BIM模型的公路桥梁结构计算分析规则探索

文/ 江西中鄱工程咨询有限公司 叶玉花 张东晓

本文针对我国公路桥梁结构分析中应用BIM技术的现状，深入研究如何在公路桥梁设计建模中运用BIM这一设计人员最为关心的问题，在建模过程中和其他有限元软件实现数据传输、模型正确性检验及该软件在公路桥梁结构计算分析时适用性的问题，为BIM在公路桥梁结构计算分析中提供一定的参考。

目前国内BIM技术在公路桥梁结构设计方面的参与度较低，大部分是脱离的。多数公路桥梁结构工程师认为，当前BIM软件与传统结构计算软件之间的数据交换存在壁垒，BIM技术无法给公路桥梁结构计算带来便利，因此，仍然倾向于选择在结构计算软件中重新建模进行计算分析。

工程背景

某大桥位于江西省境内，其下部结构盖梁采用变截面形式；双柱式桥墩采用圆形截面，墩柱间距6m；桩基础的桩身直径1.5m，桩长15m，采用对称布置单排双柱桩。上部箱梁采用C50混凝土，盖梁和桥墩采用C40混凝土，其余采用C30混凝土。

BIM软件与结构分析软件的互导

图1 基于BIM的结构设计

图2 牛腿的应力云图和变形

图3 牛腿的应力迹线图

图4 某公路桥引桥桥墩应力云图

目前大部分主流结构计算软件与BIM软件都支持的数据格式是.dxf和.ifc文件，但是将这两个文件相互转换的过程中发现如下几个问题：.dxf在软件图形识别中是一种通用的文件，可以进行图形的交换，但在运用BIM进行.dxf文件导入的过程中，也仅仅是导入了结构的几何图形，其他信息则会丢失，这就给工程师分析计算带来巨大的工作量。

.ifc能够将建筑领域各个专业的设计和管理整合为一个整体。形成此种现象的目的是使建筑行业不同专业之间使用的不同软件可以共享相同的数据源，最终使得软件之间信息共享和交互。但是这种文件只存在于每一个软件中间，其包含的信息仍然不够完整，使得软件在调入.ifc文件时信息大量丢失，在结构计算时不能导入所有的信息。

因此，各大软件商和BIM技术研究人员都是从转换接口入手解决互导的问题。

Revit与Robot

Autodesk公司为完善BIM系列软件的功能，于2008年收购法国Robotbat结构分析软件，整合开发了Autodesk Robot Structural Analysis作为结构分析软件。Robot Structural Analysis的主要技术特点如下：

与Revit无缝对接。Robot是Autodesk公司自主研发的一种可以和Revit无缝对接的结构计算分析软件，该软件能够避免因为和第三方软件交互而遇到的不兼容信息丢失等问题，如：结构信息不完整，单元划分规则不同等。同时，因为二者的信息源可以共享，相关设计人员在设计过程中，能够方便修改结构等信息，减少大量的设计时间和模型修改时间。

有限元网格自动划分。Robot还拥有较为强大的网格划分体系，通过Robot可以手动修改原有的网格，增加发散点，使得网格更加精细化，能够对各种不同形状的构件边缘区域进行网格划分。通过这一功能，相关设计人员可以更加精确地模拟有限元。

强大的分析功能。Robot还拥有强大的分析功能。Robot除了拥有线性分析功能外，还具有非线性分析功能。包括：塑性铰分析、单向拉、压杆和约束分析等。此外，该软件还具有行业领先的高级快速动态解算器，该功能能够使设计者们对任何结构进行反应谱分析、时程分析及谱响应分析等。

Revit与Etabs、Sap2000

CSIxRevit数据交换软件，可以将Revit模型导入到Sap2000和Etabs软件分析计算，结构的荷载、荷载组合、支座等也可以实现导入。

与导入Robot相比，在导入Etabs和Sap2000软件时，具有如下特点：将所要进行分析的模型导入后先统计模型的材料特性、板截面、梁截面等信息，然后将Revit模型导入Etabs、Sap2000或更新Revit模型。Etabs具有非常全面的构件类型库，在导入Revit模型的过程中，软件会自动识别截面的形式，完成匹配。

Revit与Midas

利用Midas Link for Revit Structure接口程序可以直接在Midas Gen和Revit之间进行模型数据的转换。接口程序可以直接将Revit模型数据导入到Midas Gen，并且根据Midas Gen中的模型修改，更新Revit模型文件。导入导出通过Midas Gen文本文件（＊.mgt）作为媒介。

Catia

图5 某公路桥引桥桥墩主应力向量图

图6 某公路桥引桥桥墩米塞斯应力图

图7 Catia导入Ansys

Catia软件自身整合有限元计算模块Generative Structural Analysis。以某大桥的桥墩为例，在Catia中建立好构件模型后，可以直接转入有限元分析模块进入受力计算分析。在Static Analysis选项下，指定材料属性、划分网格、定义边界条件后运行计算即可。

Catia和Ansys

Catia软件拥有强大的空间三维精细化建模功能，特别是对于空间曲线和曲面模型；Ansys是大型通用有限元计算软件，可实现对结构的整体静力或动力分析，以及局部精细化计算分析，任意设定工况，并可完成复杂工况组合，结构计算分析功能强大。分别利用这两个软件的建模功能和分析功能，在擦条中建立准确的结构模型，通过接口导入Ansys记性受力分析计算，可以高效、准确地进行结构设计。

结语

公路桥梁结构设计过程中最重要的环节是针对结构模型的力学计算和分析，这一环节的计算结果是结构施工图绘制的主要依据，会产生大量的数据信息。BIM建模软件与第三方计算分析软件之间的相互导入问题已经取得了一些突破，软件开发商不断开发完善相关的接口软件，工程设计研究人员也在利用API接口进行二次开发，能够在一定程度上实现BIM软件与第三方计算软件的导入和导出。同任何一种新的理论或技术一样，BIM技术的发展和成熟需要在实践中不断地锤炼、完善。