基于Revit和ANSYS軟件的城市軌道交通連續箱梁橋無縫線路模型轉換方法

王 嘉 李 莉

(1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海;2.上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室,201804,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生)

0 引言

BIM(建筑信息模型)和有限元分析等技術在工程上的應用越來越普遍,隨之對鐵路橋梁模型構建和結構分析的要求也越來越高,而單一領域內軟件的使用存在一定的局限性。例如,ANSYS軟件憑借其強大的計算分析能力給工程數值仿真帶來了諸多便利,但其建模環節的功能較為薄弱,UI(用戶界面)交互不夠便捷,精細化建模需要耗費大量時間,如需更正模型中的錯誤,其流程也較為繁瑣[1-2]。

Revit軟件憑借其優越的建模性能和廣泛的適用性在BIM領域內脫穎而出,成為我國BIM應用的一款主流軟件?；赗evit軟件生成的模型(以下簡稱“Revit模型”)包含了大量的數據信息,這些數據的有效調用是實現模型二次開發的基礎,也為Revit模型與基于ANSYS軟件生成的模型(以下簡稱“ANSYS模型”)間的快速轉換提供了可能。因此,快速協同建筑設計軟件和有限元分析軟件的交互功能,能有效提高工作效率[3-5]。

眾多學者就Revit模型向ANSYS模型轉換進行了研究。文獻[6]基于上海軌道交通17號線青浦站工程,對地鐵車站中的墻柱等構造由Revit模型向ANSYS模型轉化進行了研究。文獻[1]對某建筑結構的梁、板、柱、墻等結構進行了模型的轉換和切分,并輸出了結構在重力條件下的變形云圖。文獻[7]將模型轉換方法應用于某船閘閘室主體工程中,并驗證了其可行性。文獻[8]將巖土工程中的基坑Revit模型轉化到ANSYS軟件中進行網格劃分,再導入到FLAC3D軟件中進行計算,促進了BIM軟件與數值計算軟件的對接。文獻[9]結合Python語言和XML語言,利用SCDM軟件(ANSYS的一款多功能前處理建模軟件)界面完成了地下室模型的轉換。文獻[10]重點研究了幾何模型轉換的坐標轉換法和材料參數的獲取方法,并在一片簡支梁上進行了應用。

但是,現有研究在橋梁工程中的應用仍存在不足,通常僅針對橋梁結構進行模型轉換,而對于橋梁結構與軌道結構組合的城市軌道交通連續箱梁橋無縫線路(以下簡稱“橋上無縫線路”)模型轉換的研究較少。為此,本文結合Revit軟件強大的參數化建模、二次開發能力及ANSYS軟件優秀的計算分析能力,基于Revit 軟件的API(應用程序接口)(以下簡稱Revit API),在Visual Studio 2019軟件上應用C#語言開發出2個模型轉換的接口,以快速實現橋上無縫線路Revit模型轉換為ANSYS模型并進行仿真計算的功能,減少手動輸入APDL(ANSYS參數化編程語言)的時間,彌補ANSYS軟件的不足。

1 模型轉換接口的開發

1.1 開發工具

Revit API作為Revit軟件和.NET平臺間的橋梁,可為不同平臺提供數據共享。Revit API憑借強大且豐富的功能,給設計人員提供了良好的二次開發環境,當中包含了大量的命名空間、方法屬性和類庫,供程序開發人員調用。

本研究使用Revit 2018軟件構建橋上無縫線路結構的BIM。在此基礎上,基于C#語言選擇Visual Studio 2019軟件中.NET Framework 4.5.2框架下的類庫,利用Revit API,以IExternalApplication(外部應用)及IExternalCommand(外部命令)的方式進行模型的二次開發。隨后利用streamwrite類生成APDL,并將命令流導入ANSYS軟件中,最終成功實現了Revit模型向ANSYS模型的轉換。其技術路線如圖1所示,具體流程如圖2所示。

圖1 基于Revit 和ANSYS軟件的橋上無縫線路模型二次開發技術路線

圖2 基于Revit和ANSYS軟件的橋上無縫線路模型二次開發的具體流程

1.2 模型轉換接口的開發流程

Revit模型含有大量的參數信息(包括族的編號、空間位置、幾何尺寸和材質屬性等),利用二次開發技術對其進行調用和轉存,是實現Revit軟件與ANSYS軟件交互的必要方式。模型轉換接口的開發流程為:①先生成用于存放APDL的StreamWriter類,創建FilteredElementCollector(元素收集過濾器),再根據族的Category(類別)、Class(族名)和Name(名稱)等參數,將鋼軌、軌道結構、梁體等不同類型的族分別存儲到各自的FilteredElementCollector中;②遍歷族文件數組,以獲取結構的幾何和材質信息,通過StreamWriter.write方法將APDL輸出到記事本中,并編寫其他前處理操作語句(如模型切割、網格劃分等);③將自動生成的.txt文件載入ANSYS軟件中,供ANSYS軟件讀取。

1.3 模型轉換的算法要點

1.3.1 Revit模型信息的過濾

橋上無縫線路Revit模型構造復雜、信息眾多。為實現各結構信息分門別類的有序轉換,首先需要借助FilteredElementCollector進行分類,并按類別存儲到各自的泛型列表中;然后遍歷列表中族實例的全部物理信息,收集在后續模型轉換時所需的空間位置、幾何尺寸及材質屬性等參數信息。

1.3.2 模型幾何信息的轉換

以箱梁轉換為例,由于箱梁截面的幾何形狀不規則且參數眾多,需要調用LookupParameter方法,以獲取Revit參數化建模時所需添加的物理屬性(包括結構材質、底板的厚度與高度、頂板的厚度與高度、腹板厚度、梁體高度、梁體長度及加腋尺寸等),再結合BoundingBoxXYZ(角點坐標)進行坐標計算。在保持不同構件自身節點編號規律性的前提下,還應充分預留出足夠的編號空間。需要注意的是,Revit軟件中的長度單位為英尺,在調用參數時需要先進行單位換算。其他構件的轉換方法與箱梁類似,鋼軌轉換時須結合Locationpoint(坐標定位點)與長度參數予以實現;CRTS Ⅲ型板轉換時須結合角點坐標,以及軌道板、自密實混凝土層和底座的長寬高等參數予以實現。

1.3.3 模型材質信息的轉換

仿真分析時需要輸入結構的密度、泊松比、熱膨脹系數和彈性模量等參數,而元素收集過濾器僅能獲取元素信息,若要獲取材質信息,需要先將結構轉換成材料,再調用PropertySetElement類中StructuralAsset屬性,以實現Revit中模型材質屬性的獲取及生成ANSYS自動賦予材質信息的APDL。

1.3.4 約束及邊界條件轉換

發揚風格也不是隨意發揮，上文所提到的兩位翻譯家，魯迅和周作人，他們都認為兒童文學翻譯作品的目標讀者是兒童，因此應該著重考慮兒童的閱讀習慣和心理。原文中一些晦澀難懂的詞匯應該改成簡單生動的詞匯，所以在翻譯這些作品時，譯者要做二次創作。(夏丐尊，1983)[9]

采用Revit軟件建模時,須將扣件模型的中心對齊鎖定到參照平面的中心上,即通過坐標定位點來確定扣件在參照平面上的位置。再根據扣件的間距進行網格劃分,使用彈簧單元連接2排節點,彈簧單元的長度調用Revit模型中扣件的高度參數。

采用Revit軟件對模型進行分析時,軟件提供了“固定”、“鉸支”、“滑動”、“用戶”4種邊界狀態選項,BoundaryConditions類可對結構的邊界條件進行創建,并獲取相關信息。本文構建的連續箱梁橋模型三跨的縱向長度分別為40 m、60 m及40 m,軌道結構采用CRTS Ⅲ型板式無砟軌道,其橋跨布置如圖3所示。

圖3 連續箱梁橋的橋跨布置示意圖

圖3中:0#橋臺和3#橋臺采用活動支座約束(活動支座約束即約束橫向1排節點的垂向和橫向自由度);1#橋墩布置活動支座;2#橋墩布置固定支座(固定約束支座即約束橫向1排節點的垂向和橫向自由度,并在該排兩側節點的下部均通過彈簧連接1個約束全部平動自由度的節點)。

2 模型轉換的應用驗證

將橋上無縫線路Revit模型轉換為ANSYS模型的代碼進行編譯調試,將自動生成的APDL導入ANSYS軟件中運行,并對模型進行后處理計算。橋上無縫線路Revit模型自動轉換為ANSYS模型得到的模型效果如圖4所示。

圖4 橋上無縫線路Revit模型自動轉換為ANSYS模型后的模型效果截圖

本文擬定了2種研究工況:

圖5 溫度荷載作用工況下的鋼軌伸縮力及鋼軌縱向位移計算結果

2) 列車荷載作用工況,即選擇出1對鋼軌,施加我國高速鐵路列車荷載換算得到的均布活載(又稱為“ZK荷載”),將鋼軌撓曲力和鋼軌縱向位移數據提取出來,其計算結果如圖6所示。圖6中:撓曲力正值代表拉(應)力,負值代表壓(應)力。

圖6 列車荷載作用工況下的鋼軌撓曲力和鋼軌縱向位移計算結果

文獻[11]中采取的連續箱梁橋模型三跨的縱向長度為70 m、130 m及70 m,其得到研究得到的鋼軌縱向力計算結果如圖7所示。與文獻[11]相比,本研究采用的連續箱梁橋模型跨徑較小。因選取的模型參數及橋梁跨徑的不同,圖7的計算結果與圖5 a)、圖6 a)的縱向力幅值波動范圍存在一定的差異,但二者的數據變化趨勢大致相符,由此驗證了本文所建模型自動轉換的合理性和準確性。

圖7 文獻[11]中2種工況下鋼軌縱向力和鋼軌縱向位移的計算結果

3 結語

1) 本文創建的橋上無縫線路Revit模型轉換至ANSYS模型的二次開發程序,實現了模型幾何形狀、空間位置和物理材質的準確、高效轉換,并能夠自動完成前處理過程中模型切割、網格劃分及模型約束等操作。

2) 將自動轉化得到的模型進行后處理分析,分別對模型施加列車荷載和溫度荷載,得到了與之相對應的鋼軌縱向力和鋼軌縱向位移。通過與文獻計算結果的對比,驗證了本文所提方法的合理性和準確性。

本文完成了Revit模型與ANSYS模型之間數據信息的交互,在保證設計模型與計算模型一致的前提下,大大提高了設計人員的工作效率,促進了BIM技術在城市軌道交通工程數值計算中的交互應用。