基于SCDM的二次開發快速重建變截面箱梁模型

譚也平，王干亮

（深圳大學 交通與土木工程學院，廣東 深圳 518060）

1 概述

混凝土連續體系梁橋作為橋梁工程的主要結構形式，在公路及鐵路工程領域應用較廣泛。關于混凝土連續體系梁橋分節段模型參數化的創建方法，目前已有少量文章介紹。張建軍等介紹了通過Revit族文件創建常規橋梁的方法［1］；趙偉蘭等介紹了通過Revit自適應族創建復雜曲線拱橋模型的方法［2］。國內尚未找到基于SCDM二次開發創建混凝土連續體系梁橋模型的相關技術及介紹。

目前，我國在建和已建跨徑在200 m以上的連續剛構橋已達到20多座，跨境100～200 m的預應力梁橋超過100座；全世界有20多座跨徑在240 m以上的特大跨徑連續剛構橋，中國就占了一半以上。大跨徑預應力混凝土橋在我國城市交通發展建設中發揮著非常重要的作用。大跨連續橋的結構形式變化多樣，其中連續體系橋以其優良的結構性能在橋梁建設中占有極其重要的地位。混凝土連續剛構橋主梁連續、墩梁固結，具有較大的跨越能力、合理的受力、良好的整體性和較強的抗震性，抗彎剛度、抗扭剛度較大，該橋型為大跨度預應力混凝土橋首選橋型，具有造型簡單、維護方便等優點。

2 開發目標及思路

2.1 開發目標

在對橋梁模型進行數值分析時，由于有限元分析軟件的建模能力較弱，我們常常需要將橋梁模型從外部CAD系統導入到有限元分析軟件中進行仿真分析［3］，求解結構強度、剛度、彈塑性等力學性能及優化設計。根據分析結果適當調整模型的幾何和拓撲信息［4］，進而提高橋梁模型的相關力學性能。人工操作在此過程中不可避免地會產生一些偏差，達不到理想的效果，并且直接修改模型還會耗費大量的人力和時間。因此，模型的設計和管理可以按照參數化的方法進行［5］。根據需要，在適當調整相應參數和仿真分析條件后，自動進行模型的重建與管理［6］，節約時間的同時，可有效地避免不可預見的錯誤和風險。

2.2 思路及方法

以往的橋梁有限元分析處理，實體模型多是通過外部導入的方式，由于文件格式不兼容，此過程不可避免地會出現模型失真等問題，并且導入的模型不易修改和重復使用，頻繁地修改和導入無疑會增加勞動和誤差積累。為解決以上問題，我們選擇對軟件內部建模功能進行二次開發的參數化建模方案。

使用APDL 代碼在ANSYS軟件中進行二次開發已經被廣泛地推廣和應用［7］，這種方式可以通過 ANSYS 參數化設計語言 APDL 編寫的文本數據文件，以命令流的形式完成，但存在創建大型模型時查錯困難的問題，并且ANSYS APDL命令流的靈活性不高，繁雜的命令流掌握起來也比較困難，不易操作。趙曉宇等人對外部模型轉換得到的信息模型是在SCDM中建立的，相對基于ANSYS APDL格式的模型，操作界面更加友好，基礎建模功能更加實用，并且SCDM的功能也在不斷地完善和補充當中。此外，通過對每個模型組件進行命名，還可以批量分類完成任意組件的材料屬性的賦予和更改，便于調整和修改模型信息，在模型管理上會更加方便和實用。它能夠快速實現理想模型的建立，大幅提高ANSYS的建模效率，一定程度上縮短有限元分析前處理階段的時間。

本文研究內容主要是在ANSYS/SCDM平臺上通過對其建模功能的二次開發，利用IronPython腳本語言創建橋梁單元參數化信息模塊，實現輸入截面尺寸等幾何參數后，程序能夠自動完成橋梁實體模型的創建。創建梁體節段模型，最終裝配全部節段作為整橋實例；繁雜的實體模型創建工作，都是由程序自動完成的，可快速實現仿真模型參數化創建及管理。

3 多跨變截面箱梁橋建模思路

3.1 程序開發流程

ANSYS系列軟件提供了可以擴展產品功能的應用程序編程接口——SCDMAPI，創建的參數化仿真模型是基于ANSYS SCDM 的IronPython腳本建模語言。利用腳本語言描述模型的幾何及拓撲信息，結合ANSYS中的 SCDM.API V18的幫助文件實現連續箱梁實體參數化模型的創建，程序在SCDM項目環境下運行，程序開發流程如圖1所示，主要分為以下幾個主要步驟。

圖1 程序開發流程圖

在對應樁號處通過指定3個軸坐標向量及坐標原點的方式創建箱梁橫截面局部坐標［參考ANSYS 中的SCDM.API V18中類和方法的坐標系創建命令（DatumOriginCreator.Create（origin，x_Direction，y_Direction，None）及選擇草圖平面編輯命令（plane.Create（Frame.Create（Point.Create（MM（），MM（），MM（）），Direction.DirY，Direction.DirZ）］，這樣就可以在局部坐標系下，通過草圖編輯模式開始創建參數化的實體模型，詳細參考代碼如下：

通過上述步驟創建的局部坐標系分別利用點創建命令（Point2D.Create（）生成對應樁號處的箱梁截面關鍵點，再通過線創建命令（SketchLine.Create（）依次連接關鍵點創建截面外輪廓及內輪廓，外輪廓和內輪廓所圍成的平面就是箱梁截面。然后再通過（ViewHelper.SetViewMode（InteractionMode.Solid，None）命令使創建的箱梁截面實體化，這樣就可以在三維模式下激活拉動命令，輸入拉伸命令（ExtrudeFaces.Execute（selection，MM（），options）生成梁體節段的實體模型，重復操作以上命令，補充橋梁幾何參數就可以生成橋各節段的實體模型，最后通過輪廓融合命令（Loft.Create（selection，None，options） 將相鄰梁體節段融合在一起，形成完整的橋梁實體模型。參考代碼如下：

為了便于后期對橋梁實體模型的編輯、優化和完善，我們需要對完成的腳本代碼進行關鍵參數的提取，并將這些關鍵參數放置在腳本首段明顯的位置。在對代碼中提取的關鍵參數（形參）賦值實際參數后，就可以正常運行，重新創建的實體模型幾何截面尺寸隨著輸入的實際參數大小進行變化。這樣創建的參數化模型就可以實現重復變更和使用。該過程能夠節省重建模型的時間，提高建模效率，并且參數化模型可以提高模型的準確性，而人工直接建模操作煩瑣且很難保證截面尺寸的精確性。

在此基礎上，我們可以直接在SCDM操作界面上對腳本參數的變量值進行更改，實現參數化實體模型的重建，通過調用SCDM自帶的腳本交互輸入API類的方法，在提取關鍵參數的同時調用Beta.InputHelper.CreteTextBox（）命令創建文本輸入控件，具體可按ANSYS中的 SCDM.API V18方法提示完成，運行程序后就會在“選擇面板”選項中顯示創建的控件及文本輸入框，在文本框內輸入橋梁截面尺寸及各節段項目需要的信息及參數，確認后運行程序，就可以得到參數化的實體模型。更新模型時，需再次運行程序，重新在控件文本框里輸入新的參數值，就可以創建新的橋梁參數化的實體模型。為了便于重復調用編輯的腳本代碼，我們可以將代碼發布為腳本工具，使用時只需在工具菜單欄里點擊腳本工具按鈕就可以進行調用，交互式輸入主要參考代碼如下：

對創建的模型腳本代碼進行算法優化，開發用戶輸入界面。

為了便于用戶更加直觀地創建參數化的模型，我們還可以在WinForms［8］客戶端軟件開發平臺上進行用戶窗體界面的開發，在用戶窗體界面中輸入橋梁路線數據及箱梁截面尺寸，梁高及腹板厚度通過變化公式自動錄入界面，并標識各截面所處箱梁節段類型。生成參數化模型后，可根據實際需求對模型的幾何及拓撲參數進行調整。保存并發布成工具，方便調用。發布腳本工具如圖2所示。

圖2 發布腳本工具

3.2 窗體開發流程

SCDM腳本是IronPython語言，這種語言可以加載.NET程序集，使用其框架下的WinForms類庫開發界面。用戶輸入界面開發前，需要對界面和輸入控件的位置、尺寸進行設計，對各類參數輸入控件進行命名并進行合理的歸類和布置，參考代碼和對應界面如下：

圖3為創建的用戶輸入界面，保存時，同樣可以發布為腳本工具。在重新創建模型時，可以直接在工具菜單欄里找到該腳本工具，點擊腳本按鈕，用戶輸入窗口就會自動彈出，然后根據圖片及文字提示，將具體的參數值輸入到對應的文本框里，待數值確認后，點擊“創建模型”，新的模型會在數秒內生成，此時彈出“模型創建完成”的提示窗口，說明模型創建完成。用戶輸入界面能夠更加直接地創建模型，并且使用時操作簡單。

圖3 窗體代碼及界面

4 案例模型創建

本文以在建的雁山大道東及連接線大橋為例，論述橋梁上部結構參數化模型的創建方法。連續剛構上部結構節段主要分0 號塊、中間塊和現澆塊3種類型，需要依次創建3種類型的節段實體模型。0號塊模型的創建相對簡單，但是建立橋梁實體模型時，端部橫隔板必須設置。橋梁受力是通過橫隔板傳遞給支座的，它能夠承受一定的支反力和梁體的扭轉變形，所以在梁體的支座位置都需要合理設置橫隔板。根據連續橋梁的受力特點，連續橋梁的中間塊要設置為變截面，截面的變化規律最常采用折線或二次拋物線。除此之外，為滿足不同截面位置處的受力情況，箱型截面的頂板、底板和腹板厚度也是變化的，這無疑會增加建模的難度，一般會采用節段式的建模方法或者函數關系式的建模方法，本案例模型采用節段式的建模方法。節段式的建模方法需要將各節段的截面關鍵參數詳細地輸入到用戶界面中，函數關系式的建模方法只需將0號塊及中間現澆塊截面參數輸入到用戶界面，依次選擇梁體截面（頂板、底板、腹板厚度）的變化關系函數式，可以輕松建立梁體模型。函數關系式的建模方法模型的參數化程度更高，操作步驟更加簡單。現澆塊建立完成后，程序執行截面融合命令，相鄰節段截面開始融合，就可以輕松地創建完整的實體模型。

圖 4為雁山大道東及連接線大橋模型。結果顯示，開發的程序能夠準確快速地創建橋梁實體模型。

圖4 雁山大道東及連接線大橋模型

首先，在SCDM的工具菜單欄里選擇腳本工具，點擊BridgeGen工具按鈕，就可以彈出用戶輸入對話框（如圖5所示）。

圖5 BridgeGen腳本工具

然后在用戶輸入對話框里按照參數名稱及其下方的提示幫助下，輸入橋梁路線數據和箱梁截面關鍵參數。參數輸入完成后，經確認無誤，方可點擊輸入框下方的“創建模型”，等待程序運行生成橋梁實體模型。用戶輸入對話框界面如圖6所示。

圖6 用戶輸入對話框

模型創建完成后程序會自動彈出創建成功提示窗，提示模型創建完成。整個梁實體單元的創建過程會在幾秒內完成。梁實體單元如圖7所示。結果顯示，本文開發的程序能夠準確快速地實現參數化實體模型的創建。

圖7 梁實體單元

至此，橋梁參數化的實體模型創建完成，后續我們可以繼續在前處理階段定義材料屬性（鋼筋混凝土結構的彈性模量、密度和泊松比），添加支座約束、施加橋面荷載、網格劃分等步驟，然后對橋梁實體進行數值分析，驗證梁體的可靠性，根據分析結果反饋的問題，及時調整橋梁單元的幾何尺寸。在對模型的幾何或拓撲參數進行調整時，按照以上操作步驟，只需重新啟動腳本參數按鈕，在彈出的用戶輸入對話框里輸入調整后的橋梁實體模型參數值，再次創建模型即可。開發的該程序能夠簡便快捷地實現模型的調整更新。

5 結語

本文使用IronPython腳本語言、SCDM API（直接建模工具SCDM的編程接口）和WinForms（客戶端軟件開發平臺）窗體開發技術，實現參數化建立多跨變截面箱梁模型，從而避免了模型從外部導入文件內容丟失的風險，并且簡化了建模流程，整個過程無須人工干預，大大減少直接建模花費的時間，在建模及參數管理上有很大的優勢。