BIM技術在橋梁有限元分析中的應用

周生建 王維偉 王明偉 聶彥軍 王鑫

北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082

引言

目前BIM技術在橋梁設計中的應用主要集中在三維建模、碰撞檢查、施工模擬和方案比選等，其在數據協調、信息共享、優(yōu)化設計等方面與傳統(tǒng)設計相比具有明顯的優(yōu)勢。但BIM建模軟件與橋梁有限元分析軟件在依托平臺、研發(fā)方向等領域存在差異，導致橋梁BIM模型進行結構分析時存在薄弱點。結構有限元分析在橋梁整體設計流程中占有重要的位置，是BIM技術實現正向設計的必經之路。

橋梁BIM模型和有限元分析模型在建模時擁有高度相同的參數，為實現數據共享，在有限元分析中有效利用BIM構件參數，相關學者對BIM技術在橋梁有限元分析中的應用進行了研究。何祥平、王浩等基于Revit API 和C＃語言提出了一種BIM模型向Midas有限元模型的轉換方法，實現了預應力混凝土連續(xù)梁在有限元建模過程中結構參數信息的準確添加［1］；王文芳、楊剛等基于Revit API和C＃語言的二次開發(fā)將斜拉橋BIM 模型轉換為包含不同單元類型的ANSYS 有限元模型［2］；陳志為、吳焜等基于C語言，編制了BIM軟件Revit和有限元分析軟件ANSYS 間的程序接口，并通過工程實例進行了驗證［3］。賴華輝、鄧雪原等基于IFC標準的BIM數據共享與交換技術路線，解決了建筑項目過程中的數據交互問題［4］；林佳瑞、張建平提出一種IFC標準的綠色性能分析數據轉換與共享方法，實現了IFC 向gbXML的自動轉化，有效降低了信息重復建模成本［5］；張曉洋、胡振中提出IFC-API 建筑結構模型轉換模式，涵蓋從建筑模型到結構分析模型的自動轉換及多結構分析模型間的聯合分析對比［6］。

在這些研究中，關注較多的是連續(xù)梁橋、斜拉橋和建筑物等結構，而對國內應用最為廣泛的簡支梁橋研究較少。因此，本文重點研究了基于Autodesk Revit的BIM技術在簡支梁橋結構有限元分析中的應用，梳理出橋梁BIM 模型與結構有限元模型的數據架構及其轉換方法，通過編程工具Dynamo 和Python 腳本進行開發(fā)應用，最終實現BIM 模型和有限元分析模型的數據共享，形成一套完整的可視化、數字化、智慧化解決方案。

1BIM模型和有限元模型的數據集成

橋梁BIM模型是以道路中心線為基準在平面和豎向兩個維度上進行建模，除主體結構外同樣會建立支座、伸縮縫和欄桿等附屬設施，從而真實反映出橋梁各構件的尺寸、材料特性和相對位置關系。而在橋梁結構的有限元分析模型中，通常將主要受力構件簡化為平面桿系結構，對計算模型的截面、單元長度等參數數據有一定的規(guī)則要求。因此，BIM建模軟件所建立的BIM模型與有限元模型有很大區(qū)別，雖然分析所需的數據可在BIM模型中直接提取或根據參數的邏輯關系計算得到，但這使得BIM+結構有限元分析變得十分困難。

本文結合橋梁常用有限元分析軟件Midas Civil，利用Revit 構件參數的開放性和多樣性特點，對參數進行對應的編碼或命名，實現BIM參數的有限元化，并通過Python腳本輸出分析命令流，從而準確實現BIM技術在橋梁有限元分析中的正向應用。

基于BIM技術的橋梁有限元分析數據轉換架構如圖1 所示?；跇蛄河邢拊治鏊璧臄祿Y構，創(chuàng)建上部結構和下部結構的BIM參數化構件。通過橋梁布跨信息表，將參數化構件依據設計規(guī)則進行空間布置，建立全橋BIM模型。首先分析全橋模型中主要結構的屬性信息，選擇受力控制的構件，讀取截面形狀、材料特性、邊界位置、控制節(jié)點等數據。然后通過Python腳本進行數據處理以滿足有限元分析的數據結構，實現劃分節(jié)點、建立單元和預應力鋼束等工作，完成單梁或梁格有限元模型的創(chuàng)建，將處理后的數據輸出為MCT命令流。最后將命令流數據導入有限元軟件Midas Civil，進行施加荷載和定義施工階段等工作，完成結構有限元分析的前處理階段。結合有限元分析結果，將需修正的構件信息返回BIM模型，從而實現BIM+結構有限元分析的集成。

圖1 技術路線流程Fig.1 Technical route flow chart

2 有限元分析模型的轉換方法

綜合考慮BIM模型與有限元模型信息描述的不同以及數據映射的差異，本文研究根據Midas Civil 有限元模型的數據結構建立基本規(guī)則，將BIM模型信息進行分別處理，建立具有一一對應關系的結構參數，再根據相關聯的不同實體屬性，轉換為有限元模型對應的數據。

2.1 參數化構件的轉換方法

Midas Civil 設計截面的輸入方法通常有三種，一是根據截面尺寸標注進行手動輸入數據，適用于各類常規(guī)結構截面；二是將DXF 格式的圖形導入截面特性計算程序導出SEC文件進行轉換，同時輸入設計參數和驗算扭轉厚度、剪切位置等控制數據，此種方法需要經中間軟件導入、導出數據，在BIM 軟件的二次開發(fā)中受到限制；三是通過輸入各節(jié)點坐標的方式，適用于非常規(guī)結構的自定義截面，雖然同樣需要進行截面特性計算，但是此過程在Midas Civil中進行，無需經過中間軟件轉換，適合進行數據轉換。

建立小箱梁、T 梁等常規(guī)截面的有限元模型時，可采用方法一的輸入方式。參考有限元軟件對主梁截面的參數標注如圖2a所示，以相同的規(guī)則建立構件截面如圖2b所示。然后通過Python腳本提取構件截面的BIM參數，轉化為具有相同名稱的有限元截面數據，直接建立分析截面。

圖2 有限元模型和Revit 模型的常規(guī)截面Fig.2 Finite element models and general sections for revit models

自定義截面需采用方法三的輸入方式建立有限元模型，自定義截面如圖3a 所示。首先提取按照常規(guī)方法建立的主梁BIM 模型，然后在Python腳本中分析得出各控制截面的準確位置，分別建立豎向平面與控制截面處的主梁相交，獲取控制截面內、外輪廓各節(jié)點坐標。經腳本代碼遍歷輪廓節(jié)點坐標，分析獲得輪廓左下角節(jié)點作為閉合點，以此閉合點為起始點順時針重新排列輪廓節(jié)點號。通過處理內、外輪廓的節(jié)點坐標數據，獲得組合截面的寬度、高度等主要設計值及驗算扭轉厚度等參數，完成自定義截面的有限元數據轉換，轉換后截面如圖3b 所示。在分析處理同一截面的內、外輪廓節(jié)點坐標，以及相鄰截面的輪廓節(jié)點坐標數據時，需要選取同一相對位置的閉合點，并按相同的循環(huán)順序重新排列，否則無法建立自定義截面的有限元構件模型，轉換流程如圖4 所示。

圖3 有限元模型和Revit 模型的自定義截面Fig.3 Custom sections for finite element models and revit models

圖4 自定義截面的數據轉換流程Fig.4 Data conversion process for custom sections

2.2 預應力鋼束模型的轉換方法

鋼束是預應力混凝土橋梁的主要構件，為滿足結構構造和受力需求一般采用三維曲線的樣式。在轉換預應力鋼束BIM 模型數據時，可以將鋼束平彎和豎彎曲線導出為DXF 文件，然后導入鋼束形狀生成器中生成其布置形狀的MCT命令流，此種方法同樣需要中間軟件進行轉換，在快速建立鋼束有限元模型時存在局限性。

提取預應力鋼束BIM 模型后，將其投影至XZ平面獲取豎向平面線形，依次讀取直線和圓弧的長度半徑、端點坐標等參數，經Python腳本分析得出圓弧對應的交點坐標，整理出有限元數據格式的豎彎參數表；用同樣的方法取得鋼束的平彎參數表。最后輸出立面、平面兩個維度的節(jié)點坐標和圓曲線半徑等鋼束豎彎、平彎參數表，結合提取的支點位置和束數等參數施加于相應梁單元，轉換流程如圖5 所示。

圖5 預應力鋼束的數據轉換流程Fig.5 Data conversion process for prestressed tendons

2.3 主梁模型的轉換方法

直線段橋梁有限元分析時通常采用單梁結合橫向分布系數的方法。在全橋模型中選取受力控制的主梁，通過Python 腳本代碼獲取其支撐段、過渡段和跨中段的長度信息，作為主梁有限元分析的控制節(jié)點?；诹憾硕它c及控制節(jié)點，獲取分段長度并進行等數量均分，創(chuàng)建梁單元模型的節(jié)點序列，然后核算各節(jié)點相鄰間距能否滿足有限元分析模型對主梁分段長度的精度需求。將此前分析獲得的截面數據，與提取的材料類型一起賦予各節(jié)點來創(chuàng)建梁單元模型，根據過渡段長度及位置信息建立變截面組。通過進一步分析預應力鋼束數據，完善模型的預應力鋼束和邊界條件等信息，完成主梁有限元模型的創(chuàng)建。

曲線段橋梁進行結構有限元分析時通常采用梁格法，較單梁法具有更高的計算精度。與創(chuàng)建單片主梁有限元模型相比，梁格模型需增加兩側邊梁，同時還需設置實體橫梁和虛擬橫梁。在全橋BIM模型中同時選取左邊梁、中梁和右邊梁圖元，通過Python腳本代碼調取空間布梁階段的主梁橫向間距等參數，按照相同的數據轉換方法，分別建立中梁和兩側邊梁的有限元模型。對主梁模型的所有節(jié)點數據進行分析整理后，依次創(chuàng)建端橫梁、中橫梁和虛擬橫梁單元，完成梁格法分析模型的創(chuàng)建，轉換流程如圖6 所示。

圖6 主梁模型的轉換流程Fig.6 Main beam model conversion process

2.4 下部結構模型的轉換方法

通常情況下橋梁下部結構的類型較為統(tǒng)一，可選取構造尺寸極值或代表值的橋墩進行結構有限元分析。創(chuàng)建橋墩蓋梁的BIM模型構件時，一般將橫向的倒梯形截面按順向長度進行拉伸，而有限元模型是將順向的矩形截面按橫向尺寸進行拉伸或融合，同時需要建立變截面模型。兩種模型的創(chuàng)建方式不同，這就要求在定義蓋梁BIM參數化輪廓時，需要將倒梯形各節(jié)點的參數與有限元矩形截面的橫向控制間距相關聯。雙柱式橋墩的外形變化多集中于墩柱間距和樁基構造高度，這兩項主要參數均可在橋墩BIM中直接提取。

獲取橋墩BIM模型的各項參數后，將蓋梁控制截面、墩柱頂、支座中心位置等數據與有限元建模規(guī)則相結合，對蓋梁進行節(jié)點劃分，進一步建立蓋梁的梁單元模型及其變截面組。疊加三維地質模型后可獲取樁基在各土層內的分布長度，按照有限元的分析精度對分段長度再次劃分，創(chuàng)建樁基梁單元模型。通過計算各節(jié)點的埋置深度，結合地質模型中土層抗力系數的比例系數數據，計算得出樁身土側向剛度，然后增加樁基彈性連接的邊界條件，完成樁基有限元模型的建立。

橋梁結構的有限元分析還包括施加靜力荷載、移動荷載、溫度荷載和劃分施工階段等信息，基于Revit創(chuàng)建的橋梁BIM 模型中該部分主要信息的組織結構與有限元模型差異較大，需在專業(yè)計算軟件中單獨處理。

3 工程案例

以某跨海大橋工程為例，主橋上部結構采用48 跨30m 預應力混凝土簡支梁，中間布設5 片預制小箱梁，兩側各布設1 片預制管廊梁，下部結構采用大懸臂雙柱式橋墩。

3.1 橋梁BIM參數化模型

基于有限元分析的數據格式和構件參數化需求，建立預制小箱梁、預制管廊和橋墩的標準構件。通過Python腳本讀取道路路線的直曲表（包含緩和曲線）和豎曲表創(chuàng)建三維曲線，依據道路縱橫坡、橋梁跨徑組合、箱梁橫向間距等基本信息完成空間布梁和橋墩放置，并依據設計規(guī)則自動修正各項參數，實現全橋主要結構的BIM建模工作，全橋BIM模型如圖7 所示。

圖7 全橋主要結構參數化BIM 模型Fig.7 Parametric BIM model of the main structure of the full bridge

3.2 上部結構有限元模型

全橋共設240 片小箱梁，其中35 片位于曲線段，通過Python腳本可獲取全部小箱梁的梁長數據。對數據處理后可返回最大、最小梁長對應的小箱梁圖元ID，經ID 查詢定位其在全橋BIM模型中的具體位置。選擇需要進行有限元分析的小箱梁，即可取得控制截面參數、梁長、材料類型等主要參數，數據轉換后創(chuàng)建單梁法和梁格法有限元分析模型。

預制管廊是綜合管廊與箱梁設計理念相結合的一種非常規(guī)結構形式。通過輸入節(jié)點坐標的方式建立自定義截面，然后對預制管廊獲取的數據進行分析，直接創(chuàng)建梁單元桿系模型，轉換結果如圖8 和圖9 所示?？赏ㄟ^Midas Civil 與Midas FEA NX之間的數據傳遞，將桿系模型轉換為實體模型，進一步對預制管廊進行實體單元的有限元分析。

圖8 預制小箱梁（梁格）模型的轉換Fig.8 Conversion of prefabricated small box girder（girder grid）model

圖9 預制管廊（單梁）模型的轉換Fig.9 Conversion of prefabricated pipe gallery（single beam）model

3.3 下部結構有限元模型

主橋橋墩采用雙柱式大懸臂形式，獲取蓋梁、墩柱和樁基的控制截面、關聯點等數據，建立橋墩有限元模型。后期研發(fā)可疊加三維地質模型，獲取樁基在各土層內的分布長度，按照有限元的分析精度對分段長度再次劃分，建立樁基精細化分析模型，如圖10 所示。通過計算各節(jié)點的埋置深度，結合地質模型中土層抗力系數的比例系數數據，計算得出樁身土側向剛度，然后增加樁基彈性連接的邊界條件，完善樁基有限元模型的建立。

圖10 橋墩模型的轉換Fig.10 Conversion of bridge pier models

4 結語

針對當前BIM技術在橋梁領域實現正向設計過程中數據交換困難的問題，通過基于Revit 和Midas Civil的橋梁結構模型，梳理兩者對于結構分析信息的描述方式，建立了相關屬性與參數的映射關系。提出了BIM模型向有限元模型的快速轉換方法，其主要流程為基于Revit 可視化編程工具Dynamo的二次開發(fā)，首先分析全橋模型中主要結構的屬性信息，再選擇受力控制的構件并將其BIM參數轉換為有限元分析所需的數據，輸出為Midas Civil能讀取的命令流，實現自動創(chuàng)建橋梁上部結構和下部結構有限元模型。最后，通過工程實例對提出的轉換方法進行了應用實踐。結果表明，該方法可以實現BIM模型向有限元分析模型的快速轉換，提高工作效率，推動BIM技術在橋梁結構設計中的正向應用。此外，針對橋梁設計人員，可視化編程工具Dynamo 和解釋性語言Python腳本相對被容易掌握，可以依據設計規(guī)則或施工流程進行分階段、分工況的自我開發(fā)使用，本數據轉換的技術路線應用場景廣泛。