BIM技术在桥梁有限元分析中的应用

周生建 王维伟 王明伟 聂彦军 王鑫

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

目前BIM技术在桥梁设计中的应用主要集中在三维建模、碰撞检查、施工模拟和方案比选等，其在数据协调、信息共享、优化设计等方面与传统设计相比具有明显的优势。但BIM建模软件与桥梁有限元分析软件在依托平台、研发方向等领域存在差异，导致桥梁BIM模型进行结构分析时存在薄弱点。结构有限元分析在桥梁整体设计流程中占有重要的位置，是BIM技术实现正向设计的必经之路。

桥梁BIM模型和有限元分析模型在建模时拥有高度相同的参数，为实现数据共享，在有限元分析中有效利用BIM构件参数，相关学者对BIM技术在桥梁有限元分析中的应用进行了研究。何祥平、王浩等基于Revit API 和C＃语言提出了一种BIM模型向Midas有限元模型的转换方法，实现了预应力混凝土连续梁在有限元建模过程中结构参数信息的准确添加［1］；王文芳、杨刚等基于Revit API和C＃语言的二次开发将斜拉桥BIM 模型转换为包含不同单元类型的ANSYS 有限元模型［2］；陈志为、吴焜等基于C语言，编制了BIM软件Revit和有限元分析软件ANSYS 间的程序接口，并通过工程实例进行了验证［3］。赖华辉、邓雪原等基于IFC标准的BIM数据共享与交换技术路线，解决了建筑项目过程中的数据交互问题［4］；林佳瑞、张建平提出一种IFC标准的绿色性能分析数据转换与共享方法，实现了IFC 向gbXML的自动转化，有效降低了信息重复建模成本［5］；张晓洋、胡振中提出IFC-API 建筑结构模型转换模式，涵盖从建筑模型到结构分析模型的自动转换及多结构分析模型间的联合分析对比［6］。

在这些研究中，关注较多的是连续梁桥、斜拉桥和建筑物等结构，而对国内应用最为广泛的简支梁桥研究较少。因此，本文重点研究了基于Autodesk Revit的BIM技术在简支梁桥结构有限元分析中的应用，梳理出桥梁BIM 模型与结构有限元模型的数据架构及其转换方法，通过编程工具Dynamo 和Python 脚本进行开发应用，最终实现BIM 模型和有限元分析模型的数据共享，形成一套完整的可视化、数字化、智慧化解决方案。

1BIM模型和有限元模型的数据集成

桥梁BIM模型是以道路中心线为基准在平面和竖向两个维度上进行建模，除主体结构外同样会建立支座、伸缩缝和栏杆等附属设施，从而真实反映出桥梁各构件的尺寸、材料特性和相对位置关系。而在桥梁结构的有限元分析模型中，通常将主要受力构件简化为平面杆系结构，对计算模型的截面、单元长度等参数数据有一定的规则要求。因此，BIM建模软件所建立的BIM模型与有限元模型有很大区别，虽然分析所需的数据可在BIM模型中直接提取或根据参数的逻辑关系计算得到，但这使得BIM+结构有限元分析变得十分困难。

本文结合桥梁常用有限元分析软件Midas Civil，利用Revit 构件参数的开放性和多样性特点，对参数进行对应的编码或命名，实现BIM参数的有限元化，并通过Python脚本输出分析命令流，从而准确实现BIM技术在桥梁有限元分析中的正向应用。

基于BIM技术的桥梁有限元分析数据转换架构如图1 所示。基于桥梁有限元分析所需的数据结构，创建上部结构和下部结构的BIM参数化构件。通过桥梁布跨信息表，将参数化构件依据设计规则进行空间布置，建立全桥BIM模型。首先分析全桥模型中主要结构的属性信息，选择受力控制的构件，读取截面形状、材料特性、边界位置、控制节点等数据。然后通过Python脚本进行数据处理以满足有限元分析的数据结构，实现划分节点、建立单元和预应力钢束等工作，完成单梁或梁格有限元模型的创建，将处理后的数据输出为MCT命令流。最后将命令流数据导入有限元软件Midas Civil，进行施加荷载和定义施工阶段等工作，完成结构有限元分析的前处理阶段。结合有限元分析结果，将需修正的构件信息返回BIM模型，从而实现BIM+结构有限元分析的集成。

图1 技术路线流程Fig.1 Technical route flow chart

2 有限元分析模型的转换方法

综合考虑BIM模型与有限元模型信息描述的不同以及数据映射的差异，本文研究根据Midas Civil 有限元模型的数据结构建立基本规则，将BIM模型信息进行分别处理，建立具有一一对应关系的结构参数，再根据相关联的不同实体属性，转换为有限元模型对应的数据。

2.1 参数化构件的转换方法

Midas Civil 设计截面的输入方法通常有三种，一是根据截面尺寸标注进行手动输入数据，适用于各类常规结构截面；二是将DXF 格式的图形导入截面特性计算程序导出SEC文件进行转换，同时输入设计参数和验算扭转厚度、剪切位置等控制数据，此种方法需要经中间软件导入、导出数据，在BIM 软件的二次开发中受到限制；三是通过输入各节点坐标的方式，适用于非常规结构的自定义截面，虽然同样需要进行截面特性计算，但是此过程在Midas Civil中进行，无需经过中间软件转换，适合进行数据转换。

建立小箱梁、T 梁等常规截面的有限元模型时，可采用方法一的输入方式。参考有限元软件对主梁截面的参数标注如图2a所示，以相同的规则建立构件截面如图2b所示。然后通过Python脚本提取构件截面的BIM参数，转化为具有相同名称的有限元截面数据，直接建立分析截面。

图2 有限元模型和Revit 模型的常规截面Fig.2 Finite element models and general sections for revit models

自定义截面需采用方法三的输入方式建立有限元模型，自定义截面如图3a 所示。首先提取按照常规方法建立的主梁BIM 模型，然后在Python脚本中分析得出各控制截面的准确位置，分别建立竖向平面与控制截面处的主梁相交，获取控制截面内、外轮廓各节点坐标。经脚本代码遍历轮廓节点坐标，分析获得轮廓左下角节点作为闭合点，以此闭合点为起始点顺时针重新排列轮廓节点号。通过处理内、外轮廓的节点坐标数据，获得组合截面的宽度、高度等主要设计值及验算扭转厚度等参数，完成自定义截面的有限元数据转换，转换后截面如图3b 所示。在分析处理同一截面的内、外轮廓节点坐标，以及相邻截面的轮廓节点坐标数据时，需要选取同一相对位置的闭合点，并按相同的循环顺序重新排列，否则无法建立自定义截面的有限元构件模型，转换流程如图4 所示。

图3 有限元模型和Revit 模型的自定义截面Fig.3 Custom sections for finite element models and revit models

图4 自定义截面的数据转换流程Fig.4 Data conversion process for custom sections

2.2 预应力钢束模型的转换方法

钢束是预应力混凝土桥梁的主要构件，为满足结构构造和受力需求一般采用三维曲线的样式。在转换预应力钢束BIM 模型数据时，可以将钢束平弯和竖弯曲线导出为DXF 文件，然后导入钢束形状生成器中生成其布置形状的MCT命令流，此种方法同样需要中间软件进行转换，在快速建立钢束有限元模型时存在局限性。

提取预应力钢束BIM 模型后，将其投影至XZ平面获取竖向平面线形，依次读取直线和圆弧的长度半径、端点坐标等参数，经Python脚本分析得出圆弧对应的交点坐标，整理出有限元数据格式的竖弯参数表；用同样的方法取得钢束的平弯参数表。最后输出立面、平面两个维度的节点坐标和圆曲线半径等钢束竖弯、平弯参数表，结合提取的支点位置和束数等参数施加于相应梁单元，转换流程如图5 所示。

图5 预应力钢束的数据转换流程Fig.5 Data conversion process for prestressed tendons

2.3 主梁模型的转换方法

直线段桥梁有限元分析时通常采用单梁结合横向分布系数的方法。在全桥模型中选取受力控制的主梁，通过Python 脚本代码获取其支撑段、过渡段和跨中段的长度信息，作为主梁有限元分析的控制节点。基于梁端端点及控制节点，获取分段长度并进行等数量均分，创建梁单元模型的节点序列，然后核算各节点相邻间距能否满足有限元分析模型对主梁分段长度的精度需求。将此前分析获得的截面数据，与提取的材料类型一起赋予各节点来创建梁单元模型，根据过渡段长度及位置信息建立变截面组。通过进一步分析预应力钢束数据，完善模型的预应力钢束和边界条件等信息，完成主梁有限元模型的创建。

曲线段桥梁进行结构有限元分析时通常采用梁格法，较单梁法具有更高的计算精度。与创建单片主梁有限元模型相比，梁格模型需增加两侧边梁，同时还需设置实体横梁和虚拟横梁。在全桥BIM模型中同时选取左边梁、中梁和右边梁图元，通过Python脚本代码调取空间布梁阶段的主梁横向间距等参数，按照相同的数据转换方法，分别建立中梁和两侧边梁的有限元模型。对主梁模型的所有节点数据进行分析整理后，依次创建端横梁、中横梁和虚拟横梁单元，完成梁格法分析模型的创建，转换流程如图6 所示。

图6 主梁模型的转换流程Fig.6 Main beam model conversion process

2.4 下部结构模型的转换方法

通常情况下桥梁下部结构的类型较为统一，可选取构造尺寸极值或代表值的桥墩进行结构有限元分析。创建桥墩盖梁的BIM模型构件时，一般将横向的倒梯形截面按顺向长度进行拉伸，而有限元模型是将顺向的矩形截面按横向尺寸进行拉伸或融合，同时需要建立变截面模型。两种模型的创建方式不同，这就要求在定义盖梁BIM参数化轮廓时，需要将倒梯形各节点的参数与有限元矩形截面的横向控制间距相关联。双柱式桥墩的外形变化多集中于墩柱间距和桩基构造高度，这两项主要参数均可在桥墩BIM中直接提取。

获取桥墩BIM模型的各项参数后，将盖梁控制截面、墩柱顶、支座中心位置等数据与有限元建模规则相结合，对盖梁进行节点划分，进一步建立盖梁的梁单元模型及其变截面组。叠加三维地质模型后可获取桩基在各土层内的分布长度，按照有限元的分析精度对分段长度再次划分，创建桩基梁单元模型。通过计算各节点的埋置深度，结合地质模型中土层抗力系数的比例系数数据，计算得出桩身土侧向刚度，然后增加桩基弹性连接的边界条件，完成桩基有限元模型的建立。

桥梁结构的有限元分析还包括施加静力荷载、移动荷载、温度荷载和划分施工阶段等信息，基于Revit创建的桥梁BIM 模型中该部分主要信息的组织结构与有限元模型差异较大，需在专业计算软件中单独处理。

3 工程案例

以某跨海大桥工程为例，主桥上部结构采用48 跨30m 预应力混凝土简支梁，中间布设5 片预制小箱梁，两侧各布设1 片预制管廊梁，下部结构采用大悬臂双柱式桥墩。

3.1 桥梁BIM参数化模型

基于有限元分析的数据格式和构件参数化需求，建立预制小箱梁、预制管廊和桥墩的标准构件。通过Python脚本读取道路路线的直曲表（包含缓和曲线）和竖曲表创建三维曲线，依据道路纵横坡、桥梁跨径组合、箱梁横向间距等基本信息完成空间布梁和桥墩放置，并依据设计规则自动修正各项参数，实现全桥主要结构的BIM建模工作，全桥BIM模型如图7 所示。

图7 全桥主要结构参数化BIM 模型Fig.7 Parametric BIM model of the main structure of the full bridge

3.2 上部结构有限元模型

全桥共设240 片小箱梁，其中35 片位于曲线段，通过Python脚本可获取全部小箱梁的梁长数据。对数据处理后可返回最大、最小梁长对应的小箱梁图元ID，经ID 查询定位其在全桥BIM模型中的具体位置。选择需要进行有限元分析的小箱梁，即可取得控制截面参数、梁长、材料类型等主要参数，数据转换后创建单梁法和梁格法有限元分析模型。

预制管廊是综合管廊与箱梁设计理念相结合的一种非常规结构形式。通过输入节点坐标的方式建立自定义截面，然后对预制管廊获取的数据进行分析，直接创建梁单元杆系模型，转换结果如图8 和图9 所示。可通过Midas Civil 与Midas FEA NX之间的数据传递，将杆系模型转换为实体模型，进一步对预制管廊进行实体单元的有限元分析。

图8 预制小箱梁（梁格）模型的转换Fig.8 Conversion of prefabricated small box girder（girder grid）model

图9 预制管廊（单梁）模型的转换Fig.9 Conversion of prefabricated pipe gallery（single beam）model

3.3 下部结构有限元模型

主桥桥墩采用双柱式大悬臂形式，获取盖梁、墩柱和桩基的控制截面、关联点等数据，建立桥墩有限元模型。后期研发可叠加三维地质模型，获取桩基在各土层内的分布长度，按照有限元的分析精度对分段长度再次划分，建立桩基精细化分析模型，如图10 所示。通过计算各节点的埋置深度，结合地质模型中土层抗力系数的比例系数数据，计算得出桩身土侧向刚度，然后增加桩基弹性连接的边界条件，完善桩基有限元模型的建立。

图10 桥墩模型的转换Fig.10 Conversion of bridge pier models

4 结语

针对当前BIM技术在桥梁领域实现正向设计过程中数据交换困难的问题，通过基于Revit 和Midas Civil的桥梁结构模型，梳理两者对于结构分析信息的描述方式，建立了相关属性与参数的映射关系。提出了BIM模型向有限元模型的快速转换方法，其主要流程为基于Revit 可视化编程工具Dynamo的二次开发，首先分析全桥模型中主要结构的属性信息，再选择受力控制的构件并将其BIM参数转换为有限元分析所需的数据，输出为Midas Civil能读取的命令流，实现自动创建桥梁上部结构和下部结构有限元模型。最后，通过工程实例对提出的转换方法进行了应用实践。结果表明，该方法可以实现BIM模型向有限元分析模型的快速转换，提高工作效率，推动BIM技术在桥梁结构设计中的正向应用。此外，针对桥梁设计人员，可视化编程工具Dynamo 和解释性语言Python脚本相对被容易掌握，可以依据设计规则或施工流程进行分阶段、分工况的自我开发使用，本数据转换的技术路线应用场景广泛。