和交互。但是這種文件只存在于每一個軟件中間，其包含的信息仍然不夠完整，使得軟件在調入.ifc文件時信息大量丟失，在結構計算時不能導入所有的信息。

因此，各大軟件商和BIM技術研究人員都是從轉換接口入手解決互導的問題。

Revit與Robot

Autodesk公司為完善BIM系列軟件的功能，于2008年收購法國Robotbat結構分析軟件，整合開發了Autodesk Robot Structural Analysis作為結構分析軟件。Robot Structural Analysis的主要技術特點如下：

與Revit無縫對接。Robot是Autodesk公司自主研發的一種可以和Revit無縫對接的結構計算分析軟件，該軟件能夠避免因為和第三方軟件交互而遇到的不兼容信息丟失等問題，如：結構信息不完整，單元劃分規則不同等。同時，因為二者的信息源可以共享，相關設計人員在設計過程中，能夠方便修改結構等信息，減少大量的設計時間和模型修改時間。

有限元網格自動劃分。Robot還擁有較為強大的網格劃分體系，通過Robot可以手動修改原有的網格，增加發散點，使得網格更加精細化，能夠對各種不同形狀的構件邊緣區域進行網格劃分。通過這一功能，相關設計人員可以更加精確地模擬有限元。

強大的分析功能。Robot還擁有強大的分析功能。Robot除了擁有線性分析功能外，還具有非線性分析功能。包括：塑性鉸分析、單向拉、壓桿和約束分析等。此外，該軟件還具有行業領先的高級快速動態解算器，該功能能夠使設計者們對任何結構進行反應譜分析、時程分析及譜響應分析等。

Revit與Etabs、Sap2000

CSIxRevit數據交換軟件，可以將Revit模型導入到Sap2000和Etabs軟件分析計算，結構的荷載、荷載組合、支座等也可以實現導入。

與導入Robot相比，在導入Etabs和Sap2000軟件時，具有如下特點：將所要進行分析的模型導入后先統計模型的材料特性、板截面、梁截面等信息，然后將Revit模型導入Etabs、Sap2000或更新Revit模型。Etabs具有非常全面的構件類型庫，在導入Revit模型的過程中，軟件會自動識別截面的形式，完成匹配。

Revit與Midas

利用Midas Link for Revit Structure接口程序可以直接在Midas Gen和Revit之間進行模型數據的轉換。接口程序可以直接將Revit模型數據導入到Midas Gen，并且根據Midas Gen中的模型修改，更新Revit模型文件。導入導出通過Midas Gen文本文件（＊.mgt）作為媒介。

Catia

圖5 某公路橋引橋橋墩主應力向量圖

圖6 某公路橋引橋橋墩米塞斯應力圖

圖7 Catia導入Ansys

Catia軟件自身整合有限元計算模塊Generative Structural Analysis。以某大橋的橋墩為例，在Catia中建立好構件模型后，可以直接轉入有限元分析模塊進入受力計算分析。在Static Analysis選項下，指定材料屬性、劃分網格、定義邊界條件后運行計算即可。

Catia和Ansys

Catia軟件擁有強大的空間三維精細化建模功能，特別是對于空間曲線和曲面模型；Ansys是大型通用有限元計算軟件，可實現對結構的整體靜力或動力分析，以及局部精細化計算分析，任意設定工況，并可完成復雜工況組合，結構計算分析功能強大。分別利用這兩個軟件的建模功能和分析功能，在擦條中建立準確的結構模型，通過接口導入Ansys記性受力分析計算，可以高效、準確地進行結構設計。

結語

公路橋梁結構設計過程中最重要的環節是針對結構模型的力學計算和分析，這一環節的計算結果是結構施工圖繪制的主要依據，會產生大量的數據信息。BIM建模軟件與第三方計算分析軟件之間的相互導入問題已經取得了一些突破，軟件開發商不斷開發完善相關的接口軟件，工程設計研究人員也在利用API接口進行二次開發，能夠在一定程度上實現BIM軟件與第三方計算軟件的導入和導出。同任何一種新的理論或技術一樣，BIM技術的發展和成熟需要在實踐中不斷地錘煉、完善。