基于復雜橋型的Revit模型與ANSYS有限元模型數據交互研究

李強強 雷天奇

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714099）

0 引言

Autodesk Revit 作為BIM 建模核心應用軟件之一，被廣泛應用于各種大型項目設計與施工當中。但Revit 僅局限于模型的創建，并不能滿足結構力學分析的需求。如何實現Revit 建模軟件與大型通用有限元結構分析軟件ANSYS 之間的數據交互，一直是業內研究的熱點。本文以復雜橋型波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁橋為實例，完成該類橋型Revit模型轉換成ANSYS結構幾何模型的研究。

1 Revit建模軟件與ANSYS有限元軟件數據交互研究進展

Revit模型集所有構件的物理、功能等參數信息于一體，既能滿足工程圖紙的輸出、工程量統計等應用，又可與其它軟件協同完成4D 施工模擬等[1]。這在很大程度上提高了橋梁復雜工程項目的施工質量和效率。但目前Revit 主要用于結構三維模型的創建，為項目各參與方提供一個協同工作交流的平臺，但卻無法實現對各種橋梁結構的受力分析。因此，仍需借助于大型通用有限元軟件ANSYS等來進行結構的受力分析與求解，以確保結構的安全使用。

但是當下的ANSYS軟件與核心建模軟件Revit的部分轉換程序都是通過IFC文件來實現的[2]，通過該方法實現數據轉換的功能會產生一些冗余信息，同時在進行材料參數賦予時較為困難，每當錄入模型時還需要對其進行修改，較為繁瑣。

隨著BIM 技術的推廣與應用，Autodesk公司在Revit 建模軟件中逐漸完善Revit API 功能，通過該功能，業內人士可以根據自身需要通過各類編程語言進行二次開發制定插件，對Revit 功能區進行拓展與補充，從而實現自身所需功能[3]。于鑫等[4]通過二次開發，制定可根據CAD 配筋圖自動讀取鋼筋配筋信息的插件，從而實現三維鋼筋算量。姚翔川等[5]通過Revit API 技術C#語言，實現了可將Revit 模型轉換成ANSYS 及FLAC數值計算模型的程序，并通過基坑模型實例驗證了該程序的正確性與可行性。宋杰等[6]基于Revit 及Revit API 技術，使用C#語言進行二次開發，實現了Reivt 模型到ANSYS 分析模型的直接轉換，最后通過某建筑模型對模型轉換程序的正確性進行了驗證。陳述等[10]使用Revit API 技術對結構模型的幾何、屬性、材質等信息進行過濾，將過濾出的信息編譯成ANSYS 命令流文件，從而實現有限元分析軟件ANSYS與Revit建模軟件的數據轉換，并通過某船閘工程對其方法進行了驗證。

綜上所述，雖然前人已對有限元力學分析軟件ANSYS 和核心建模軟件Revit 之間模型轉換程序做過一些研究，但他們的程序都具有針對性，分別以巖土領域的基坑模型、房屋建筑領域的建筑模型、水運工程領域的船閘閘室主體結構模型來驗證他們程序或方法的正確性與可行性。但是對于橋梁領域的異型復雜結構，其程序或方法還存在一定缺陷，因此本文將基于Revit 2019 及Revit API 技術，在Visual Studio 2019 中使用C#編程語言進行二次開發，初步研究探索了可將在Revit 建模軟件中創建的橋梁三維模型轉換成ANSYS 有限元分析計算幾何結構模型程序的編制，并以復雜橋型波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁橋為實例，完成了該類橋型Revit 模型轉換成ANSYS 結構幾何模型的研究。為橋梁領域BIM建模與ANSYS有限元力學分析之間的數據共享的研究提供一定借鑒與參考。

2 Revit軟件與ANSYS軟件間的數據交互

2.1 二次開發環境及流程

本文以核心建模軟件Revit 2018 作為開發平臺，以Microsoft Visual Studio 2019 作為開發環境，以Microsoft.NET Framework 4.5.2 為開發的目標框架，選用使用廣泛的編程語言C#,作為二次開發的開發語言，進行二次開發相關插件程序代碼的編寫。模型轉換程序二次開發具體流程如圖1所示。

圖1 轉換程序開發流程

2.2 創建波形腹板鋼箱-混凝土組合梁BIM模型

通過應用Revit 軟件中已經開發完成的波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁橋快速建模板塊，調用波形鋼腹板組合箱梁橋選項卡頁、上部結構面板、下部結構面板、附屬設施面板、其他構件面板以及各個面板中所有按鈕控件的相關代碼程序，以外部命令的方式實現單擊控件按鈕建立帶有任務提示對話框的波形鋼腹板組合箱梁橋的各個組成構件，建立波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁橋的各標準組成構件，并通過Revit 軟件中的陣列工具、UV 網格劃分工具等對橋梁模型進行網格劃分，建立波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁橋Revit 幾何模型，如圖2所示。

圖2 波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁Revit模型

2.3 數據交互代碼編寫及運行

在Visual Studio 2019 中新建波形鋼腹板組合箱梁橋轉ANSYS 類庫文件，并將文件中的復制屬性改為False，防止在加載運行程序時生成過多的無用文件。為便于在Revit 二次開發中調用開發所需的相關函數與方法，需提前引用一些命名空間或者類庫，從而提高二次開發的工作效率與插件程序的準確性。

在Visual Studio 2019 中，使用C#語言，完成可提取波形腹板鋼箱-混凝土組合梁Revit 模型幾何參數等信息的程序以及可將提取信息輸出為ANSYS 可識別的APDL命令流的窗口程序的編寫和編譯，生成波形鋼腹板組合箱梁橋轉ANSYS.dll文件，并以手動方式編寫與之相應的ADDIN 文件，將波形鋼腹板組合箱梁橋轉ANSYS.dll 文件和ADDIN 文件存儲于Revit 2018 指定路徑下。

利用Revit2018 軟件中附加模塊的外部加載工具AddinManager 加載插件，加載已經生成的波形鋼腹板組合箱梁橋轉ANSYS.dll 文件，生成波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁的幾何信息命令流文本文件，最后使用ANSYS 軟件，運行該命令流，便可生成波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁的幾何模型，通過施加邊界條件、賦予材質、添加剛域等，完成波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁有限元模型的創建。

3 模型驗證分析

為了驗證波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁幾何模型轉ANSYS的正確性，對建立的有限元模型波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁在簡支條件下進行自振特性分析（見表1），并將有限元分析結果與文獻[9-12]中的SFBOX程序結果和文獻[12]中理論公式結果進行了對比（見表2）。有限元模型前5階振型圖如圖3所示。

表1 ANSYS分析的前5階自振頻率

表2 不同方法所求波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合簡支梁豎向彎曲自振頻率對比（單位：Hz）

圖3 前5階振型圖

從表1可以看出：波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合簡支梁的一階豎向彎曲振動、二階豎向彎曲振動和三階豎向彎曲振動依次出現在第一階、三階和五階振型，一階扭轉振動出現在第四階振型。從表2可以看出，本文所建立的ANSYS有限元模型的計算結果與文獻[8]和文獻[12]所提理論的計算結果吻合較好，本文結果與文獻[8]SFBOX程序計算結果的誤差在9.30%以內，與文獻[12]中理論公式計算結果的誤差在9.75%以內，驗證了本文所建立的有限元模型的正確性，即驗證了波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁Revit模型轉ANSYS程序的正確性與合理性。

4 結束語

（1）利用Visual Studio 2019 及C#編程語言完成了波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁Revit幾何模型轉ANSYS 的插件幾何模型信息提取程序以及文本命令流窗口導出程序的編寫。通過波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁導出的命令流文本文件及材質賦予、施加邊界條件等，在ANSYS中建立波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁的有限元模型。通過與已有論文在簡支條件下模態分析相關數值進行對比，驗證了該轉換程序的正確性。

（2）波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁Revit 模型轉ANSYS有限元幾何模型插件程序不僅適用于波形鋼腹板組合箱梁橋這類結構的數據轉換，也適用于大部分其它橋梁結構在Revit軟件與ANSYS之間的數據轉換，可為BIM核心建模軟件Revit與橋梁領域有限元分析軟件之間在力學分析方面實現耦合提供一定的借鑒與參考。

（3）本文的研究成果只適用于波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合箱梁橋Revit三維幾何模型與大型通用有限元軟件ANSYS 幾何模型之間的數據轉換，對于模型力學分析所需邊界條件、材質賦予、剛域等在該程序中并沒有實現，仍需進一步探索與研究。