基于BIM的鋼箱梁斜拉橋有限元模型生成

高 磊

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

目前BIM建模軟件普遍不具備有限元分析的功能，BIM模型和有限元計算模型常常分開建模，無法充分發揮BIM模型三維可視化和模型信息管理方面的優勢。針對這種現象，劉照球等[1]通過Revit模型生成IFC文件來實現Revit軟件和有限元軟件之間的轉換。曲強龍[2]通過建立Revit模型，從中提取信息生成連續梁橋的混凝土MCT命令流，實現BIM模型和有限元模型的轉換。陳志為等[3]通過C#語言編制Revit模型二次開發程序接口，將Revit模型的信息生成ANSYS命令流，實現BIM模型向有限元分析模型的轉換。

關于BIM模型和有限元模型的轉換研究，目前主要集中在建筑工程方面，但在橋梁工程方面，已有的BIM模型與有限元軟件聯動的研究較少，且都集中在較為簡單的橋梁結構，對于復雜的鋼箱梁斜拉橋轉換研究尚未發現。本文利用Revit軟件中Dynamo插件和Python編程語言，研究鋼箱梁斜拉橋BIM模型轉換為ANSYS有限元計算模型。

1 工程背景

某獨塔斜拉橋為雙索面鋼箱梁結構，邊跨跨徑為80 m，中跨跨徑為100 m。該橋采用塔梁墩固結體系，拉索布置為20對共40根斜拉索，索面形式為雙索面扇形，拉索橫向間距為1.0 m，順橋向間距邊跨為6.0 m，中跨為8.0 m，橋面寬35.5 m。主塔采用順橋向雙柱式傾斜布置，傾斜角度為向邊跨傾斜75°，主塔中心線長度為5 900 cm，主塔主要構件為2根直徑為250 cm的圓形鋼管，材質為Q345qD鋼。主梁采用單箱三室結構，橋面寬35.56 m，中間為箱室結構，橋面橫向設置2%排水坡。箱梁橫向中心高度為3.0 m，鋼箱梁頂板中部位置厚度為16 mm，兩側邊緣2.1 m位置厚度為12 mm，底板厚度為12 mm。全橋共20對拉索。

2 轉換框架和方案

目前BIM模型轉換為有限元模型，大致可以分為三種類型：①通過將BIM模型輸出為IFC格式[4]，然后再通過支持IFC格式的結構分析有限元軟件進行讀入得到對應有限元模型；②通過二次開發，對BIM模型的信息進行提取轉換，創建BIM模型和有限元模型轉換接口或者直接輸出為對應有限元分析軟件的命令流文本，從而實現BIM模型和有限元模型的轉換；③通過BIM軟件內帶的計算插件進行轉換，從而生成有限元模型[5]。如圖1所示。

圖1 BIM模型和有限元模型的轉換三種類型

本文選擇二次開發方式研究BIM模型對有限元模型的轉換，轉換的有限元模型為ANSYS模型。ANSYS有限元軟件是大型有限元結構分析軟件，在橋梁工程領域有著重要應用[6]，APDL(ANSYS Parametric Design Language)文件為ANSYS特有的參數化設計語言，是記錄ANSYS有限元模型數據的文本文件，APDL文件通過命令流的方式編輯表達ANSYS有限元模型的相應數據。轉換的流程主要為：①通過BIM模型信息訪問，提取所需模型的幾何和物理等信息；②將該信息轉換為有限元模型設計語言；③對有限元模型進行運算分析。

3 BIM模型轉換為有限元模型

本橋BIM模型通過參數化建模所得，建立的鋼箱梁斜拉橋Revit模型過程如圖2所示。

圖2 整橋Revit模型建立過程

建立的整橋Revit模型包含構件的幾何及物理信息，使用Dynamo插件進行二次開發[7]，主要使用其中PythonScripe節點，利用Python語言進行模型信息的轉換。對于Revit模型橋梁信息，選擇Dynamo可視化編程插件進行提取。在節點庫中選擇SelectModelElement、Get.GetParameterValueByName等節點進行Revit模型的構件信息提取，主要的過程為：使用SelectModelElement節點進行BIM模型構件的選擇，然后將其中儲存的模型幾何信息和物理信息提取備用。提取Revit模型的信息過程如圖3所示。

圖3 提取Revit模型結構信息

模型信息提取后，通過Python Scripe節點進行Python語言的編程，利用編程語言將提取的信息轉換成APDL命令流文本。Python Scripe節點擁有輸出端和輸入端，通過接收輸入端的信息，然后利用內含的Python腳本編程，將前面提取接收的BIM模型信息進行轉換輸出為APDL命令。雙擊Python Scripe節點，即可在Python腳本空間中進行編寫，Python腳本工作空間如圖4所示。

圖4 Python腳本工作空間

以BIM模型中鋼箱梁轉換輸出為例，對于Python語言編程轉換成APDL命令流文本的部分關鍵編程代碼如下：

str5_1=str(AaN1)+"-"+str(s5)+"*I"+"，"

str5_2=str5_1+"+"+str(AbN21)+"，"

str5_3="0-"+str5_1+"*"+str(a)+"，"

str5_4="0-"+str5_1+"*"+str(a)+"-"+str(AaN21)

sec5="*DO，"+"I，"+str(a51)+"，"+str(a52)+"，"+str(a53)+" "+"RECTNG，"+str5_1+str5_2+str5_3+str5_4+" "+"*ENDDO"+" "

str6_1=str(s6)+"*I"+"，"

str6_2=str6_1+"+"+str(AbN23)+"，"

str6_3="0-"+str6_1+"*"+str(a)+"，"

str6_4="0-"+str6_1+"*"+str(a)+"-"+str(AaN23)

sec6="*DO，"+"I，"+str(a61)+"，"+str(a62)+"，"+str(a63)+" "+"RECTNG，"+str6_1+str6_2+str6_3+str6_4+" "+"*ENDDO"+" "

材料定義部分編程代碼：

mat1="mp"+"，"+"prxy"+"，"+"m1"+"，"+"m11"+" "+"mp"+"，"+"ex"+"，"+"m1"+"，"+"m12"+" "+"mp"+"，"+"dens"+"，"+"m1"+"，"+"m13"+" "

mat2="mp"+"，"+"prxy"+"，"+"m2"+"，"+"m21"+" "+"mp"+"，"+"ex"+"，"+"m2"+"，"+"m22"+" "+"mp"+"，"+"dens"+"，"+"m2"+"，"+"m23"+" "

上述部分編程代碼中的具體參數均由Revit模型提取對應信息，信息提取完成后生成在列表之中，通過Python語言將信息轉換成為APDL命令流，將轉換的APDL命令流輸入ANSYS軟件，轉換所成的有限元截面為簡化的截面，得到的截面形成的示例如圖5所示。

圖5 轉換APDL命令生成ANSYS截面

參照上述將BIM模型信息轉換成APDL命令流的方法，將所需Revit模型信息全部轉換成APDL命令流，使用ANSYS軟件讀入，生成ANSYS有限元模型。但是在轉換的過程中，對于ANSYS模型的約束問題，轉換較為不便，本文中類似于約束等少部分命令仍需在ANSYS軟件中進行完成。轉換生成ANSYS有限元模型如圖6所示。

圖6 Revit模型轉換而成的ANSYS有限元模型

為檢驗轉換模型的計算結果是否準確，將轉換的ANSYS有限元模型和單獨建立的ANSYS有限元模型進行計算結果對比，對比內容為主梁撓度值，結果如圖7所示：

圖7 ANSYS有限元模型主梁變形值

從圖中可以看出，兩個模型的撓度最大差值僅為1.61 mm，可認為兩個有限元模型主梁豎向變形結果一致。

4 結束語

本文對復雜的鋼箱梁斜拉橋BIM模型進行了ANSYS有限元模型轉換的研究，利用Dynamo插件進行可視化編程，通過Python語言將信息轉換為APDL命令文本，從而轉換為ANSYS有限元模型。雖然過程中約束等部分操作依然需要在ANSYS中完成，但節省了大量的建模時間，轉換的有限元模型運算結果較為準確，提升了BIM技術在橋梁工程建設中的一體化使用水平。