桥梁BIM与有限元软件二次开发接口制作及其应用*

黄熊伟，冯茂云，宋福春

(1.湖南城市学院设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000； 2.沈阳建筑大学交通工程学院，辽宁 沈阳 110168)

BIM在桥梁工程中大多体现在定义上，实际工程的探索案例较为稀缺。桥梁这种大跨度的承载体系其结构的受力分析尤为重要，而在受力分析中节点分析又更为关键。本文基于BIM无纸化设计和数字化表达的核心意义，利用软件的二次开发，使BIM模型与有限元分析模型能做到信息传递。通过有限元软件的受力分析结果，对构造做出优化微调同时反馈给BIM模型。在这一过程中，使得设计做到了三维可视化模拟。让BIM技术渗透并指导桥梁结构设计阶段。

本文采用Autodesk Revit作为工程的BIM建模软件，Revit是一款具有高度集成建筑模型各构建信息化能力的BIM软件。它对于处理常规结构建筑有着易上手、易操作的族库参数化建模功能，对于复杂的异形结构，可利用其中内嵌的Dynamo软件进行可视化编程的参数化建模。在二次开发中，Revit软件开放了软件的API函数代码，对于所需参数可精确定位、获取、控制，所以其开发的自由度较高。综上原因使得Revit成为众多BIM软件中的选择。

1 工程概况与BIM模型创建

1.1 工程概况

本研究对象为南北向半穿式连续钢桁桥。桥梁边跨为62m，主跨为100m，全长为224m, 桥面宽30m。桥面设1.5%的双向横坡。连接构件为M24高强度钢螺栓。本桥的荷载设计要求为城-A级，人群荷载设计按3.5kN/m2进行桥梁加载。桥梁的桥门架、横撑、下平纵联为杆系结构。桥梁主桁部分采取无竖撑的三角形腹杆体系解决方案，主桁节点采用刚性较大的整体节点。由于桁架的相互间隔大，所以桥梁的下平联部分采取双X结构形式与下弦杆节点处相互连接。通过这种结构形式来提升横向抗风能力。同时，这种连接方式也能抵抗弦杆变形所产生的内力。

1.2 模型创建方式

在模型创建过程中，分别对桥梁上部结构桥面系、桥面板、主桁架、连接系和支座5部分进行BIM建模。针对不同截面杆件和梁单元进行族库的参数化建模。这种方式便于在对应不同杆件时来获取不同构件图元ID(见图1)。

图1 利用Revit进行的BIM参数化建模

2 Revit to ANSYS接口的制作

2.1 模型转换的研究现状

现阶段Revit中实现BIM模型与有限元软件制作接口对接的方式有3种：第1种是利用软件基于IFC标准对接各有限元软件，如赖华辉等从导出的IFC格式中提取模型的信息，转变为基于XML格式的通用有限元表达，生成了有限元软件的结构模型。第2种是利用软件的ACIS三维实体表达格式导入有限元软件进行受力分析。这2种方式均为软件的模型外部处理方式，其在模型导出、导入过程中易存在模型构件丢失或定义错误现象，且在有限元划分和材质定义中处理较为麻烦。第3种是宋杰等实现了ANSYS与Revit软件的模型参数相互转换。利用调动软件中丰富的API函数，获取模型几何参数和物理参数，从而直接赋值为ANSYS APDL命令流。此方法利用BIM模型减轻少了使用ANSYS APDL重新建模的巨大工程量。相比于前两种方式模型转换效率和精度明显提高。而且基于ANSYS APDL命令流强大的可操作性，模型的加载与后处理结果的输出都十分便捷。

2.2 二次开发的基本思路

许多有限元分析软件现阶段已在BIM软件中制作了模型相互传递的接口。但这些软件在做传递接口的过程中常基于宏观工程的实现方法和目的考虑，在结构模型信息的传递过程中对结构的细节部分做了许多简化处理。这样导致转换后的模型不适合BIM要求模型准确传递的基本要求。同时，由于大量简化处理使得有限元分析模拟与真实情况相比误差更大。大多数做转换的接口程序是基于模型导出的IFC格式，其中在转换的过程中包含了大量与所需参数无关的数据，导致了模型的转换效率低下。然而，作为主流的有限元分析软件ANSYS，它与Revit各自拥有不同的文件存储方式和数据格式，不能直接进行数据交换共享。

为此，本文研究出一种能快速从BIM模型中抓取有限元建模所需的各类物理参数，且能保证BIM模型的各细节准确转换，对其进行有限元分析。这种解决方案极大方便了后续分析工作。

主要思路为：利用Revit API函数的C#进行二次开发，创建Revit与ANSYS模型的转换接口。基于ANSYS强大的有限元分析功能，并对模型关键节点的构造形式进行优化，同时反馈给BIM模型。通过此方法来确定BIM引导结构正向优化设计的可行性。

自从Revit2017起Revit API已得到增强，可以与.NET4.6一起运行。因此，本文使用具有.NET 4.6框架目标的Visual Studio 2015来调试插件。API函数调用查询库如图2所示。

图2 API函数调用字典

根据Autodesk公司提供的可行性方案，利用RevitAPI.dll与RevitAPIUI.dll这两个接口组件，其中调动Revit中API函数进行接口程序编写主要编程思路如下。

1)获取桥梁中构建所关联的材质参数，其中包括密度、泊松比和弹性模量，赋值输出为APDL材质定义命令流格式。

2)访问桥梁BIM模型获取模型中的几何参数，即利用模型在空间的对角点坐标获取各构建集的截面关键点参数，赋值输出APDL截面定义命令流格式。

3)获取各构建交点坐标，在赋值APDL命令流过程中根据几何模型编号进行梁单元创建(见图3)。

图3 节点坐标提取的程序片段

表1 模型在最不利荷载组合作用下的主要杆端应力

将程序文件放入指定的接口库文件，打开Revit，程序将会自动识别新的类库文件。选项卡中生成了Revit to Mechanical APDL的启动按钮，启动按钮生成带有几何参数和材料属性的Mechanical APDL命令流文件(见图4)。

图4 识别插件后的Revit主窗口

3 有限元分析与节点优化

3.1 整体模型的有限元分析

在Mechanical APDL中输入模型导出的命令流得到整体模型，对有限元模型的节点进行部分约束释放，然后添加边界条件和荷载，得到该半穿式连续钢桁架桥的整体应力图。从应力图中发现桥梁在桥跨1/4上弦杆处与跨中板桁结点处应力变化较大。本文主要对研究1/4上弦杆的结点处受力情况进行讨论，并对此结点进行优化(见图5)。

图5 全桥有限元分析

利用ANSYS的后处理功能，查看各杆件的受力情况，从而确定结点处各杆所受的杆端应力。各杆的位置编号如图6所示，各杆端应力如表1所示。

图6 各杆件的平面位置示意

3.2 模型的局部节点优化

在模型的某一局部节点进行有限元分析时，常规做法是直接从总体模型中取出小部分受力复杂的区域，但模型外部的边界条件与真实情形一般会有差异，这样易导致计算结果不准确。对于该实际案例，在有限元建模过程中采用MPC(多点约束)的方法，该方法与常规建模手段相比，方便了不同单元的连接[7]。利用此方法可解决传统接触算法中其他多点约束工具使用上的缺点。本文利用此连接方法进行板壳单元建模，然后对单元端部施加杆端力，使有限元模型更趋于真实情况。所研究节点处有限元分析如图7所示。

图7 所研究节点处的有限元分析过程

图7中所圈出位置是由于两侧弦杆轴向荷载在进入节点范围时以直线相对的方式相交，上弦杆轴向荷载的自我平衡导致对竖杆弯压作用的减少，所以出现此处的应力集中。

传统的结构设计主要基于技术要求和设计者经验来完成，从而确保方案的可靠性，但对设计中的结构布局、尺寸合理、材料选择及结构外形等方面考虑较少。随着科学技术和设计思路的发展，单纯实现设计要求已不满足现阶段的结构设计，更重要的是对设计结构进行优化和完善。所以对此处集中应力节点进行优化设计，在优化问题中常用以下表达式来确定解决问题的核心思想。

X=[x1x2x3…xn]T

F(x)→min或max

hj(X)=0 (j=1,2,…,k)

Gi(X)=0 (j=1,2…,m)

X≥0

式中：X为设计变量；F(X)为目标函数；hj(X)，Gi(X)及X≥0分别为优化问题中应该满足的条件。

综合软件的优化处理与实际可行性，对节点竖杆与上弦杆间的连接形式做出改变。优化后的有限元模型如图8所示。

图8 节点优化后有限元分析过程

从以上有限元模型的应力分布情况看，应力分布更为合理。这种连接方式对节点中荷载的传递更加有利，而且也防止了弦杆与竖杆位置的集中应力或应力奇异出现。

4 优化信息对BIM模型的反馈

4.1 Dynamo的模型精细化处理

本项目在此交角处生成的曲线利用常规的Revit建模方式无法实现精细化模型处理，Dynamo作为Revit平台的插件而存在，其本身具有Revit平台建模的所有基本功能，且与Revit平台具有良好的互导性。Dynamo中形成Revit模型主要有2种方式：①在Revit中做好族，在Dynamo中通过编辑模型构建规律放置该族，并通过节点来完成模型构建；②利用Dynamo内部函数库直接以可视化建模的方式对模型进行建立，然后利用“Direct Shape. By Geometry”或“Import instance. By Geometry”转换成Revit模型。对于小体量的族可直接使用Dynamo创建实体模型，而对于体量较大项目，一般采用第1种建模方式。

本项目由于建模位置体量较小，所以利用第2种方案使用Revit加Dynamo参数化平台实现建模，首先对函数曲线进行编辑，再利用Direct Shape. By Geometry转换成Revit模型(见图9)。

图9 Dynamo软件操作界面

在Dynamo参数化平台中包含了数学运算中的基本函数批量的运算节点，包括三角函数、基本的加减乘除、总加和、对数计算、数据列表的平均值、返回小于此数字的第1个整数、取两者较大值或两者较小值等基本数学运算节点。

输入坐标的x值、y值，组合成xy平面上的点，并使用叉积，将点在xy平面布满。通过函数将点连接成曲线，并将所构建用x，y，z以函数表达式来展现出来，将所有点连成曲线然后连成面，形成抛物曲面(见图10)。

图10 利用Dynamo的可视化编程的精细化建模

此Dynamo的中心建模思想实际上是将整个建模思路以算法及参数利用函数表达式表达出来，验证了在实体模型的建立中运用函数表达的可行性，实现了复杂曲线参数到建模所需参数的运算与转换。

4.2 设计变更后的模型表达

在对模型进行优化修正后，利用Revit自带的标识数据功能，对模型的修改进行解释说明。并且利用视图可见性修改，使变更部位一目了然。这样借助BIM三维模型的表达，使工程项目设计变更变得更加直观简洁。同时，可将结构模型无损交递，直接进行其他部门的模型整合。优化设计后的BIM模型如图11所示。

图11 优化后的信息反馈

5 结语

本文开发的接口程序将Revit结构模型提取参数，转换成带有物理参数和几何参数的ANSYS APDL命令流。对于这一过程，本文给出了详细的接口程序设计流程。这使得BIM模型的利用率得到提高，有限元建模速率大大提升。通过有限元分析软件对整体模型的整体分析与局部优化后，利用Dynamo的精准绘图反馈给BIM模型，使得模型在结构受力上更合理。与利用繁琐复杂二维图纸进行设计变更相比，本文全程都是在三维视角下对桥梁BIM模型的优化设计，其表达方式更直观。