Revit-Midas/Civil模型轉(zhuǎn)換方法及應(yīng)用

何祥平 王 浩 張一鳴 王飛球 茅建校 謝以順,

(1東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189)(2中鐵二十四局集團(tuán)江蘇工程有限公司，南京 210038)

近年來(lái)，橋梁結(jié)構(gòu)正朝著大型化、規(guī)?；?fù)雜化方向不斷發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)階段建模工作難度日益增大.傳統(tǒng)手動(dòng)建模方式存在效率低下、信息傳遞錯(cuò)誤率高等問(wèn)題，難以滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全分析需求.建筑信息模型(BIM)技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了技術(shù)支撐[1]，利用其可視化、協(xié)調(diào)性和參數(shù)化等優(yōu)點(diǎn)，可將有限元分析所需參數(shù)信息存儲(chǔ)于BIM模型中，通過(guò)數(shù)據(jù)傳遞實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的有限元快速建模及橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析[2].

通過(guò)對(duì)BIM模型的二次開發(fā)提取結(jié)構(gòu)分析所需的結(jié)構(gòu)建模信息，并傳遞至有限元分析軟件，是實(shí)現(xiàn)BIM模型向有限元模型轉(zhuǎn)換的有效手段[3-4].文獻(xiàn)[5]通過(guò)開發(fā)Rhino參數(shù)化插件Grasshopper，編寫了截面信息提取和命令流生成模塊，實(shí)現(xiàn)了Rhino軟件到Midas/Civil軟件間的模型轉(zhuǎn)換.文獻(xiàn)[6]基于Revit API接口和C#語(yǔ)言，開發(fā)了Revit與ANSYS的交互程序，實(shí)現(xiàn)了BIM模型向有限元模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換.文獻(xiàn)[7]利用可視化編程工具Dynamo，基于Python Script節(jié)點(diǎn)編寫了功能腳本，實(shí)現(xiàn)了從BIM模型到Midas/Civil模型的轉(zhuǎn)換.BIM模型向有限元模型的信息傳遞也由最初僅能夠傳遞橋梁截面信息，豐富到橋梁截面特性、材料、荷載、邊界條件等信息.文獻(xiàn)[8]通過(guò)二次開發(fā)提取了Revit橋梁模型中的幾何參數(shù)、彈性模量等基本信息，實(shí)現(xiàn)了Revit與MIDAS/CIVIL間的模型轉(zhuǎn)換，但未包含預(yù)應(yīng)力束、施工節(jié)段劃分等信息的傳遞.由于軟件的數(shù)據(jù)格式、編碼標(biāo)準(zhǔn)等不同，由BIM模型向有限元模型轉(zhuǎn)換仍存在傳遞信息有限、不同平臺(tái)交互性差等問(wèn)題，有待進(jìn)一步拓展BIM軟件在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域中的應(yīng)用.

為進(jìn)一步研究BIM技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值，本文提出了一種基于二次開發(fā)的BIM模型向有限元模型轉(zhuǎn)換方法，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種模型轉(zhuǎn)換程序.以某連續(xù)梁橋?yàn)閷?duì)象，分析并驗(yàn)證了模型轉(zhuǎn)換方法的可行性與轉(zhuǎn)換程序的有效性.

1 Revit-Midas/Civil模型轉(zhuǎn)換方法

BIM技術(shù)具有信息集成特性[9-10]，在進(jìn)行三維建模時(shí)以模型為載體，存儲(chǔ)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)、單元、關(guān)鍵截面參數(shù)、預(yù)應(yīng)力鋼束、材料、施工階段劃分信息等數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)模型間的信息傳遞.目前， BIM模型與結(jié)構(gòu)分析模型間的轉(zhuǎn)換方法主要有2種：① 通過(guò)IFC標(biāo)準(zhǔn)格式的中間文件進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，即先將BIM模型以IFC格式輸出，再將IFC格式文件導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析軟件，生成有限元模型；② 通過(guò)二次開發(fā)程序接口，直接提取BIM模型的幾何信息和物理信息，將提取的信息整理成結(jié)構(gòu)分析軟件中的語(yǔ)言格式，進(jìn)而生成有限元模型.

Midas/Civil雖然可通過(guò)導(dǎo)入MCT文件生成有限元模型，但無(wú)法提供IFC標(biāo)準(zhǔn)的支持，因此第1種方法不適用于Revit與Midas/Civil間的模型轉(zhuǎn)換.若能通過(guò)二次開發(fā)提取BIM模型中的構(gòu)件屬性信息并以MCT格式導(dǎo)出，即可實(shí)現(xiàn)BIM模型向有限元模型的直接轉(zhuǎn)換.鑒于此，本文提出了一種Revit-Midas/Civil模型轉(zhuǎn)換方法(見圖1).轉(zhuǎn)換步驟具體如下：

圖1 Revit-Midas/Civil模型轉(zhuǎn)換方法

① 模型處理.將BIM模型劃分為多個(gè)施工節(jié)段，以便程序獲取各節(jié)段的箱梁數(shù)量、節(jié)段長(zhǎng)度、位置坐標(biāo)等關(guān)鍵信息.支座節(jié)點(diǎn)根據(jù)橋墩模型信息、上部零號(hào)塊、邊跨現(xiàn)澆塊的模型信息來(lái)定位模擬.

② 關(guān)鍵截面參數(shù)的傳遞.梁?jiǎn)卧慕孛鎱?shù)從梁BIM模型中提取，主要包括箱梁高度、頂?shù)装鍖挾取⒏拱鍖挾?、倒角尺寸、翼緣板厚度、翼緣板寬度等幾何信?

③ 材料參數(shù)的傳遞.有限元分析軟件所需的材料信息可在建立BIM模型時(shí)添加物理、力學(xué)參數(shù)信息，便于程序識(shí)別獲取.

④ 預(yù)應(yīng)力鋼束信息的傳遞.預(yù)應(yīng)力鋼束信息處理是BIM模型向有限元模型轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵.以EDFBTools設(shè)計(jì)工具箱為媒介，在預(yù)應(yīng)力孔道的BIM模型中添加適用于MCT格式的預(yù)應(yīng)力鋼束信息，采用C#語(yǔ)言直接編寫入MCT文件中.

⑤ 施工階段劃分信息的傳遞.連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)分析涉及臨時(shí)固結(jié)、最大懸臂、合龍等施工狀態(tài).以此為依據(jù)，在BIM模型中設(shè)置相應(yīng)的載荷和邊界條件，使得生成的有限元模型可直接用于計(jì)算分析.

⑥ MCT文件生成.編寫MCT文件并導(dǎo)入Midas/Civil軟件，即可自動(dòng)建立橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，檢查無(wú)誤后進(jìn)行分析計(jì)算.

2 模型轉(zhuǎn)換程序開發(fā)

2.1 開發(fā)工具

Revit軟件除具有強(qiáng)大的參數(shù)化三維建模功能外，其應(yīng)用程序編程接口(API)為將擴(kuò)展功能的應(yīng)用程序集成到整個(gè)軟件平臺(tái)提供了極大方便，無(wú)需訪問(wèn)內(nèi)部源碼或理解內(nèi)部工作機(jī)制[11-12].基于Revit API.dll和Revit APIUI.dll程序集，可以深入訪問(wèn)Revit底層數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取模型的幾何及非幾何信息，借助UI功能拓展，方便點(diǎn)選模型構(gòu)件，提升人機(jī)交互界面功能.數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)精準(zhǔn)，人機(jī)交互界面靈活，有利于軟件功能的拓展，從而實(shí)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的交互訪問(wèn)[13-14].

以Revit 2017為BIM建模平臺(tái)，利用Revit API進(jìn)行二次開發(fā)，采用擴(kuò)展應(yīng)用的方式開發(fā)模型轉(zhuǎn)換程序，并選擇Visual Studio 2017為編程軟件，C#為編程語(yǔ)言，以適應(yīng)二次開發(fā)時(shí)基于.NET Framework 4.5及以上編程環(huán)境的編譯和調(diào)試需求.

2.2 開發(fā)流程

Revit中的模型信息主要包括幾何尺寸、截面特性、材料特性、邊界條件等，而利用Midas/Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)包含荷載工況、構(gòu)件兩端約束、邊界條件等.Revit與Midas/Civil中的模型信息對(duì)比見表1.

表1 Revit與Midas/Civil中的模型信息對(duì)比

由表1可知，可獲取的信息與編寫MCT格式文件所需的數(shù)據(jù)吻合.因此，可利用Revit API二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取轉(zhuǎn)存，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)Revit與Midas/Civil之間的模型轉(zhuǎn)換.模型轉(zhuǎn)換程序開發(fā)流程見圖2.程序主要設(shè)計(jì)功能包括節(jié)段劃分、信息獲取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)編寫、文件編寫等.主要步驟如下：

圖2 模型轉(zhuǎn)換程序開發(fā)流程

① 完成代碼編寫并進(jìn)行編譯，生成解決方案；

② 編譯成功后生成.dll文件并進(jìn)行程序調(diào)試；

③ 調(diào)試成功后，啟動(dòng)Revit程序，跟蹤程序執(zhí)行過(guò)程，驗(yàn)證程序功能.

2.3 模型轉(zhuǎn)換程序

基于二次開發(fā)編寫的模型轉(zhuǎn)換程序Revit to Midas/Civil(RTM)可集成到Revit軟件界面(見圖3).

圖3 RTM程序界面

RTM程序?qū)υ捒蚩深A(yù)設(shè)表格，以校核橋梁截面提取的信息，避免因錯(cuò)選、漏選橋梁結(jié)構(gòu)BIM模型導(dǎo)致信息缺失.通過(guò)點(diǎn)擊“選擇連續(xù)梁”按鈕，即可框選連續(xù)梁橋模型.被框選的連續(xù)梁橋模型節(jié)段截面參數(shù)將出現(xiàn)于對(duì)話框預(yù)設(shè)表格，如果截面參數(shù)無(wú)誤，則點(diǎn)擊“導(dǎo)出連續(xù)梁數(shù)據(jù)”，以自動(dòng)提取并保存連續(xù)梁橋的節(jié)點(diǎn)、單元、截面信息、材料等信息為MCT格式；如果錯(cuò)選、漏選，則點(diǎn)擊“清空數(shù)據(jù)”重新選擇(見圖4).數(shù)據(jù)將以MCT格式文件保存，并可被Midas/Civil讀取，在讀取前可檢查節(jié)點(diǎn)、單元、材料等保存的文件.

圖4 Revit模型數(shù)據(jù)讀取與存儲(chǔ)

將由RTM程序生成的MCT格式文件導(dǎo)入Midas/Civil后，即可生成如圖5所示的橋梁有限元模型.由于僅提取了連續(xù)梁橋BIM模型中節(jié)點(diǎn)、單元、材料、預(yù)應(yīng)力鋼束及施工節(jié)段劃分信息，對(duì)于連續(xù)梁橋BIM模型未包含的荷載、邊界條件、收縮徐變信息，則需要在生成的有限元模型上進(jìn)一步添加.

圖5 連續(xù)梁橋有限元模型

3 模型轉(zhuǎn)換方法驗(yàn)證

為分析所提模型轉(zhuǎn)換方法的可行性并驗(yàn)證模型轉(zhuǎn)換程序的有效性，以連云港至徐州高速鐵路中某連續(xù)梁為例開展應(yīng)用研究.該橋?yàn)閱蜗鋯问翌A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑布置為(40+72+40)m，具有直腹板、變截面、變高度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(見圖6).該橋的Revit模型見圖7.

圖6 某大跨度連續(xù)梁橋(單位：m)

圖7 連續(xù)梁橋Revit模型

3.1 模型轉(zhuǎn)換參數(shù)

將通過(guò)RTM程序生成的MCT文件導(dǎo)入Midas/Civil中，即可生成連續(xù)梁有限元模型，進(jìn)一步檢驗(yàn)并補(bǔ)充相關(guān)參數(shù)后即可提交計(jì)算.相關(guān)參數(shù)具體如下：

1) 單元類型.該橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，有限元分析采用Midas/Civil變截面梁?jiǎn)卧?

2) 材料參數(shù)及預(yù)應(yīng)力鋼束信息.主梁梁體采用C50混凝土，根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10092—2017)[15]，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表2.預(yù)應(yīng)力鋼束主要包括頂板束、腹板束、底板束和合龍束，均采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa鋼絞線.錨口及喇叭口損失按錨外控制應(yīng)力的6%計(jì)算，孔道摩阻系數(shù)為0.23，孔道偏差系數(shù)為2.5×10-3.松弛損失、收縮徐變及其他各項(xiàng)損失均按規(guī)范[15]取值.

表2 材料參數(shù)

3) 荷載參數(shù).恒載按實(shí)際結(jié)構(gòu)計(jì)算，同時(shí)考慮腹板變寬及底板變厚.橫梁和預(yù)應(yīng)力錨塊自重按均布荷載施加，將掛籃荷載模擬為作用于梁?jiǎn)卧募辛土?，混凝土濕重按集中荷載考慮，取1.1倍的混凝土自重.混凝土收縮徐變按野外一般條件計(jì)算，相對(duì)濕度取70%，相鄰兩支點(diǎn)的基礎(chǔ)不均勻沉降Δ=0.015 m.根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10092—2017)[15]，設(shè)計(jì)合龍溫度為16～20 ℃，均勻溫差按升降溫20 ℃計(jì)算，日照溫差按頂板升溫8 ℃計(jì)算.

4) 邊界條件.連續(xù)梁橋采用平衡懸臂施工法，施工過(guò)程涉及到體系轉(zhuǎn)換，故邊界條件隨著施工階段而改變，主要包括墩梁固結(jié)、支架現(xiàn)澆、最大懸臂、全橋合龍狀態(tài)等.

5) 施工階段劃分.根據(jù)實(shí)際施工方法和順序，將連續(xù)梁橋施工劃分為0#段施工、掛籃安裝、懸臂段施工、合龍等施工階段，均按7 d施工周期模擬.懸臂段施工過(guò)程包括鋼筋綁扎、內(nèi)模安裝、混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)、掛籃前移等.該橋沒有邊跨合龍段，故在邊跨現(xiàn)澆段增加了壓重鐵砂混凝土.

3.2 應(yīng)力分析

對(duì)基于BIM模型生成的連續(xù)梁有限元模型進(jìn)行最大懸臂狀態(tài)與全橋合龍狀態(tài)的施工階段應(yīng)力分析，所得橋梁頂板與底板應(yīng)力分布見圖7和圖8，應(yīng)力分析結(jié)果見表3.

(a) 梁頂板

(a) 梁頂板

表3 應(yīng)力分析結(jié)果

由表3可知，最大懸臂與全橋合龍狀態(tài)時(shí)，箱梁最大壓應(yīng)力均小于C50混凝土容許壓應(yīng)力16.8 MPa[15]，且與僅采用Midas/Civil手動(dòng)建模的應(yīng)力分析結(jié)果保持一致，說(shuō)明由BIM模型轉(zhuǎn)換的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型可用于應(yīng)力分析且結(jié)果合理，從而驗(yàn)證了Revit-Midas/Civil模型轉(zhuǎn)換方法的可行性與模型轉(zhuǎn)換程序的有效性.

4 結(jié)論

1) 本文提出了一種Revit與Midas/Civil間的模型轉(zhuǎn)換方法，即通過(guò)訪問(wèn)BIM模型中結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)象存儲(chǔ)的屬性信息，獲取橋梁結(jié)構(gòu)分析所需的有限元建模參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成Midas/Civil軟件的語(yǔ)言格式，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析相關(guān)信息的準(zhǔn)確添加.

2) 基于二次開發(fā)，編寫了模型轉(zhuǎn)換程序RTM并集成于Revit軟件中.通過(guò)在某連續(xù)梁橋上的應(yīng)用，驗(yàn)證了模型轉(zhuǎn)換方法的可行性與模型轉(zhuǎn)換程序的有效性，由BIM模型直接轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)分析模型的方法提高了橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析的建模效率，彌補(bǔ)了BIM技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)分析方面的不足.

3) 后續(xù)將進(jìn)一步完善模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中荷載參數(shù)、邊界條件、收縮徐變等數(shù)據(jù)信息的獲取與傳遞方法，開發(fā)更高效全面的BIM～FEM模型轉(zhuǎn)換程序，為解決橋梁工程設(shè)計(jì)階段的信息斷層、重復(fù)性工作等問(wèn)題提供參考.