基于復(fù)雜橋型的Revit模型與ANSYS有限元模型數(shù)據(jù)交互研究

李強強 雷天奇

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099）

0 引言

Autodesk Revit 作為BIM 建模核心應(yīng)用軟件之一，被廣泛應(yīng)用于各種大型項目設(shè)計與施工當中。但Revit 僅局限于模型的創(chuàng)建，并不能滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的需求。如何實現(xiàn)Revit 建模軟件與大型通用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS 之間的數(shù)據(jù)交互，一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點。本文以復(fù)雜橋型波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁橋為實例，完成該類橋型Revit模型轉(zhuǎn)換成ANSYS結(jié)構(gòu)幾何模型的研究。

1 Revit建模軟件與ANSYS有限元軟件數(shù)據(jù)交互研究進展

Revit模型集所有構(gòu)件的物理、功能等參數(shù)信息于一體，既能滿足工程圖紙的輸出、工程量統(tǒng)計等應(yīng)用，又可與其它軟件協(xié)同完成4D 施工模擬等[1]。這在很大程度上提高了橋梁復(fù)雜工程項目的施工質(zhì)量和效率。但目前Revit 主要用于結(jié)構(gòu)三維模型的創(chuàng)建，為項目各參與方提供一個協(xié)同工作交流的平臺，但卻無法實現(xiàn)對各種橋梁結(jié)構(gòu)的受力分析。因此，仍需借助于大型通用有限元軟件ANSYS等來進行結(jié)構(gòu)的受力分析與求解，以確保結(jié)構(gòu)的安全使用。

但是當下的ANSYS軟件與核心建模軟件Revit的部分轉(zhuǎn)換程序都是通過IFC文件來實現(xiàn)的[2]，通過該方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能會產(chǎn)生一些冗余信息，同時在進行材料參數(shù)賦予時較為困難，每當錄入模型時還需要對其進行修改，較為繁瑣。

隨著BIM 技術(shù)的推廣與應(yīng)用，Autodesk公司在Revit 建模軟件中逐漸完善Revit API 功能，通過該功能，業(yè)內(nèi)人士可以根據(jù)自身需要通過各類編程語言進行二次開發(fā)制定插件，對Revit 功能區(qū)進行拓展與補充，從而實現(xiàn)自身所需功能[3]。于鑫等[4]通過二次開發(fā)，制定可根據(jù)CAD 配筋圖自動讀取鋼筋配筋信息的插件，從而實現(xiàn)三維鋼筋算量。姚翔川等[5]通過Revit API 技術(shù)C#語言，實現(xiàn)了可將Revit 模型轉(zhuǎn)換成ANSYS 及FLAC數(shù)值計算模型的程序，并通過基坑模型實例驗證了該程序的正確性與可行性。宋杰等[6]基于Revit 及Revit API 技術(shù)，使用C#語言進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了Reivt 模型到ANSYS 分析模型的直接轉(zhuǎn)換，最后通過某建筑模型對模型轉(zhuǎn)換程序的正確性進行了驗證。陳述等[10]使用Revit API 技術(shù)對結(jié)構(gòu)模型的幾何、屬性、材質(zhì)等信息進行過濾，將過濾出的信息編譯成ANSYS 命令流文件，從而實現(xiàn)有限元分析軟件ANSYS與Revit建模軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并通過某船閘工程對其方法進行了驗證。

綜上所述，雖然前人已對有限元力學(xué)分析軟件ANSYS 和核心建模軟件Revit 之間模型轉(zhuǎn)換程序做過一些研究，但他們的程序都具有針對性，分別以巖土領(lǐng)域的基坑模型、房屋建筑領(lǐng)域的建筑模型、水運工程領(lǐng)域的船閘閘室主體結(jié)構(gòu)模型來驗證他們程序或方法的正確性與可行性。但是對于橋梁領(lǐng)域的異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其程序或方法還存在一定缺陷，因此本文將基于Revit 2019 及Revit API 技術(shù)，在Visual Studio 2019 中使用C#編程語言進行二次開發(fā)，初步研究探索了可將在Revit 建模軟件中創(chuàng)建的橋梁三維模型轉(zhuǎn)換成ANSYS 有限元分析計算幾何結(jié)構(gòu)模型程序的編制，并以復(fù)雜橋型波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁橋為實例，完成了該類橋型Revit 模型轉(zhuǎn)換成ANSYS 結(jié)構(gòu)幾何模型的研究。為橋梁領(lǐng)域BIM建模與ANSYS有限元力學(xué)分析之間的數(shù)據(jù)共享的研究提供一定借鑒與參考。

2 Revit軟件與ANSYS軟件間的數(shù)據(jù)交互

2.1 二次開發(fā)環(huán)境及流程

本文以核心建模軟件Revit 2018 作為開發(fā)平臺，以Microsoft Visual Studio 2019 作為開發(fā)環(huán)境，以Microsoft.NET Framework 4.5.2 為開發(fā)的目標框架，選用使用廣泛的編程語言C#,作為二次開發(fā)的開發(fā)語言，進行二次開發(fā)相關(guān)插件程序代碼的編寫。模型轉(zhuǎn)換程序二次開發(fā)具體流程如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)換程序開發(fā)流程

2.2 創(chuàng)建波形腹板鋼箱-混凝土組合梁BIM模型

通過應(yīng)用Revit 軟件中已經(jīng)開發(fā)完成的波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁橋快速建模板塊，調(diào)用波形鋼腹板組合箱梁橋選項卡頁、上部結(jié)構(gòu)面板、下部結(jié)構(gòu)面板、附屬設(shè)施面板、其他構(gòu)件面板以及各個面板中所有按鈕控件的相關(guān)代碼程序，以外部命令的方式實現(xiàn)單擊控件按鈕建立帶有任務(wù)提示對話框的波形鋼腹板組合箱梁橋的各個組成構(gòu)件，建立波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁橋的各標準組成構(gòu)件，并通過Revit 軟件中的陣列工具、UV 網(wǎng)格劃分工具等對橋梁模型進行網(wǎng)格劃分，建立波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁橋Revit 幾何模型，如圖2所示。

圖2 波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁Revit模型

2.3 數(shù)據(jù)交互代碼編寫及運行

在Visual Studio 2019 中新建波形鋼腹板組合箱梁橋轉(zhuǎn)ANSYS 類庫文件，并將文件中的復(fù)制屬性改為False，防止在加載運行程序時生成過多的無用文件。為便于在Revit 二次開發(fā)中調(diào)用開發(fā)所需的相關(guān)函數(shù)與方法，需提前引用一些命名空間或者類庫，從而提高二次開發(fā)的工作效率與插件程序的準確性。

在Visual Studio 2019 中，使用C#語言，完成可提取波形腹板鋼箱-混凝土組合梁Revit 模型幾何參數(shù)等信息的程序以及可將提取信息輸出為ANSYS 可識別的APDL命令流的窗口程序的編寫和編譯，生成波形鋼腹板組合箱梁橋轉(zhuǎn)ANSYS.dll文件，并以手動方式編寫與之相應(yīng)的ADDIN 文件，將波形鋼腹板組合箱梁橋轉(zhuǎn)ANSYS.dll 文件和ADDIN 文件存儲于Revit 2018 指定路徑下。

利用Revit2018 軟件中附加模塊的外部加載工具AddinManager 加載插件，加載已經(jīng)生成的波形鋼腹板組合箱梁橋轉(zhuǎn)ANSYS.dll 文件，生成波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁的幾何信息命令流文本文件，最后使用ANSYS 軟件，運行該命令流，便可生成波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁的幾何模型，通過施加邊界條件、賦予材質(zhì)、添加剛域等，完成波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁有限元模型的創(chuàng)建。

3 模型驗證分析

為了驗證波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁幾何模型轉(zhuǎn)ANSYS的正確性，對建立的有限元模型波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁在簡支條件下進行自振特性分析（見表1），并將有限元分析結(jié)果與文獻[9-12]中的SFBOX程序結(jié)果和文獻[12]中理論公式結(jié)果進行了對比（見表2）。有限元模型前5階振型圖如圖3所示。

表1 ANSYS分析的前5階自振頻率

表2 不同方法所求波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合簡支梁豎向彎曲自振頻率對比（單位：Hz）

圖3 前5階振型圖

從表1可以看出：波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合簡支梁的一階豎向彎曲振動、二階豎向彎曲振動和三階豎向彎曲振動依次出現(xiàn)在第一階、三階和五階振型，一階扭轉(zhuǎn)振動出現(xiàn)在第四階振型。從表2可以看出，本文所建立的ANSYS有限元模型的計算結(jié)果與文獻[8]和文獻[12]所提理論的計算結(jié)果吻合較好，本文結(jié)果與文獻[8]SFBOX程序計算結(jié)果的誤差在9.30%以內(nèi)，與文獻[12]中理論公式計算結(jié)果的誤差在9.75%以內(nèi)，驗證了本文所建立的有限元模型的正確性，即驗證了波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁Revit模型轉(zhuǎn)ANSYS程序的正確性與合理性。

4 結(jié)束語

（1）利用Visual Studio 2019 及C#編程語言完成了波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁Revit幾何模型轉(zhuǎn)ANSYS 的插件幾何模型信息提取程序以及文本命令流窗口導(dǎo)出程序的編寫。通過波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁導(dǎo)出的命令流文本文件及材質(zhì)賦予、施加邊界條件等，在ANSYS中建立波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁的有限元模型。通過與已有論文在簡支條件下模態(tài)分析相關(guān)數(shù)值進行對比，驗證了該轉(zhuǎn)換程序的正確性。

（2）波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合梁Revit 模型轉(zhuǎn)ANSYS有限元幾何模型插件程序不僅適用于波形鋼腹板組合箱梁橋這類結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，也適用于大部分其它橋梁結(jié)構(gòu)在Revit軟件與ANSYS之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可為BIM核心建模軟件Revit與橋梁領(lǐng)域有限元分析軟件之間在力學(xué)分析方面實現(xiàn)耦合提供一定的借鑒與參考。

（3）本文的研究成果只適用于波形鋼腹板鋼箱-混凝土組合箱梁橋Revit三維幾何模型與大型通用有限元軟件ANSYS 幾何模型之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對于模型力學(xué)分析所需邊界條件、材質(zhì)賦予、剛域等在該程序中并沒有實現(xiàn)，仍需進一步探索與研究。