BIM與ABAQUS模型一體化分析應用研究*

許紅勝，郭佩云，顏東煌，吳佳東，李浩，祁潤田

(1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2.湖南省勘測設計院，湖南 長沙 410114；3.聯安建筑設計研究院，北京 100088)

傳統的結構分析模型建模過程繁瑣，特別是復雜的組合模型，建模需耗費大量時間。將建筑信息模型(BIM)建模軟件Revit在建模上的優勢與有限元軟件強大的分析功能相結合，可大大減少建模時間，做到一模多用，同時仿真分析結果更接近實際工程。但實際應用中存在BIM建模軟件與有限元分析軟件的轉換障礙。為解決該問題，鄧雪原等以IFC標準為基礎，對建筑模型自動生成結構分析模型的建立方法進行了研究；曾翔等提出了建筑抗震彈塑性分析數據基于IFC標準的表達方法，實現了采用不同有限元軟件對建筑模型進行抗震彈性分析；張建平等研究了IFC建筑模型轉換，提出了基于Revit三維模型重建和模型轉換的方法；劉照球等基于IFC標準框架，對結構動力分析、有限元分析信息進行了擴展定義；李犁實現了IFC模型與ETABS、SAP2000結構分析模型的數據信息轉換；王軒等開發了IFC結構模型文件生成軟件，實現了從IFC模型到3D3S結構分析模型的轉換；呂凱垣等開發了橋梁IFC模型向MIDAS/Civil模型轉換的程序原型。研究發現，基于IFC標準的BIM模型與結構分析模型數據轉換缺乏成熟的轉換機制，對于復雜構件模型交換，交換數據信息的全面性和準確性得不到保證。為此，袁明偉在CSiXRevit插件的基礎上，經過二次開發實現了Revit與Etabs之間的無縫對接；宋杰、封大為等通過二次開發將數據處理成ANSYS命令流，實現了從Revit模型到ANSYS分析模型的數據轉換；丁曉宇在宋杰等研究的基礎上，實現了Revit中建立的網殼模型在ANSYS中自動建模與分析；陳志為等開發了Revit與ANSYS的數據轉換接口，實現了Revit模型向有限元精細模型的自動轉換；喬寶娟開發了Revit與PKPM的雙向數據轉換接口軟件，可在Revit中以插件的形式調用；劉照球等以插件加載形式開發了YJK/PKPM-Revit數據轉換接口，實現了PKPM/YJK與Revit的雙向數據轉換；董卯等對Revit模型信息提取程序進行二次開發，實現了Revit模型到MIDAS/Civil模型的轉換；藍天宇開發了Revit與ABAQUS的模型轉換接口，實現了Revit到ABAQUS的數據轉換。綜上，目前對BIM模型與結構分析模型轉換接口的研究主要針對房建結構，對橋梁結構模型轉換的研究極少。該文基于BIM技術建立某橋梁工程臨時構件軌道梁模型，實現BIM建模軟件Revit到通用有限元分析軟件ABAQUS的模型數據信息交換，并在ANSYS中建立運梁軌道模型進行受力分析，將分析結果與轉換模型分析結果進行對比，對軌道梁結構穩定性、安全性、設計優化提供可行性建議。

1 工程概況

某橋主橋為七跨連續鋼桁梁斜拉橋，橋跨布置為(80+2×88+720+2×88+80)m，邊跨設置2個輔助墩和1個過渡墩，總長1 232 m。主桁架采用普拉特式結構，桁高 8 m，主跨節間長 12 m，邊跨節間長 12、8 m，2片主桁架弦桿中心間距 27 m。主索塔采用 H 形門架，上、下橫梁及門架柱均采用砼薄壁箱截面。

該橋位于山區峽谷地區，受施工條件限制，中跨采用縱移懸拼技術對鋼桁梁節段進行吊裝。中跨主梁節段在4#橋塔靠中跨側拼裝完成后，通過橋面吊機吊起至梁底，依靠安裝在梁底的縱向移動運梁設備將主梁節段縱向運輸到拼裝位置。縱向運梁系統由軌道、吊桿、吊索、錨固裝置、縱移機構、提升機構、操作平臺等組成。

2 建立模型

橋面吊機的運梁軌道通過上下扁擔梁固定在桁架下弦桿上，運梁軌道焊接在下扁擔梁上，上下扁擔梁之間通過吊桿連接，最大縱向間距為1 700 mm，標準縱向間距為1 200 mm。吊桿與移動設備縱移小車沿軌道梁縱向移動，一側軌道梁上作用8組小車輪。軌道梁為HW工字型鋼，上下扁擔梁由2根槽鋼組合而成，吊桿采用精軋螺紋鋼。

利用建模軟件Revit建立運梁軌道三維模型(見圖1)，圖2為運梁軌道斷面。

圖1 運梁軌道BIM三維模型

圖2 運梁軌道斷面示意圖(單位：mm)

3 模型導入

將在Revit中建立的模型導出并保存為SAT數據格式文件，在ABAQUS中進行文件導入，選擇部件導入SAT格式的運梁軌道實體模型。如圖3所示，導入ABAQUS中的實體模型幾何尺寸、模型位置及構件連接關系均正確。

圖3 Revit模型及導入ABAQUS后模型對比

4 仿真分析

4.1 參數確定

在有限元軟件中，模型大小對仿真計算時間的影響極大。為簡化模型，未對鋼桁梁和縱移小車導入ABAQUS中，運梁軌道與鋼桁梁接觸的地方模擬為鉸支約束，縱移小車轉化為線荷載，將運梁軌道分為上扁擔梁、下扁擔梁和軌道梁三部分進行受力分析。

軌道梁截面形式為HW350×250×9×14工字形截面，上下扁擔梁分別采用2根[25槽鋼組合而成，均采用Q345鋼材，吊桿采用32精軋螺紋鋼，強度等級為HRB335。鋼材的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×10-3g/mm3。根據材料參數，在ABAQUS屬性模塊中對模型部件進行材料定義，截面類型設置為實體均質，指派截面，然后創建分析步。

4.2 荷載和邊界條件

上扁擔梁與下橫梁接觸部位設為鉸接，將精軋螺紋鋼與上扁擔梁的相互作用轉為集中力，取55 kN。將精軋螺紋鋼與下扁擔梁接觸的部位模擬為鉸接約束，軌道梁與下扁擔梁的相互作用轉為集中力，大小為110 kN(見圖4、圖5)。下扁擔梁與軌道梁焊縫處的節點采用固結，軌道梁兩端的節點采用對稱約束(見圖6)。上、下扁擔結構受力見圖7、圖8。選取軌道長度2.4 m進行仿真計算，扁擔梁間距取最不利間距1.8 m，小車輪組負重量取50 t。偏安全考慮，動力系數取1.15，模型中考慮輪載不均勻分布，分5種工況對其進行受力分析(見表1)。這樣既可保證結構分析模型與初始模型接近，又可簡化網格劃分、減少構件數量，進而大大提高計算速度、減少ABAQUS中的報錯概率。

圖4 上扁擔梁荷載圖

圖5 下扁擔梁荷載圖

圖6 軌道梁荷載約束圖

圖7 上扁擔梁受力簡圖(單位：受力為kN，其他為mm)

圖8 下扁擔梁受力簡圖(單位：受力為kN，其他為mm)

表1 輪載工況

4.3 網格劃分

在ABAQUS的網格模塊，指派上扁擔梁、下扁擔梁、軌道梁三維實體模型的單元類型(C3D20)，然后進行全局布種，指派網格屬性，劃分網格，得到六面體實體單元模型(見圖9～11)。

圖9 上扁擔梁網格劃分

圖10 下扁擔梁網格劃分

圖11 軌道梁網格劃分

4.4 受力分析

在ABAQUS中進行仿真分析，上、下扁擔梁分析結果見圖12～15。由圖12～15可知：上、下扁擔梁最大應力為84.3 MPa，出現在上扁擔梁與吊桿相接處，上翼緣與腹板結合處的最大等效應力為57.78 MPa，應變較小，在安全范圍內。

圖12 上扁擔梁變形云圖(單位：cm)

圖13 下扁擔梁變形云圖(單位：cm)

圖14 上扁擔梁應力云圖(單位：MPa)

圖15 下扁擔梁應力云圖(單位：MPa)

軌道梁各工況下分析結果見表2。各工況荷載作用下，工字梁最大等效應力為230.5 MPa，出現在下翼緣作用荷載底面中心處，扁擔梁焊接處最大等效應力為194.934 MPa，工字梁腹板與下翼緣結合處的最大等效應力為216.471 MPa。工字梁最大節點位移0.8 mm，出現在工況3(見圖16)。根據第四強度理論，各工況荷載作用下軌道梁的應力在安全范圍內，最大應力出現在下翼緣作用輪載處底面中心位置，扁擔梁與工字梁焊接處最大等效應力與工字梁最大應力較接近；下扁擔梁與工字梁連接處為薄弱部位，對焊縫質量要求高，需進行局部加強設計。

圖16 工況3下軌道梁應力應變云圖

表2 軌道梁最大等效應力

4.5 結果對比

為評估轉換模型計算結果的準確性，將轉換模型計算結果與ANSYS模型計算結果進行對比。結果(見表3)顯示：2種模型的最大等效應力及最大節點位移出現的位置一致，計算結果偏差為7.1%，偏差較小。

表3 分析結果對比

5 結語

在橋梁工程結構設計階段，結構模型的受力分析是關鍵，其計算分析結果是繪制施工圖的主要依據。實現該環節的BIM技術應用，對工程項目全過程數據信息共享、管理和傳遞具有重要作用。基于某橋梁工程運梁軌道Revit模型進行有限元分析，結果表明轉換模型幾何尺寸、空間位置及構件之間的連接關系準確，轉換模型計算結果與ANSYS模型計算結果具有一致性。通過Revit導出SAT格式文件，實現Revit到ABAQUS的模型轉換可行，可大大提升有限元軟件的建模效率。將BIM建模軟件和ABAQUS軟件相結合，在建模和優化設計方面具有很大優勢。