基于BIM的复杂结构有限元精细模型生成

陈志为， 吴 焜a， 黄 颖， 黄锰钢

(1. 厦门大学 a. 建筑与土木工程学院； b. 厦门市交通基础设施智能管养工程技术研究中心，福建 厦门 361005; 2. 福建船政交通职业学院， 福建 福州 350007; 3. 广联达科技股份有限公司， 北京 100193)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是对设施物理和功能特性的数字化表达，可实现设施信息的知识资源共享，从而为其在全生命周期内作出各种决策提供可靠的信息基础[1]。BIM在欧美等发达国家的应用已十分普遍，例如英国要求2016年以前实现所有政府工程皆要采用合作式3D BIM。BIM技术在我国工程实践的发展与推广也十分迅速。在不久的未来，参与建设的各个缔约方或将更广泛地采用BIM技术，不需要图纸而直接基于模型开展工作，推动工程建设朝着无纸化方向发展。为了保障施工建设期和运营维护期的结构安全，还需进一步拓展建筑模型的结构受力分析功能，那么实现基于已有的BIM模型向结构分析模型的自动转换变得十分必要[2]。目前，BIM模型已在某些结构分析软件上实现模型转换接口，但若要对复杂的建筑结构进行精细分析，仍需通过商业有限元软件重新建模。这样不仅费时费力，还存在模型查错困难等问题[3]。基于BIM的复杂结构有限元精细建模需要涉及到多类型构件的物理信息提取、查询和信息赋值等工作，工作量大且容易在信息提取、传递等环节中出错。通过编写接口程序，实现BIM模型自动转换生成有限元精细模型，既可保证不同模型的一致性，还可提高有限元建模效率，具有良好的工程应用前景和使用价值。

Revit是建筑业BIM体系中最广泛使用的软件，IFC标准是最被广泛接受的数据交换、共享标准，目前BIM建模软件实现与结构分析软件对接多基于IFC标准[4]。有限元分析技术被广泛用于建筑/土木结构的受力分析，常用的商业有限元分析软件包括ANSYS、ABAQUS、SAP2000、ETABS等。近年来，已有学者开展了BIM建模软件与商业有限元分析软件的接口程序研究[5～7]，例如邓雪原等[8]从IFC标准模型中提取信息生成了ETABS和SAP2000结构模型，李艳妮等[9]完成了Revit与SAP2000软件模型转换的数据接口，宋杰等[10]实现了Revit与ANSYS软件的建筑结构模型转化。但是，以上研究或仅针对由矩形构件组成的简单结构，或需引入较多假设用于简化结构细节，导致转换的有限元模型难以满足局部精细分析的需要[11]。目前，描述IFC模型几何实体可采用扫略(Sweep)、几何体素构造法(CSG)、以及边界描述(B-rep)等方式实现，而描述复杂形体的几何实体模型则多采用B-rep技术。一些结构分析软件(如PKPM软件)，虽可支持IFC标准格式的模型转换，却不太适用于基于B-rep表达方式[12]，这使得自动生成复杂结构的有限元精细模型仍然存在较多困难。

本文以BIM核心建模软件Revit以及应用较广的有限元分析商用软件ANSYS为例，开展基于BIM模型的有限元精细化模型自动生成研究，开发完成的接口程序可供其他BIM建模软件自动转换生成有限元模型所借鉴。

1 BIM模型与有限元模型转换框架

基于BIM模型生成有限元模型通常有两种方式：(1)通过IFC标准格式的中间文件进行模型转化，先将BIM模型以IFC格式输出，再将IFC模型导入到结构分析软件生成有限元分析模型，如图1a所示；(2)直接提取BIM模型的几何信息和物理信息，将提取的信息整理成有限元建模的语言格式，进而生成有限元模型，如图1b所示。

图1 BIM模型转换成有限元模型的不同方式

IFC标准是现今国际建筑业广泛接受的数据交换与共享标准[11]，也是BIM模型与各类应用分析软件信息共享的中间文件格式。对于支持IFC格式的结构分析软件(如ETABS、SAP2000等)，通过第一种方式实现模型转换有快捷便利的优点，但也存在不少弊端。首先，由于不同有限元软件采用不同的数据库与显示平台[12]，在与IFC 标准对接上存在差异，导致普遍存在模型导入过程中构件丢失或定义错误的现象[13]；第二，现阶段IFC标准主要面向工业与民用建筑，对于交通基础设施(如桥梁)还未形成完整统一的实体定义；第三，许多具有广泛应用的商业有限元分析软件不支持IFC标准格式文件，并且通过第一种转换方式得到的有限元模型常满足不了结构精细分析的要求。相比之下，第二种模型转换方式更加灵活，它可根据结构分析软件建模特点进行模型信息的提取和整理，模型转换的针对性强，准确度高，面向不支持IFC标准的有限元分析软件，也能快速获取BIM模型信息自动生成有限元模型。

本研究采用第二种模型转换方式，以BIM核心建模软件Revit和广泛应用于科研和工程实践的有限元分析软件ANSYS为例，实现了基于BIM模型的建筑结构有限元精细模型转换。Revit提供应用程序编程接口API，允许开发者使用.NET兼容的语言如C#，C++等来编写程序[14]。本文采用C#语言在.NET环境下编写接口程序。通过Revit API提取Revit模型信息，模型转换的基本框架如图2所示，主要工作包括：(1)通过访问BIM模型中结构构件对象存储的属性，获取物理信息，如杨氏模量、泊松比、密度等；(2)几何信息的转换，几何模型以边界表达B-rep描述，并通过SAT数据格式表示；(3)几何模型和物理信息根据材质类别以及几何模型体编号赋值规则进行自动匹配；(4)将所有的信息转换成目标软件(ANSYS软件)的参数化设计语言格式(APDL语言文件)，最终运行生成结构有限元分析模型。

图2 模型转换的基本框架

2 模型转换实现过程

2.1 物理信息的提取

Revit建模采用面向对象的编程设计思想，其中元素类(Element)在Revit中有着举足轻重的地位，绝大多数类继承自元素类。物理信息提取过程中所涉及的类如Material类、PropertySetElement类都继承自元素类。图3所示为Revit物理信息提取类的继承关系图。

图3 类继承关系

根据上述类的继承关系结构，提出以下提取物理信息的方法：(1)获取构件图元ID的集合(ElementIds)，进而获取图元(Elements)集合，遍历图元集合中每个图元对象，调用获取材料的函数，得到图元材料ID(MaterialId)属性；(2)根据获取的材料ID属性，得到含有该属性的图元类，并将图元类转换成材料类(Material)；(3)根据材料类中结构材质属性ID(StructuralAssetId)获取构件图元，并将构件图元类转换成属性集图元类(PropertySetElement)的实例对象，通过属性集图元类的实例对象获取结构材质(StructuralAsset)。结构分析所需物理信息可从StructuralAsset类的属性中提取，如弹性模量(YoungModulus.X)、泊松比(PoissonRatio.X)、密度(Density)等。提取物理信息的层级关系如图4所示。提取得到的弹性模量、泊松比、密度等物理参数按ANSYS编程语言APDL的语法格式排列，组成字符串对象。通过遍历整个模型，获取所有构件对象的物理参数信息。将所有同类型构件对象的参数信息整理成字符串对象，并存储到一个集合中。遍历该集合，剔除集合中重复的物理信息后，输出集合对象，可提取出整个结构模型所有类型的物理参数信息。每一组不同的物理信息(弹性模量、泊松比、密度等)都对应一个材质编号，便可顺序生成模型中所有材质编号(M=1,2,3,…,n)。

图4 物理信息的层级关系

2.2 几何模型的转换

ANSYS模型的几何图素等级由低向高依次为关键点、线、面和体。创建几何模型可采用自底向上或自顶向下的方法。自底向上建模是先创建最低级的图素(如关键点)，再通过关键点生成高级图素(如体、线、面)。自顶向下建模是先创建高级的图素(如体或面)，并自动生成较低级图素，通过体或面的组合可得到复杂的模型[15]。BIM核心建模软件Revit主要通过三维数字模型和参数化关联技术创建模型，其操作的对象不再是简单的点、线、面，而是由不同构件组成的实体，故Revit的建模更类似于ANSYS自顶向下的建模方式。

实现Revit模型向ANSYS模型的转换可有两种方式。方式一：提取Revit模型结构构件关键点信息，在ANSYS中通过APDL命令自动生成几何实体。该方式对于转换规则形状构件(如矩形、圆柱形等)的几何模型有较高的工作效率，若几何构件形状复杂(如变截面异形构件)则不再适用。故本研究拟采用了另一种方法，首先获取Revit几何实体，从中提取几何信息并转换成SAT数据格式，然后通过边界表达BREP描述ANSYS几何实体模型。Revit和ANSYS都支持SAT数据格式，故可实现几何实体的信息交换。BREP模型由拓扑结构和几何信息两部分组成，拓扑结构描述顶点、边、环、面、实体之间的关系，而几何信息依附拓扑结构框架表达点、曲线和曲面。BREP能较好地表达复杂形体结构的几何模型，且定义的三维模型具有唯一性。输出几何模型BREP实体可通过调用EXPORT函数完成，调用该函数需传入SAT数据格式选项对象、viewids、几何实体材质编号等参数。其中，几何实体材质编号是用于将不同结构材质类型的构件分别存储于不同的集合中的集合编号，viewids是BREP几何实体输出对象的视图ID，SAT数据格式选项用于将筛选的视图对象以SAT格式输出，对于非目标材质的几何对象，通过调用unhide函数进行隐藏处理。输出的BREP实体为SAT格式，需要对SAT文件格式进行解析，获取实体类型、实体材质等信息，并将其编译成APDL命令流格式。

2.3 模型几何信息与物理信息的匹配

Revit模型的物理信息与几何信息的提取与转换可通过上述步骤分别进行，但若要形成完整的结构有限元模型还需针对模型所有构件实现两类信息的匹配。本研究提供的接口程序实现了信息自动匹配，其主要步骤包括：(1)赋予自动生成的ANSYS几何模型每一个构件一个唯一的编号，并在Revit模型构件和ANSYS模型几何实体构件间添加一一对应的关联；(2)根据Revit模型构件的物理参数不同，赋予构件对应的材质编号，并对同类材质构件计数G1,G2,…,Gm(Gm表示属于第m号材质的构件数)；3)按照材质编号顺序，根据Revit模型和ANSYS模型构件的关联性，找出ANSYS模型中具有相同材质属性(即同一材质编号)的构件，赋予其弹性模量、泊松比、密度等物理信息。

3 算 例

验证算例采用福建省福州市324国道上的一座大跨预应力混凝土T型刚构桥，该桥全长548 m，各跨跨径分别为58+3×144+58 m。

3.1 大跨桥梁Revit模型的创建

采用Autodesk公司的Revit软件建立乌龙江大桥的BIM模型。桥梁上部结构采用箱梁截面，箱梁截面几何形状复杂，不能直接利用软件已有的系统族，故采用了创建标准构件族的方式建模。如图5a所示，创建箱梁族可通过参数化设计定义构件几何轮廓，并根据箱梁实际准确模拟顶板、底板的弧度和棱角，箱梁截面沿桥梁纵向采用渐变截面，图5b是生成的其中一段主跨箱梁模型。考虑到该桥梁模型存在较多复杂的几何细节，适合用于验证本文所提出的BIM模型转换成结构有限元精细模型方法的可行性。

图5 桥梁箱梁的Revit模型建模

3.2 ANSYS有限元模型的转换

在Revit中运行接口程序，随即生成模型的APDL文件，图6所示为生成ANSYS模型的APDL文件的截取片段。有限元模型在ANSYS中按材质编号顺序依次生成，首先生成材质编号为一的结构构件(箱梁构件)，然后依次生成材质编号二(挂梁构件)、材质编号三(桥墩构件)的结构构件，直至生成整个结构模型。如图7所示，BIM模型构件按不同材质信息逐类自动提取信息。图8展示了可按材质类型的不同逐项生成构件几何模型，并可自动完成物理信息的匹配。

图6 APDL命令流文件片段

以下展示模型转换过程中信息匹配完成的核心代码片段：

(1)输出BREP实体并整理成APDL格式：_export = "～SATIN," + "input" + "" + "'"+ ",'sat'," + "'" + folder + "'" + ",SOLIDS,0 /NOPR/GO" + " ";

(2) 通过构件计数编号“Gm”以及材质编号“input”实现关联：selecomponent="allsel"+" "+"vsel"+","+"s"+","+"volu"+",,"+(Gminus.Count()+1)+","+(Gminus.Count()+1+(Gsum.Count()-(Gminus.Count()+1)))+","+1+" "+"VATT"+","+input+" ";

图7 自动提取BIM模型不同类构件的材质信息

图8 自动生成有限元几何模型

图9 全桥模型y向位移云图

图10 箱形梁y向应力云图

全桥模型在自重作用下y向的位移云图如图9所示，结构位移场保持连续，变形结果较为合理。考虑自重作用的一号箱形梁y向应力云图详见图10，由图可知箱形梁上部翼缘及面板受拉，下部腹板及底板受压。转换生成的有限元模型能够较好地反映结构受力特点，可用于准确分析结构构件局部细节受力特性。

4 结 论

本文开发的接口程序可将形体复杂的Revit模型自动转换生成精细化的ANSYS有限元分析模型。可根据构件物理信息的不同依次生成ANSYS模型，几何模型的物理信息赋值自动完成，几何实体表达完整无误。成功地应用于乌龙江大桥，自动转换生成的ANSYS模型能准确反映结构构件局部细节受力特性。该方法省去了在有限元软件中建模的时间，实现了结构参数的自动匹配，避免了人工查询信息以及信息赋值操作过程中可能产生的错误，为复杂结构进行精细化有限元分析提供可靠的基础，是实现桥梁智能安全管理的重要环节。