Revit-Midas/Civil模型转换方法及应用

何祥平 王 浩 张一鸣 王飞球 茅建校 谢以顺,

(1东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 211189)(2中铁二十四局集团江苏工程有限公司，南京 210038)

近年来，桥梁结构正朝着大型化、规模化、复杂化方向不断发展，桥梁设计阶段建模工作难度日益增大.传统手动建模方式存在效率低下、信息传递错误率高等问题，难以满足桥梁结构安全分析需求.建筑信息模型(BIM)技术的出现为解决上述问题提供了技术支撑[1]，利用其可视化、协调性和参数化等优点，可将有限元分析所需参数信息存储于BIM模型中，通过数据传递实现基于BIM模型的有限元快速建模及桥梁结构有限元分析[2].

通过对BIM模型的二次开发提取结构分析所需的结构建模信息，并传递至有限元分析软件，是实现BIM模型向有限元模型转换的有效手段[3-4].文献[5]通过开发Rhino参数化插件Grasshopper，编写了截面信息提取和命令流生成模块，实现了Rhino软件到Midas/Civil软件间的模型转换.文献[6]基于Revit API接口和C#语言，开发了Revit与ANSYS的交互程序，实现了BIM模型向有限元模型的自动转换.文献[7]利用可视化编程工具Dynamo，基于Python Script节点编写了功能脚本，实现了从BIM模型到Midas/Civil模型的转换.BIM模型向有限元模型的信息传递也由最初仅能够传递桥梁截面信息，丰富到桥梁截面特性、材料、荷载、边界条件等信息.文献[8]通过二次开发提取了Revit桥梁模型中的几何参数、弹性模量等基本信息，实现了Revit与MIDAS/CIVIL间的模型转换，但未包含预应力束、施工节段划分等信息的传递.由于软件的数据格式、编码标准等不同，由BIM模型向有限元模型转换仍存在传递信息有限、不同平台交互性差等问题，有待进一步拓展BIM软件在结构分析领域中的应用.

为进一步研究BIM技术在桥梁结构分析领域中的应用价值，本文提出了一种基于二次开发的BIM模型向有限元模型转换方法，设计并开发了一种模型转换程序.以某连续梁桥为对象，分析并验证了模型转换方法的可行性与转换程序的有效性.

1 Revit-Midas/Civil模型转换方法

BIM技术具有信息集成特性[9-10]，在进行三维建模时以模型为载体，存储构件节点、单元、关键截面参数、预应力钢束、材料、施工阶段划分信息等数据，从而实现不同结构模型间的信息传递.目前， BIM模型与结构分析模型间的转换方法主要有2种：① 通过IFC标准格式的中间文件进行模型转换，即先将BIM模型以IFC格式输出，再将IFC格式文件导入结构分析软件，生成有限元模型；② 通过二次开发程序接口，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结构分析软件中的语言格式，进而生成有限元模型.

Midas/Civil虽然可通过导入MCT文件生成有限元模型，但无法提供IFC标准的支持，因此第1种方法不适用于Revit与Midas/Civil间的模型转换.若能通过二次开发提取BIM模型中的构件属性信息并以MCT格式导出，即可实现BIM模型向有限元模型的直接转换.鉴于此，本文提出了一种Revit-Midas/Civil模型转换方法(见图1).转换步骤具体如下：

图1 Revit-Midas/Civil模型转换方法

① 模型处理.将BIM模型划分为多个施工节段，以便程序获取各节段的箱梁数量、节段长度、位置坐标等关键信息.支座节点根据桥墩模型信息、上部零号块、边跨现浇块的模型信息来定位模拟.

② 关键截面参数的传递.梁单元的截面参数从梁BIM模型中提取，主要包括箱梁高度、顶底板宽度、腹板宽度、倒角尺寸、翼缘板厚度、翼缘板宽度等几何信息.

③ 材料参数的传递.有限元分析软件所需的材料信息可在建立BIM模型时添加物理、力学参数信息，便于程序识别获取.

④ 预应力钢束信息的传递.预应力钢束信息处理是BIM模型向有限元模型转换的关键.以EDFBTools设计工具箱为媒介，在预应力孔道的BIM模型中添加适用于MCT格式的预应力钢束信息，采用C#语言直接编写入MCT文件中.

⑤ 施工阶段划分信息的传递.连续梁桥结构分析涉及临时固结、最大悬臂、合龙等施工状态.以此为依据，在BIM模型中设置相应的载荷和边界条件，使得生成的有限元模型可直接用于计算分析.

⑥ MCT文件生成.编写MCT文件并导入Midas/Civil软件，即可自动建立桥梁结构有限元模型，检查无误后进行分析计算.

2 模型转换程序开发

2.1 开发工具

Revit软件除具有强大的参数化三维建模功能外，其应用程序编程接口(API)为将扩展功能的应用程序集成到整个软件平台提供了极大方便，无需访问内部源码或理解内部工作机制[11-12].基于Revit API.dll和Revit APIUI.dll程序集，可以深入访问Revit底层数据库，获取模型的几何及非几何信息，借助UI功能拓展，方便点选模型构件，提升人机交互界面功能.数据库访问精准，人机交互界面灵活，有利于软件功能的拓展，从而实现与结构计算软件的交互访问[13-14].

以Revit 2017为BIM建模平台，利用Revit API进行二次开发，采用扩展应用的方式开发模型转换程序，并选择Visual Studio 2017为编程软件，C#为编程语言，以适应二次开发时基于.NET Framework 4.5及以上编程环境的编译和调试需求.

2.2 开发流程

Revit中的模型信息主要包括几何尺寸、截面特性、材料特性、边界条件等，而利用Midas/Civil进行结构分析时包含荷载工况、构件两端约束、边界条件等.Revit与Midas/Civil中的模型信息对比见表1.

表1 Revit与Midas/Civil中的模型信息对比

由表1可知，可获取的信息与编写MCT格式文件所需的数据吻合.因此，可利用Revit API二次开发技术进行数据的提取转存，进而实现Revit与Midas/Civil之间的模型转换.模型转换程序开发流程见图2.程序主要设计功能包括节段划分、信息获取、数据存储、数据编写、文件编写等.主要步骤如下：

图2 模型转换程序开发流程

① 完成代码编写并进行编译，生成解决方案；

② 编译成功后生成.dll文件并进行程序调试；

③ 调试成功后，启动Revit程序，跟踪程序执行过程，验证程序功能.

2.3 模型转换程序

基于二次开发编写的模型转换程序Revit to Midas/Civil(RTM)可集成到Revit软件界面(见图3).

图3 RTM程序界面

RTM程序对话框可预设表格，以校核桥梁截面提取的信息，避免因错选、漏选桥梁结构BIM模型导致信息缺失.通过点击“选择连续梁”按钮，即可框选连续梁桥模型.被框选的连续梁桥模型节段截面参数将出现于对话框预设表格，如果截面参数无误，则点击“导出连续梁数据”，以自动提取并保存连续梁桥的节点、单元、截面信息、材料等信息为MCT格式；如果错选、漏选，则点击“清空数据”重新选择(见图4).数据将以MCT格式文件保存，并可被Midas/Civil读取，在读取前可检查节点、单元、材料等保存的文件.

图4 Revit模型数据读取与存储

将由RTM程序生成的MCT格式文件导入Midas/Civil后，即可生成如图5所示的桥梁有限元模型.由于仅提取了连续梁桥BIM模型中节点、单元、材料、预应力钢束及施工节段划分信息，对于连续梁桥BIM模型未包含的荷载、边界条件、收缩徐变信息，则需要在生成的有限元模型上进一步添加.

图5 连续梁桥有限元模型

3 模型转换方法验证

为分析所提模型转换方法的可行性并验证模型转换程序的有效性，以连云港至徐州高速铁路中某连续梁为例开展应用研究.该桥为单箱单室预应力混凝土连续箱梁，跨径布置为(40+72+40)m，具有直腹板、变截面、变高度的结构特点(见图6).该桥的Revit模型见图7.

图6 某大跨度连续梁桥(单位：m)

图7 连续梁桥Revit模型

3.1 模型转换参数

将通过RTM程序生成的MCT文件导入Midas/Civil中，即可生成连续梁有限元模型，进一步检验并补充相关参数后即可提交计算.相关参数具体如下：

1) 单元类型.该桥为三跨预应力混凝土连续梁桥，有限元分析采用Midas/Civil变截面梁单元.

2) 材料参数及预应力钢束信息.主梁梁体采用C50混凝土，根据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》(TB 10092—2017)[15]，其设计参数见表2.预应力钢束主要包括顶板束、腹板束、底板束和合龙束，均采用标准强度fpk=1 860 MPa钢绞线.锚口及喇叭口损失按锚外控制应力的6%计算，孔道摩阻系数为0.23，孔道偏差系数为2.5×10-3.松弛损失、收缩徐变及其他各项损失均按规范[15]取值.

表2 材料参数

3) 荷载参数.恒载按实际结构计算，同时考虑腹板变宽及底板变厚.横梁和预应力锚块自重按均布荷载施加，将挂篮荷载模拟为作用于梁单元的集中力和力矩，混凝土湿重按集中荷载考虑，取1.1倍的混凝土自重.混凝土收缩徐变按野外一般条件计算，相对湿度取70%，相邻两支点的基础不均匀沉降Δ=0.015 m.根据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》(TB 10092—2017)[15]，设计合龙温度为16～20 ℃，均匀温差按升降温20 ℃计算，日照温差按顶板升温8 ℃计算.

4) 边界条件.连续梁桥采用平衡悬臂施工法，施工过程涉及到体系转换，故边界条件随着施工阶段而改变，主要包括墩梁固结、支架现浇、最大悬臂、全桥合龙状态等.

5) 施工阶段划分.根据实际施工方法和顺序，将连续梁桥施工划分为0#段施工、挂篮安装、悬臂段施工、合龙等施工阶段，均按7 d施工周期模拟.悬臂段施工过程包括钢筋绑扎、内模安装、混凝土浇筑养护、挂篮前移等.该桥没有边跨合龙段，故在边跨现浇段增加了压重铁砂混凝土.

3.2 应力分析

对基于BIM模型生成的连续梁有限元模型进行最大悬臂状态与全桥合龙状态的施工阶段应力分析，所得桥梁顶板与底板应力分布见图7和图8，应力分析结果见表3.

(a) 梁顶板

(a) 梁顶板

表3 应力分析结果

由表3可知，最大悬臂与全桥合龙状态时，箱梁最大压应力均小于C50混凝土容许压应力16.8 MPa[15]，且与仅采用Midas/Civil手动建模的应力分析结果保持一致，说明由BIM模型转换的桥梁结构有限元模型可用于应力分析且结果合理，从而验证了Revit-Midas/Civil模型转换方法的可行性与模型转换程序的有效性.

4 结论

1) 本文提出了一种Revit与Midas/Civil间的模型转换方法，即通过访问BIM模型中结构构件对象存储的属性信息，获取桥梁结构分析所需的有限元建模参数，并将其转换成Midas/Civil软件的语言格式，实现结构分析相关信息的准确添加.

2) 基于二次开发，编写了模型转换程序RTM并集成于Revit软件中.通过在某连续梁桥上的应用，验证了模型转换方法的可行性与模型转换程序的有效性，由BIM模型直接转换成结构分析模型的方法提高了桥梁结构有限元分析的建模效率，弥补了BIM技术在桥梁结构分析方面的不足.

3) 后续将进一步完善模型转换过程中荷载参数、边界条件、收缩徐变等数据信息的获取与传递方法，开发更高效全面的BIM～FEM模型转换程序，为解决桥梁工程设计阶段的信息断层、重复性工作等问题提供参考.