市政BIM 正向設計中結構計算應用探討

季鑫宇

（重慶市設計院有限公司，重慶市 400015）

0 引言

BIM 技術提出至今已過去十幾年，首先在建筑行業得到了大力推廣，并以其可視化、信息化等突出的特點在水運工程、公路工程、市政工程等基礎設施建設領域不斷發展、創新。BIM 技術是傳統基建行業與大數據、人工智能、物聯網等高新技術融合的一個重要切入點，因此BIM 技術在基建領域中的的推廣相當必要。

目前，BIM 技術的應用普遍先使用二維CAD 設計，然后根據CAD 圖紙建立BIM 模型，并以此模型進行展示、模擬、分析、檢查等應用。這種BIM 逆向設計的解決方案只是BIM 發展的一個階段，BIM 技術的應用應該往正向設計的方向發展。針對市政工程而言，BIM 正向設計是在高精度數字三維地形（dem）環境中，直接利用BIM 軟件進行道路選線、道路平縱設計、結構設計等。

BIM 技術在市政工程中的應用存在幾個難點：一是BIM 軟件從歐美引進與國內規范結合不緊密；二是市政道路為帶狀結構體量大，對電腦性能要求高；三是市政道路多含復雜空間結構，標準化、參數化難度大，加之軟件局限性強，從而加大了建模難度[1]。因此，市政工程的BIM 正向設計難度很大，其中的結構設計、計算就是難點之一。

1 應用路線

目前的設計方法中，結構計算方面通常是根據CAD 設計圖紙單獨建立有限元計算模型進行計算分析。在BIM 正向設計方法中，為了保證計算結果的準確性，提高設計效率，需要將BIM 模型與結構有限元模型統一起來，保持兩個模型的一致性。

因此，在BIM 正向設計中的結構計算方面，BIM模型與有限元模型需要具有良好的數據交互性。現主要探討基于Autodesk 平臺的BIM 正向設計結構計算應用路線。Robot 與Revit 建模軟件具有良好的數據交互性，能夠實現雙向“無縫連接”[2]。該應用路線主要利用Revit 軟件在結構板塊中建立結構模型，并且可以同時生成結構分析模型。然后，在該分析模型中建立邊界條件設置各節點的連接方式，添加荷載工況，完成一致性檢查后可以直接將該分析模型傳遞到Robot 結構計算軟件中。在Robot 軟件中，可以繼續對各結構的截面形狀、材料、邊界條件、荷載工況、荷載組合等進行調整修改，完成設置后可以進行結構計算分析。該應用路線如圖1 所示。

圖1 結構計算應用路線圖示

Robot 進行計算分析后，可以將計算后的結果、模型傳遞回Revit，完成BIM 模型更新，并進行之后的配筋設計等。

2 Robot 與Midas 計算對比

市政工程中的結構計算多采用Midas、橋梁博士、ANSYS 等有限元軟件。Robot 軟件在市政工程中應用較少，現依托市政工程中常見的連續彎箱梁結構對比分析Robot 與Midas 的計算結果。

2.1 項目概況

某項目匝道橋上部結構采用3×30 m 連續彎箱梁，一期恒載混凝土容重γ=26 kN/m3，橋面鋪裝均布荷載38.2 kN/m,護欄均布荷載15.0 kN/m，基礎不均勻沉降0.5 cm 計，整體升溫取12.3℃，整體降溫取-20℃。

2.2 結構計算模型

Robot 分析模型直接由Revit 傳遞過來，保證了BIM 模型與有限元模型的一致性。Robot 分析模型繼承了BIM 結構模型的幾何特性；材質信息；節點連接方式、支撐類型等邊界條件；結構自重、二期恒載等荷載工況。該分析模型可以在Robot 軟件中繼續進行修改、調整，并根據荷載組合規范進行荷載組合，為分析計算做準備。

2.3 分析結果對比

為了驗證Robot 軟件在市政工程結構計算方面的可行性、適用性，利用Midas 軟件的計算結果與Robot 進行對比分析。根據城市橋梁荷載標準[3]并按荷載分項系數組合[4]計算，對比結果如下。

2.3.1 總位移

匝道橋上部結構的總位移DZ對比如圖2 所示。Midas 計算結果的總位移DZ為-3.7 cm，最大位移出現在箱梁第一、三跨跨中位置；Robot 計算結果的總位移DZ為-3.7 cm，最大位移出現在箱梁第一、三跨跨中位置。由此可見，兩種計算結果的總位移基本一致。

圖2 總位移DZ 圖示

2.3.2 My彎矩包絡圖

該彎箱梁的My彎矩包絡圖對比結果如圖3 所示，兩種計算結果顯示的包絡圖形狀基本一致。最大正彎矩都出現在第一、三跨跨中位置，最大負彎矩出現在第二、三支柱位置處。

圖3 My 彎矩包絡圖

2.3.3 Fz 剪力包絡圖

該彎箱梁的Fz剪力包絡圖對比結果如圖4 所示，兩種計算結果顯示的包絡圖形狀基本一致。Midas 軟件的Fz計算結果最大值為-7 252 kN，Robot 軟件的Fz計算結果最大值為-6 579 kN。兩種結果誤差為9%，結果相差不大。

圖4 Fz 剪力包絡圖

通過總位移DZ、My彎矩包絡圖、Fz剪力包絡圖的對比，可以驗證Robot 計算結果的可行性。

3 應用總結與探討

結構計算分析在設計工作中是十分重要的部分，BIM 正向設計需要將BIM 模型與結構有限元模型統一起來，使兩個模型具有一致性、交互性的特點，以達到提高設計效率、保證計算準確的目的。

（1）Robot 與Revit 具有良好的“無縫連接”數據交互模塊，Revit 結構計算模型可直接傳遞于Robot進行計算，Robot 也可將計算結果返回于Revit 中。

（2）Robot 的計算結果與Midas 進行對比后，驗證了Robot 軟件在市政工程常見結構計算中的可行性。

（3）Robot 軟件來源于國外，其部分內容需修改調整。

（4）Revit 軟件的空間曲面造型能力不足，市政工程中具有復雜空間曲面的結構在Revit 中無法建立，也就不能與Robot 進行交互。該復雜結構可嘗試直接在Robot 中建立有限元模型或者借助其他有限元軟件進行計算并利用中間模型文件格式進行交互。

4 結語

本文提出了市政工程BIM 正向設計中的結構計算應用路線，通過Revit 建立BIM 模型，從而同時生成Revit 的分析模型，并傳遞到Robot 結構計算軟件進行計算。

通過對Robot 與Midas 兩個軟件的計算結果進行對比分析，驗證了Robot 軟件在市政工程常見結構計算中的可行性。

由于市政工程呈帶狀、體量大等特點，BIM 正向設計涉及諸多問題，本文僅僅就結構設計計算部分提出了探討，以望能夠提供一定的參考價值。