橋梁BIM與有限元軟件二次開(kāi)發(fā)接口制作及其應(yīng)用*

黃熊偉，馮茂云，宋福春

(1.湖南城市學(xué)院設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000； 2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

BIM在橋梁工程中大多體現(xiàn)在定義上，實(shí)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(jié)構(gòu)的受力分析尤為重要，而在受力分析中節(jié)點(diǎn)分析又更為關(guān)鍵。本文基于BIM無(wú)紙化設(shè)計(jì)和數(shù)字化表達(dá)的核心意義，利用軟件的二次開(kāi)發(fā)，使BIM模型與有限元分析模型能做到信息傳遞。通過(guò)有限元軟件的受力分析結(jié)果，對(duì)構(gòu)造做出優(yōu)化微調(diào)同時(shí)反饋給BIM模型。在這一過(guò)程中，使得設(shè)計(jì)做到了三維可視化模擬。讓BIM技術(shù)滲透并指導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gòu)建信息化能力的BIM軟件。它對(duì)于處理常規(guī)結(jié)構(gòu)建筑有著易上手、易操作的族庫(kù)參數(shù)化建模功能，對(duì)于復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)，可利用其中內(nèi)嵌的Dynamo軟件進(jìn)行可視化編程的參數(shù)化建模。在二次開(kāi)發(fā)中，Revit軟件開(kāi)放了軟件的API函數(shù)代碼，對(duì)于所需參數(shù)可精確定位、獲取、控制，所以其開(kāi)發(fā)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(chuàng)建

1.1 工程概況

本研究對(duì)象為南北向半穿式連續(xù)鋼桁橋。橋梁邊跨為62m，主跨為100m，全長(zhǎng)為224m, 橋面寬30m。橋面設(shè)1.5%的雙向橫坡。連接構(gòu)件為M24高強(qiáng)度鋼螺栓。本橋的荷載設(shè)計(jì)要求為城-A級(jí)，人群荷載設(shè)計(jì)按3.5kN/m2進(jìn)行橋梁加載。橋梁的橋門架、橫撐、下平縱聯(lián)為桿系結(jié)構(gòu)。橋梁主桁部分采取無(wú)豎撐的三角形腹桿體系解決方案，主桁節(jié)點(diǎn)采用剛性較大的整體節(jié)點(diǎn)。由于桁架的相互間隔大，所以橋梁的下平聯(lián)部分采取雙X結(jié)構(gòu)形式與下弦桿節(jié)點(diǎn)處相互連接。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)形式來(lái)提升橫向抗風(fēng)能力。同時(shí)，這種連接方式也能抵抗弦桿變形所產(chǎn)生的內(nèi)力。

1.2 模型創(chuàng)建方式

在模型創(chuàng)建過(guò)程中，分別對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)橋面系、橋面板、主桁架、連接系和支座5部分進(jìn)行BIM建模。針對(duì)不同截面桿件和梁?jiǎn)卧M(jìn)行族庫(kù)的參數(shù)化建模。這種方式便于在對(duì)應(yīng)不同桿件時(shí)來(lái)獲取不同構(gòu)件圖元ID(見(jiàn)圖1)。

圖1 利用Revit進(jìn)行的BIM參數(shù)化建模

2 Revit to ANSYS接口的制作

2.1 模型轉(zhuǎn)換的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段Revit中實(shí)現(xiàn)BIM模型與有限元軟件制作接口對(duì)接的方式有3種：第1種是利用軟件基于IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接各有限元軟件，如賴華輝等從導(dǎo)出的IFC格式中提取模型的信息，轉(zhuǎn)變?yōu)榛赬ML格式的通用有限元表達(dá)，生成了有限元軟件的結(jié)構(gòu)模型。第2種是利用軟件的ACIS三維實(shí)體表達(dá)格式導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)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(dǎo)出、導(dǎo)入過(guò)程中易存在模型構(gòu)件丟失或定義錯(cuò)誤現(xiàn)象，且在有限元?jiǎng)澐趾筒馁|(zhì)定義中處理較為麻煩。第3種是宋杰等實(shí)現(xiàn)了ANSYS與Revit軟件的模型參數(shù)相互轉(zhuǎn)換。利用調(diào)動(dòng)軟件中豐富的API函數(shù)，獲取模型幾何參數(shù)和物理參數(shù)，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(zhuǎn)換效率和精度明顯提高。而且基于ANSYS APDL命令流強(qiáng)大的可操作性，模型的加載與后處理結(jié)果的輸出都十分便捷。

2.2 二次開(kāi)發(fā)的基本思路

許多有限元分析軟件現(xiàn)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(guò)程中常基于宏觀工程的實(shí)現(xiàn)方法和目的考慮，在結(jié)構(gòu)模型信息的傳遞過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)部分做了許多簡(jiǎn)化處理。這樣導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的模型不適合BIM要求模型準(zhǔn)確傳遞的基本要求。同時(shí)，由于大量簡(jiǎn)化處理使得有限元分析模擬與真實(shí)情況相比誤差更大。大多數(shù)做轉(zhuǎn)換的接口程序是基于模型導(dǎo)出的IFC格式，其中在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中包含了大量與所需參數(shù)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致了模型的轉(zhuǎn)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(chǔ)方式和數(shù)據(jù)格式，不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換共享。

為此，本文研究出一種能快速?gòu)腂IM模型中抓取有限元建模所需的各類物理參數(shù)，且能保證BIM模型的各細(xì)節(jié)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，對(duì)其進(jìn)行有限元分析。這種解決方案極大方便了后續(xù)分析工作。

主要思路為：利用Revit API函數(shù)的C#進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，創(chuàng)建Revit與ANSYS模型的轉(zhuǎn)換接口。基于ANSYS強(qiáng)大的有限元分析功能，并對(duì)模型關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)反饋給BIM模型。通過(guò)此方法來(lái)確定BIM引導(dǎo)結(jié)構(gòu)正向優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

自從Revit2017起Revit API已得到增強(qiáng)，可以與.NET4.6一起運(yùn)行。因此，本文使用具有.NET 4.6框架目標(biāo)的Visual Studio 2015來(lái)調(diào)試插件。API函數(shù)調(diào)用查詢庫(kù)如圖2所示。

圖2 API函數(shù)調(diào)用字典

根據(jù)Autodesk公司提供的可行性方案，利用RevitAPI.dll與RevitAPIUI.dll這兩個(gè)接口組件，其中調(diào)動(dòng)Revit中API函數(shù)進(jìn)行接口程序編寫主要編程思路如下。

1)獲取橋梁中構(gòu)建所關(guān)聯(lián)的材質(zhì)參數(shù)，其中包括密度、泊松比和彈性模量，賦值輸出為APDL材質(zhì)定義命令流格式。

2)訪問(wèn)橋梁BIM模型獲取模型中的幾何參數(shù)，即利用模型在空間的對(duì)角點(diǎn)坐標(biāo)獲取各構(gòu)建集的截面關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)，賦值輸出APDL截面定義命令流格式。

3)獲取各構(gòu)建交點(diǎn)坐標(biāo)，在賦值A(chǔ)PDL命令流過(guò)程中根據(jù)幾何模型編號(hào)進(jìn)行梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)?chuàng)建(見(jiàn)圖3)。

圖3 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)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(yīng)力

將程序文件放入指定的接口庫(kù)文件，打開(kāi)Revit，程序?qū)?huì)自動(dòng)識(shí)別新的類庫(kù)文件。選項(xiàng)卡中生成了Revit to Mechanical APDL的啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)按鈕生成帶有幾何參數(shù)和材料屬性的Mechanical APDL命令流文件(見(jiàn)圖4)。

圖4 識(shí)別插件后的Revit主窗口

3 有限元分析與節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

3.1 整體模型的有限元分析

在Mechanical APDL中輸入模型導(dǎo)出的命令流得到整體模型，對(duì)有限元模型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(xù)鋼桁架橋的整體應(yīng)力圖。從應(yīng)力圖中發(fā)現(xiàn)橋梁在橋跨1/4上弦桿處與跨中板桁結(jié)點(diǎn)處應(yīng)力變化較大。本文主要對(duì)研究1/4上弦桿的結(jié)點(diǎn)處受力情況進(jìn)行討論，并對(duì)此結(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化(見(jiàn)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(jié)點(diǎn)處各桿所受的桿端應(yīng)力。各桿的位置編號(hào)如圖6所示，各桿端應(yīng)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(jié)點(diǎn)優(yōu)化

在模型的某一局部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析時(shí)，常規(guī)做法是直接從總體模型中取出小部分受力復(fù)雜的區(qū)域，但模型外部的邊界條件與真實(shí)情形一般會(huì)有差異，這樣易導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。對(duì)于該實(shí)際案例，在有限元建模過(guò)程中采用MPC(多點(diǎn)約束)的方法，該方法與常規(guī)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(tǒng)接觸算法中其他多點(diǎn)約束工具使用上的缺點(diǎn)。本文利用此連接方法進(jìn)行板殼單元建模，然后對(duì)單元端部施加桿端力，使有限元模型更趨于真實(shí)情況。所研究節(jié)點(diǎn)處有限元分析如圖7所示。

圖7 所研究節(jié)點(diǎn)處的有限元分析過(guò)程

圖7中所圈出位置是由于兩側(cè)弦桿軸向荷載在進(jìn)入節(jié)點(diǎn)范圍時(shí)以直線相對(duì)的方式相交，上弦桿軸向荷載的自我平衡導(dǎo)致對(duì)豎桿彎壓作用的減少，所以出現(xiàn)此處的應(yīng)力集中。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要基于技術(shù)要求和設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成，從而確保方案的可靠性，但對(duì)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)布局、尺寸合理、材料選擇及結(jié)構(gòu)外形等方面考慮較少。隨著科學(xué)技術(shù)和設(shè)計(jì)思路的發(fā)展，單純實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求已不滿足現(xiàn)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更重要的是對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和完善。所以對(duì)此處集中應(yīng)力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在優(yōu)化問(wèn)題中常用以下表達(dá)式來(lái)確定解決問(wèn)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(shè)計(jì)變量；F(X)為目標(biāo)函數(shù)；hj(X)，Gi(X)及X≥0分別為優(yōu)化問(wèn)題中應(yīng)該滿足的條件。

綜合軟件的優(yōu)化處理與實(shí)際可行性，對(duì)節(jié)點(diǎn)豎桿與上弦桿間的連接形式做出改變。優(yōu)化后的有限元模型如圖8所示。

圖8 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后有限元分析過(guò)程

從以上有限元模型的應(yīng)力分布情況看，應(yīng)力分布更為合理。這種連接方式對(duì)節(jié)點(diǎn)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(yīng)力或應(yīng)力奇異出現(xiàn)。

4 優(yōu)化信息對(duì)BIM模型的反饋

4.1 Dynamo的模型精細(xì)化處理

本項(xiàng)目在此交角處生成的曲線利用常規(guī)的Revit建模方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化模型處理，Dynamo作為Revit平臺(tái)的插件而存在，其本身具有Revit平臺(tái)建模的所有基本功能，且與Revit平臺(tái)具有良好的互導(dǎo)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(guò)編輯模型構(gòu)建規(guī)律放置該族，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)來(lái)完成模型構(gòu)建；②利用Dynamo內(nèi)部函數(shù)庫(kù)直接以可視化建模的方式對(duì)模型進(jìn)行建立，然后利用“Direct Shape. By Geometry”或“Import instance. By Geometry”轉(zhuǎn)換成Revit模型。對(duì)于小體量的族可直接使用Dynamo創(chuàng)建實(shí)體模型，而對(duì)于體量較大項(xiàng)目，一般采用第1種建模方式。

本項(xiàng)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(shù)化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)建模，首先對(duì)函數(shù)曲線進(jìn)行編輯，再利用Direct Shape. By Geometry轉(zhuǎn)換成Revit模型(見(jiàn)圖9)。

圖9 Dynamo軟件操作界面

在Dynamo參數(shù)化平臺(tái)中包含了數(shù)學(xué)運(yùn)算中的基本函數(shù)批量的運(yùn)算節(jié)點(diǎn)，包括三角函數(shù)、基本的加減乘除、總加和、對(duì)數(shù)計(jì)算、數(shù)據(jù)列表的平均值、返回小于此數(shù)字的第1個(gè)整數(shù)、取兩者較大值或兩者較小值等基本數(shù)學(xué)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)。

輸入坐標(biāo)的x值、y值，組合成xy平面上的點(diǎn)，并使用叉積，將點(diǎn)在xy平面布滿。通過(guò)函數(shù)將點(diǎn)連接成曲線，并將所構(gòu)建用x，y，z以函數(shù)表達(dá)式來(lái)展現(xiàn)出來(lái)，將所有點(diǎn)連成曲線然后連成面，形成拋物曲面(見(jiàn)圖10)。

圖10 利用Dynamo的可視化編程的精細(xì)化建模

此Dynamo的中心建模思想實(shí)際上是將整個(gè)建模思路以算法及參數(shù)利用函數(shù)表達(dá)式表達(dá)出來(lái)，驗(yàn)證了在實(shí)體模型的建立中運(yùn)用函數(shù)表達(dá)的可行性，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲線參數(shù)到建模所需參數(shù)的運(yùn)算與轉(zhuǎn)換。

4.2 設(shè)計(jì)變更后的模型表達(dá)

在對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化修正后，利用Revit自帶的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)功能，對(duì)模型的修改進(jìn)行解釋說(shuō)明。并且利用視圖可見(jiàn)性修改，使變更部位一目了然。這樣借助BIM三維模型的表達(dá)，使工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)變更變得更加直觀簡(jiǎn)潔。同時(shí)，可將結(jié)構(gòu)模型無(wú)損交遞，直接進(jìn)行其他部門的模型整合。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的BIM模型如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后的信息反饋

5 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)的接口程序?qū)evit結(jié)構(gòu)模型提取參數(shù)，轉(zhuǎn)換成帶有物理參數(shù)和幾何參數(shù)的ANSYS APDL命令流。對(duì)于這一過(guò)程，本文給出了詳細(xì)的接口程序設(shè)計(jì)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(guò)有限元分析軟件對(duì)整體模型的整體分析與局部?jī)?yōu)化后，利用Dynamo的精準(zhǔn)繪圖反饋給BIM模型，使得模型在結(jié)構(gòu)受力上更合理。與利用繁瑣復(fù)雜二維圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)變更相比，本文全程都是在三維視角下對(duì)橋梁BIM模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其表達(dá)方式更直觀。