橋梁BIM與有限元軟件二次開發接口制作及其應用*

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構的受力分析尤為重要，而在受力分析中節點分析又更為關鍵。本文基于BIM無紙化設計和數字化表達的核心意義，利用軟件的二次開發，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果，對構造做出優化微調同時反饋給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。它對于處理常規結構建筑有著易上手、易操作的族庫參數化建模功能，對于復雜的異形結構，可利用其中內嵌的Dynamo軟件進行可視化編程的參數化建模。在二次開發中，Revit軟件開放了軟件的API函數代碼，對于所需參數可精確定位、獲取、控制，所以其開發的自由度較高。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模型創建

1.1 工程概況

本研究對象為南北向半穿式連續鋼桁橋。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、下平縱聯為桿系結構。橋梁主桁部分采取無豎撐的三角形腹桿體系解決方案，主桁節點采用剛性較大的整體節點。由于桁架的相互間隔大，所以橋梁的下平聯部分采取雙X結構形式與下弦桿節點處相互連接。通過這種結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生的內力。

1.2 模型創建方式

在模型創建過程中，分別對橋梁上部結構橋面系、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參數化建模

2 Revit to ANSYS接口的制作

2.1 模型轉換的研究現狀

現階段Revit中實現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，轉變為基于XML格式的通用有限元表達，生成了有限元軟件的結構模型。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象，且在有限元劃分和材質定義中處理較為麻煩。第3種是宋杰等實現了ANSYS與Revit軟件的模型參數相互轉換。利用調動軟件中豐富的API函數，獲取模型幾何參數和物理參數，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果的輸出都十分便捷。

2.2 二次開發的基本思路

許多有限元分析軟件現階段已在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常基于宏觀工程的實現方法和目的考慮，在結構模型信息的傳遞過程中對結構的細節部分做了許多簡化處理。這樣導致轉換后的模型不適合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。大多數做轉換的接口程序是基于模型導出的IFC格式，其中在轉換的過程中包含了大量與所需參數無關的數據，導致了模型的轉換效率低下。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據格式，不能直接進行數據交換共享。

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，且能保證BIM模型的各細節準確轉換，對其進行有限元分析。這種解決方案極大方便了后續分析工作。

主要思路為：利用Revit API函數的C#進行二次開發，創建Revit與ANSYS模型的轉換接口?；贏NSYS強大的有限元分析功能，并對模型關鍵節點的構造形式進行優化，同時反饋給BIM模型。通過此方法來確定BIM引導結構正向優化設計的可行性。

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來調試插件。API函數調用查詢庫如圖2所示。

圖2 API函數調用字典

根據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，其中調動Revit中API函數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的材質參數，其中包括密度、泊松比和彈性模量，賦值輸出為APDL材質定義命令流格式。

2)訪問橋梁BIM模型獲取模型中的幾何參數，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，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命令流過程中根據幾何模型編號進行梁單元創建(見圖3)。

圖3 節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，程序將會自動識別新的類庫文件。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 有限元分析與節點優化

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，得到該半穿式連續鋼桁架橋的整體應力圖。從應力圖中發現橋梁在橋跨1/4上弦桿處與跨中板桁結點處應力變化較大。本文主要對研究1/4上弦桿的結點處受力情況進行討論，并對此結點進行優化(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 模型的局部節點優化

在模型的某一局部節點進行有限元分析時，常規做法是直接從總體模型中取出小部分受力復雜的區域，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。所研究節點處有限元分析如圖7所示。

圖7 所研究節點處的有限元分析過程

圖7中所圈出位置是由于兩側弦桿軸向荷載在進入節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，所以出現此處的應力集中。

傳統的結構設計主要基于技術要求和設計者經驗來完成，從而確保方案的可靠性，但對設計中的結構布局、尺寸合理、材料選擇及結構外形等方面考慮較少。隨著科學技術和設計思路的發展，單純實現設計要求已不滿足現階段的結構設計，更重要的是對設計結構進行優化和完善。所以對此處集中應力節點進行優化設計，在優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；hj(X)，Gi(X)及X≥0分別為優化問題中應該滿足的條件。

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

圖8 節點優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。

4 優化信息對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的Revit建模方式無法實現精細化模型處理，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律放置該族，并通過節點來完成模型構建；②利用Dynamo內部函數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”轉換成Revit模型。對于小體量的族可直接使用Dynamo創建實體模型，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參數化平臺實現建模，首先對函數曲線進行編輯，再利用Direct Shape. By Geometry轉換成Revit模型(見圖9)。

圖9 Dynamo軟件操作界面

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

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。通過函數將點連接成曲線，并將所構建用x，y，z以函數表達式來展現出來，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利用函數表達式表達出來，驗證了在實體模型的建立中運用函數表達的可行性，實現了復雜曲線參數到建模所需參數的運算與轉換。

4.2 設計變更后的模型表達

在對模型進行優化修正后，利用Revit自帶的標識數據功能，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，可將結構模型無損交遞，直接進行其他部門的模型整合。優化設計后的BIM模型如圖11所示。

圖11 優化后的信息反饋

5 結語

本文開發的接口程序將Revit結構模型提取參數，轉換成帶有物理參數和幾何參數的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化后，利用Dynamo的精準繪圖反饋給BIM模型，使得模型在結構受力上更合理。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模型的優化設計，其表達方式更直觀。