基于BIM的精細(xì)化有限元模型轉(zhuǎn)換方法

鄒 新， 林焯銘， 楊旭杰， 彭修寧

(廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

在工程設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員除了建立用于配筋計(jì)算的結(jié)構(gòu)分析模型之外，按照我國(guó)現(xiàn)行的GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，對(duì)于體型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜和超過一定高度的高層建筑物應(yīng)至少采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算[1,2]。因此，當(dāng)使用BIM(Building Information Modeling)技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要在不同的軟件中搭建計(jì)算模型，特別是對(duì)于前處理比較復(fù)雜的有限元計(jì)算軟件，這將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率十分低下。隨著BIM正向設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段不斷推廣，BIM模型與有限元分析軟件之間的模型轉(zhuǎn)換問題也日益突出，因此目前急需開發(fā)出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段所涉及的BIM模型與各結(jié)構(gòu)分析軟件之間模型轉(zhuǎn)換接口，以實(shí)現(xiàn)BIM模型的“一模多用”，減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的工作量。

目前許多結(jié)構(gòu)分析軟件如PKPM，SAP2000，MIDAS/CIVIL等均有與BIM建模軟件之間的模型轉(zhuǎn)換接口[3,4]。王強(qiáng)等[5]采用參數(shù)化建模的方法，通過ABAQUS軟件自帶的腳本語言Python開發(fā)出PKPM與ABAQUS模型轉(zhuǎn)換接口。孟仲永等[6,7]以AutoCAD為圖形處理平臺(tái)，利用C++語言開發(fā)出復(fù)雜高層和大跨度空間結(jié)構(gòu)從SAP2000和YJK到ABAQUS的模型轉(zhuǎn)換程序。董立坤等[8]提出一種中間通用的結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)描述實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)分析程序模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，并利用該方法實(shí)現(xiàn)PKPM結(jié)構(gòu)模型和ETABS結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)換。劉照球等[9,10]基于IFC(Industry Foundation Classes)中間數(shù)據(jù)格式從結(jié)構(gòu)分析模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換角度對(duì)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了研究，提出一種BIM和各類結(jié)構(gòu)分析軟件之間模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的間接方法，并開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。但以上研究在模型轉(zhuǎn)換過程中，將實(shí)體構(gòu)件簡(jiǎn)化成結(jié)構(gòu)單元(梁?jiǎn)卧卧?，或僅針對(duì)由矩形構(gòu)件組成的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的有限元模型不適用于結(jié)構(gòu)精細(xì)化分析。

1 ACIS-API模型轉(zhuǎn)換基本框架

目前BIM模型向有限元模型轉(zhuǎn)換通常有三種方式：(1)基于IFC中間標(biāo)準(zhǔn)格式文件實(shí)現(xiàn)不同軟件之間的模型轉(zhuǎn)換以及信息傳遞，但在實(shí)際應(yīng)用中，各軟件公司并未嚴(yán)格按照IFC標(biāo)準(zhǔn)格式構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，從而導(dǎo)致僅使用IFC中間格式進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)IFC文件讀取及輸出錯(cuò)誤、信息丟失等情況，此轉(zhuǎn)換方式不適用結(jié)構(gòu)精細(xì)化分析；(2)基于軟件二次開發(fā)直接提取BIM模型的幾何信息、材質(zhì)信息等，最終通過編程語言將提取出的信息整理成有限元軟件可識(shí)別的數(shù)據(jù)文件，進(jìn)而生成有限元模型， 但這種模型轉(zhuǎn)換方式并不能在有限元分析軟件中形成有限元幾何模型，并且需要在轉(zhuǎn)換程序中自行編寫模型網(wǎng)格劃分規(guī)則，無法進(jìn)一步修改、拓展結(jié)構(gòu)模型以及重新劃分網(wǎng)格，此轉(zhuǎn)換方式也無法滿足結(jié)構(gòu)精細(xì)化分析的需求；(3)基于統(tǒng)一的中心數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)模型無損轉(zhuǎn)換，但中心數(shù)據(jù)庫只在同一軟件廠商內(nèi)部開放。

本文在上述三種轉(zhuǎn)換方式的基礎(chǔ)上提出一種ACIS-API模型轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)BIM模型向精細(xì)化有限元模型的自動(dòng)化轉(zhuǎn)換。

1.1 ACIS-API模型轉(zhuǎn)換方法

ACIS格式文件由幾何信息、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和屬性三部分組成，其中幾何信息只包含組成模型實(shí)體的點(diǎn)、線、面信息；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述了組成ACIS模型實(shí)體之間的連接方式；屬性則是用來儲(chǔ)存實(shí)體的附加信息或者用戶信息。ACIS格式文件可描述線框、曲面以及實(shí)體三種模型，并且ACIS格式文件采用邊界表達(dá)(B-rep)描述幾何體，能較好地描述復(fù)雜結(jié)構(gòu)幾何體，且定義的三維模型具有唯一性[11]。

因此，本文以ACIS格式文件為基礎(chǔ)，API軟件二次開發(fā)為輔提出一種ACIS-API模型轉(zhuǎn)換方法，其主要流程如下：(1)在BIM建模軟件中導(dǎo)出ACIS格式文件，之后在有限元分析軟件中讀取ACIS格式文件生成ACIS幾何模型；(2)詳細(xì)分析精細(xì)化模型轉(zhuǎn)換所需信息，為BIM模型添加材質(zhì)、荷載及邊界條件等基礎(chǔ)信息，完善BIM模型向精細(xì)化有限元模型轉(zhuǎn)換所需信息；(3)建立外部模型信息數(shù)據(jù)庫，利用軟件二次開發(fā)提取BIM模型中的幾何、材質(zhì)、荷載及邊界條件等信息，并將提取出的信息儲(chǔ)存于外部數(shù)據(jù)庫中；(4)將ACIS幾何模型與數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存信息進(jìn)行信息匹配，通過軟件二次開發(fā)將材質(zhì)、荷載及邊界條件信息賦予相應(yīng)ACIS幾何模型上，形成有限元幾何模型；(5)對(duì)有限元幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成有限元分析模型。具體流程如圖1所示。

圖1 ACIS-API模型轉(zhuǎn)換方法流程

1.2 模型數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)庫交互

為避免在模型轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)冗余信息過多而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率低下、信息丟失等情況，本文采用建立外部模型數(shù)據(jù)庫方式，對(duì)模型信息進(jìn)行儲(chǔ)存及傳遞。并采用ADO(Active Data Object)數(shù)據(jù)訪問技術(shù)[12]實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)庫交互，交互內(nèi)容主要包括：(1)根據(jù)模型轉(zhuǎn)換所需信息建立相應(yīng)的模型信息儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫；(2)提取BIM模型信息，并將其儲(chǔ)存至外部模型信息數(shù)據(jù)庫；(3)將數(shù)據(jù)庫中模型信息與ACIS幾何模型進(jìn)行匹配。

2 模型轉(zhuǎn)換接口實(shí)現(xiàn)

ABAQUS作為通用的有限元分析軟件，可以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的線性以及非線性問題，但其結(jié)構(gòu)建模的前處理過程十分繁瑣，尤其是對(duì)于包含異形構(gòu)件的建筑，做到精細(xì)化建模則需要大量時(shí)間和精力。而作為被廣泛應(yīng)用的BIM建模軟件Revit，其強(qiáng)大的建模功能可以將復(fù)雜建筑物的幾何信息和非幾何信息集成在其建立的數(shù)字化模型中，且這些信息允許用戶通過二次開發(fā)提取使用[13,14]，同時(shí)ABAQUS軟件開放了內(nèi)核程序(Kernel)的腳本接口，可通過Python語言調(diào)用Kernel建立幾何模型、指定材料屬性、施加荷載以及邊界條件等命令[15]。

本文以Revit與ABAQUS為例，采用上述ACIS-API模型轉(zhuǎn)換方法編寫精細(xì)化模型轉(zhuǎn)換程序，實(shí)現(xiàn)Revit與ABAQUS之間的精細(xì)化模型轉(zhuǎn)換。

2.1 單位轉(zhuǎn)換

由于Revit軟件中的基本單位制為英尺，而ABAQUS軟件中并未規(guī)定其基本單位制。因此，在模型轉(zhuǎn)換過程中需要人為規(guī)定ABAQUS軟件中的基本單位制，本文所規(guī)定的ABAQUS軟件中的基本單位制如表1所示。Revit API提供了UniUtils類，可通過UniUtils.ConvertFromInternal-Units()方法實(shí)現(xiàn)Revit與ABAQUS軟件之間的單位轉(zhuǎn)換。

表1 ABAQUS基本單位制

2.2 模型轉(zhuǎn)換所需信息分析

為滿足精細(xì)化有限元模型轉(zhuǎn)化的信息需求，應(yīng)對(duì)模型轉(zhuǎn)換所需信息進(jìn)行詳細(xì)分析。根據(jù)ABAQUS軟件中生成精細(xì)化有限元模型所需信息，可將模型信息分為幾何信息、材質(zhì)信息、荷載及邊界條件三大類。本文基于MySQL數(shù)據(jù)庫建立外部模型數(shù)據(jù)庫，其中外部模型信息數(shù)據(jù)庫包含三個(gè)數(shù)據(jù)庫：(1)幾何信息庫，用于儲(chǔ)存BIM模型中構(gòu)件的幾何信息；(2)材質(zhì)信息庫，用于儲(chǔ)存BIM模型的混凝土、鋼筋等材質(zhì)信息；(3)荷載及邊界條件信息庫，用于儲(chǔ)存BIM模型中荷載信息以及邊界條件。

同時(shí)為保證數(shù)據(jù)庫中BIM模型信息與ACIS幾何模型精確匹配，需要對(duì)BIM模型中的每個(gè)構(gòu)件定義一個(gè)唯一主鍵用于構(gòu)件與其對(duì)應(yīng)的材質(zhì)信息和荷載及邊界條件信息形成拓?fù)潢P(guān)系。圖2為外部模型信息數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型，以幾何信息庫中的構(gòu)件ID為唯一主鍵，通過構(gòu)件ID將幾何數(shù)據(jù)庫、材質(zhì)信息庫、荷載及邊界條件信息庫聯(lián)系在一起，便于數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)查詢和使用[16]。

圖2 外部模型信息數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

2.3 生成幾何模型

本文以ACIS文件格式為基礎(chǔ)，利用Revit二次開發(fā)將BIM模型中的幾何模型信息整理成ACIS格式描述的數(shù)據(jù)文件，其次利用ABAQUS二次開發(fā)讀取ACIS格式文件在ABAQUS中生成ACIS幾何模型。

以下為生成幾何模型核心代碼：

(1)Revit中輸出ACIS格式數(shù)據(jù)文件

//文件夾儲(chǔ)存位置

string folderPath=@"F:DesktopExportSAT";

//ACIS格式輸出文件名

string fileName="GeometricModel";

Listviews=GetViews(document);

//遍歷各個(gè)視圖的BIM模型構(gòu)件

foreach (Element elment in views)

{

View3Dview3D=elment as View3D;

ListelementIds1=new List();

//需要轉(zhuǎn)換模型視圖ID

ElementId viewId=view3D.Id;

elementIds1.Add(viewId);

SATExportOptions exportOptions=new SATExportOptions();

經(jīng)過十余年的探索實(shí)踐，重慶市婚姻家庭社會(huì)工作內(nèi)容逐漸完善，主要包括三方面：一是打造“家和計(jì)劃”特色服務(wù)品牌；二是構(gòu)建“4+5+5”服務(wù)創(chuàng)新模式；三是初步形成標(biāo)準(zhǔn)體系。

// ACIS格式文件輸出函數(shù)

document.Export(folderPath, fileName,

elementIds1,exportOptions);

}

(2)形成ACIS幾何模型

filepath="F:/Desktop/ExportSAT/GeometricModel.s-at"

//讀取ACIS格式文件

acis=mdb.openAcis(filepath,scaleFromFile=OFF)

//生成幾何模型

mdb.models['Model-1'].PartFromGeometryFile(na-me=partName,geometryFile=acis,bodyNum=i1, combine=False,dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

2.4 信息匹配

ACIS幾何模型與外部數(shù)據(jù)庫模型信息匹配主要包含以下步驟：(1)通過判斷ACIS模型幾何特征與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的模型幾何信息是否一致，將ACIS幾何模型與構(gòu)件ID關(guān)聯(lián)；(2)根據(jù)構(gòu)件ID查找ACIS幾何模型對(duì)應(yīng)的材質(zhì)、荷載及邊界條件等信息，并通過ABAQUS二次開發(fā)賦予相應(yīng)構(gòu)件；(3)根據(jù)構(gòu)件ID查找ACIS幾何模型對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)信息，并通過ABAQUS二次開發(fā)對(duì)幾何模型進(jìn)行裝配，最終形成ABAQUS有限元幾何模型。具體流程如圖3所示。

圖3 信息匹配流程

3 程序驗(yàn)證

3.1 幾何模型轉(zhuǎn)換驗(yàn)證

在Revit軟件中運(yùn)行模型轉(zhuǎn)換程序?qū)С鯝CIS格式文件，圖4為ACIS格式文件截取片段，程序自動(dòng)獲取BIM模型信息并將其儲(chǔ)存入外部模型數(shù)據(jù)庫，之后在ABAQUS中讀取ACIS格式文件生成ACIS幾何模型。圖5為門式鋼框架模型、水閘、斜拉橋BIM模型轉(zhuǎn)換后示意圖，由圖可見轉(zhuǎn)換后模型并未出現(xiàn)構(gòu)件丟失、錯(cuò)位等現(xiàn)象，從而驗(yàn)證該模型轉(zhuǎn)換程序可實(shí)現(xiàn)幾何模型精細(xì)化轉(zhuǎn)換。

圖4 ACIS格式文件片段

圖5 幾何模型轉(zhuǎn)換對(duì)比

3.2 網(wǎng)格劃分驗(yàn)證

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量以及單元類型對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果有著巨大影響，模型轉(zhuǎn)換程序在完成幾何模型轉(zhuǎn)換之后，幾何模型可按照結(jié)構(gòu)計(jì)算精細(xì)化程度自行在ABAQUS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、賦予單元類型，同時(shí)也可對(duì)網(wǎng)格大小以及單元類型進(jìn)行調(diào)整，最終形成有限元分析模型。圖6為不同網(wǎng)格尺寸的網(wǎng)格劃分對(duì)比圖，其中圖6a網(wǎng)格大小為300 mm、六面體單元類型(C3D8 )，圖6b網(wǎng)格大小為150 mm、四面體單元(C3D10)類型。

圖6 不同網(wǎng)格尺寸的網(wǎng)格劃分對(duì)比

3.3 轉(zhuǎn)換后有限元分析模型正確性驗(yàn)證

3.3.1 靜力計(jì)算分析

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)化之后有限元模型的正確性，對(duì)T形螺栓連接鋼梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力分析，采用上述轉(zhuǎn)換方法將BIM模型轉(zhuǎn)化成ABAQUS有限元模型，如圖7所示。梁柱及相關(guān)附件采用Q235鋼、螺栓采用10.9級(jí)M16高強(qiáng)度螺栓，其初始預(yù)拉力根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]選取，模型材質(zhì)信息及單元類型如表2所示。同時(shí)對(duì)梁施加30 kN，柱頂施加10 kN集中力，柱底采用固端約束，并對(duì)梁端以及柱頂施加面外約束。

圖7 轉(zhuǎn)換后T形節(jié)點(diǎn)ABAQUS模型

表2 材質(zhì)信息及單元類型

圖8為T形螺栓連接鋼梁柱節(jié)點(diǎn)靜力計(jì)算結(jié)果，由圖可知最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼梁柱節(jié)點(diǎn)連接處，梁端最大位移為6.2 mm，T形板發(fā)生小幅度屈曲，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際工程狀況。并且T形節(jié)點(diǎn)在力的作用下位移場(chǎng)保持連續(xù)，各構(gòu)件連接處未出現(xiàn)突變。從而表明轉(zhuǎn)換后的有限元分析模型無材質(zhì)、荷載邊界條件信息丟失，適用于有限元精細(xì)化分析。

圖8 T形節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

3.3.2 模態(tài)分析

另外以三層混凝土框架結(jié)構(gòu)為例(圖9)，用以驗(yàn)證轉(zhuǎn)換后有限元分析模型的正確性以及對(duì)計(jì)算效率進(jìn)行說明。其中，柱采用C35混凝土，梁板采用C30混凝土，結(jié)構(gòu)縱筋采用HRB400鋼筋，箍筋采用HRB335鋼筋。底層柱均采用剛接，部分模型信息如圖10所示。

圖9 SAP2000與ABAQUS計(jì)算分析模型對(duì)比

圖10 Revit-ABAQUS模型信息數(shù)據(jù)庫部分模型信息

同時(shí)本文還在SAP2000中建立構(gòu)件尺寸、材質(zhì)信息以及荷載邊界條件完全相同的結(jié)構(gòu)分析模型，計(jì)算其前3階的固有頻率，然后與ABAQUS中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。SAP2000模型與ABAQUS模型模態(tài)分析結(jié)果如表3所示，前三階振型對(duì)比如圖11所示。

圖11 三層框架結(jié)構(gòu)模型振型對(duì)比

表3 SAP2000模型與ABAQUS模態(tài)分析結(jié)果

由表3可知，兩個(gè)模型的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量基本一致，結(jié)構(gòu)前三階自振周期誤差在5%之內(nèi)，各階模態(tài)MAC值均在0.9以上，說明兩者計(jì)算出的振型符合程度較高，進(jìn)而表明模型轉(zhuǎn)換正確，可用于計(jì)算。

就前處理建模效率而言，采用本文的模型轉(zhuǎn)換方法，ABAQUS模型前處理建模效率明顯高于SAP2000，但由于ABAQUS中轉(zhuǎn)換之后的有限元模型采用計(jì)算精度更高實(shí)體單元類型，相較于SAP2000中采用纖維梁?jiǎn)卧?、殼單元的?jì)算模型分析所需時(shí)間更長(zhǎng)，并且兩者計(jì)算結(jié)果相差無幾。

4 結(jié) 論

(1)為解決當(dāng)前BIM模型向有限元分析模型轉(zhuǎn)換后模型無法用于精細(xì)化分析問題，本文提出ACIS-API模型轉(zhuǎn)換方法，該方法可將BIM模型中包含的幾何、材質(zhì)、荷載及邊界條件等信息完整精確地賦予有限元模型，實(shí)現(xiàn)BIM模型向精細(xì)化有限元模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換，無需在有限元軟件中重復(fù)建模以及結(jié)構(gòu)參數(shù)賦予等操作，為結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化分析奠定基礎(chǔ)。

(2)同時(shí)本文根據(jù)上述模型轉(zhuǎn)換方法編寫了Revit與ABAQUS之間精細(xì)化模型轉(zhuǎn)換程序，該模型轉(zhuǎn)換程序可將BIM模型向ABAQUS精細(xì)化有限元模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并且轉(zhuǎn)換之后的有限元模型可根據(jù)計(jì)算精細(xì)化程度自行在ABAQUS中劃分網(wǎng)格、賦予網(wǎng)格單元類型、重新劃分網(wǎng)格以及修改和拓展結(jié)構(gòu)模型。

(3)本文提出的模型轉(zhuǎn)換方法主要針對(duì)于需要精細(xì)化分析的復(fù)雜結(jié)構(gòu)類型，采用本文提出的模型轉(zhuǎn)換方法可明顯提高計(jì)算效率。同時(shí)也可用于規(guī)則簡(jiǎn)單的BIM模型轉(zhuǎn)換，但轉(zhuǎn)換之后的有限元模型相較于采用纖維梁?jiǎn)卧?、殼單元?jì)算模型，其計(jì)算效率提高程度不明顯，在如何既保證計(jì)算精度又能提高計(jì)算效率這一方面今后可進(jìn)行更加深入研究。