基于Revit和ANSYS软件的城市轨道交通连续箱梁桥无缝线路模型转换方法

王 嘉 李 莉

(1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海;2.上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室,201804,上海∥第一作者,硕士研究生)

0 引言

BIM(建筑信息模型)和有限元分析等技术在工程上的应用越来越普遍,随之对铁路桥梁模型构建和结构分析的要求也越来越高,而单一领域内软件的使用存在一定的局限性。例如,ANSYS软件凭借其强大的计算分析能力给工程数值仿真带来了诸多便利,但其建模环节的功能较为薄弱,UI(用户界面)交互不够便捷,精细化建模需要耗费大量时间,如需更正模型中的错误,其流程也较为繁琐[1-2]。

Revit软件凭借其优越的建模性能和广泛的适用性在BIM领域内脱颖而出,成为我国BIM应用的一款主流软件。基于Revit软件生成的模型(以下简称“Revit模型”)包含了大量的数据信息,这些数据的有效调用是实现模型二次开发的基础,也为Revit模型与基于ANSYS软件生成的模型(以下简称“ANSYS模型”)间的快速转换提供了可能。因此,快速协同建筑设计软件和有限元分析软件的交互功能,能有效提高工作效率[3-5]。

众多学者就Revit模型向ANSYS模型转换进行了研究。文献[6]基于上海轨道交通17号线青浦站工程,对地铁车站中的墙柱等构造由Revit模型向ANSYS模型转化进行了研究。文献[1]对某建筑结构的梁、板、柱、墙等结构进行了模型的转换和切分,并输出了结构在重力条件下的变形云图。文献[7]将模型转换方法应用于某船闸闸室主体工程中,并验证了其可行性。文献[8]将岩土工程中的基坑Revit模型转化到ANSYS软件中进行网格划分,再导入到FLAC3D软件中进行计算,促进了BIM软件与数值计算软件的对接。文献[9]结合Python语言和XML语言,利用SCDM软件(ANSYS的一款多功能前处理建模软件)界面完成了地下室模型的转换。文献[10]重点研究了几何模型转换的坐标转换法和材料参数的获取方法,并在一片简支梁上进行了应用。

但是,现有研究在桥梁工程中的应用仍存在不足,通常仅针对桥梁结构进行模型转换,而对于桥梁结构与轨道结构组合的城市轨道交通连续箱梁桥无缝线路(以下简称“桥上无缝线路”)模型转换的研究较少。为此,本文结合Revit软件强大的参数化建模、二次开发能力及ANSYS软件优秀的计算分析能力,基于Revit 软件的API(应用程序接口)(以下简称Revit API),在Visual Studio 2019软件上应用C#语言开发出2个模型转换的接口,以快速实现桥上无缝线路Revit模型转换为ANSYS模型并进行仿真计算的功能,减少手动输入APDL(ANSYS参数化编程语言)的时间,弥补ANSYS软件的不足。

1 模型转换接口的开发

1.1 开发工具

Revit API作为Revit软件和.NET平台间的桥梁,可为不同平台提供数据共享。Revit API凭借强大且丰富的功能,给设计人员提供了良好的二次开发环境,当中包含了大量的命名空间、方法属性和类库,供程序开发人员调用。

本研究使用Revit 2018软件构建桥上无缝线路结构的BIM。在此基础上,基于C#语言选择Visual Studio 2019软件中.NET Framework 4.5.2框架下的类库,利用Revit API,以IExternalApplication(外部应用)及IExternalCommand(外部命令)的方式进行模型的二次开发。随后利用streamwrite类生成APDL,并将命令流导入ANSYS软件中,最终成功实现了Revit模型向ANSYS模型的转换。其技术路线如图1所示,具体流程如图2所示。

图1 基于Revit 和ANSYS软件的桥上无缝线路模型二次开发技术路线

图2 基于Revit和ANSYS软件的桥上无缝线路模型二次开发的具体流程

1.2 模型转换接口的开发流程

Revit模型含有大量的参数信息(包括族的编号、空间位置、几何尺寸和材质属性等),利用二次开发技术对其进行调用和转存,是实现Revit软件与ANSYS软件交互的必要方式。模型转换接口的开发流程为:①先生成用于存放APDL的StreamWriter类,创建FilteredElementCollector(元素收集过滤器),再根据族的Category(类别)、Class(族名)和Name(名称)等参数,将钢轨、轨道结构、梁体等不同类型的族分别存储到各自的FilteredElementCollector中;②遍历族文件数组,以获取结构的几何和材质信息,通过StreamWriter.write方法将APDL输出到记事本中,并编写其他前处理操作语句(如模型切割、网格划分等);③将自动生成的.txt文件载入ANSYS软件中,供ANSYS软件读取。

1.3 模型转换的算法要点

1.3.1 Revit模型信息的过滤

桥上无缝线路Revit模型构造复杂、信息众多。为实现各结构信息分门别类的有序转换,首先需要借助FilteredElementCollector进行分类,并按类别存储到各自的泛型列表中;然后遍历列表中族实例的全部物理信息,收集在后续模型转换时所需的空间位置、几何尺寸及材质属性等参数信息。

1.3.2 模型几何信息的转换

以箱梁转换为例,由于箱梁截面的几何形状不规则且参数众多,需要调用LookupParameter方法,以获取Revit参数化建模时所需添加的物理属性(包括结构材质、底板的厚度与高度、顶板的厚度与高度、腹板厚度、梁体高度、梁体长度及加腋尺寸等),再结合BoundingBoxXYZ(角点坐标)进行坐标计算。在保持不同构件自身节点编号规律性的前提下,还应充分预留出足够的编号空间。需要注意的是,Revit软件中的长度单位为英尺,在调用参数时需要先进行单位换算。其他构件的转换方法与箱梁类似,钢轨转换时须结合Locationpoint(坐标定位点)与长度参数予以实现;CRTS Ⅲ型板转换时须结合角点坐标,以及轨道板、自密实混凝土层和底座的长宽高等参数予以实现。

1.3.3 模型材质信息的转换

仿真分析时需要输入结构的密度、泊松比、热膨胀系数和弹性模量等参数,而元素收集过滤器仅能获取元素信息,若要获取材质信息,需要先将结构转换成材料,再调用PropertySetElement类中StructuralAsset属性,以实现Revit中模型材质属性的获取及生成ANSYS自动赋予材质信息的APDL。

1.3.4 约束及边界条件转换

发扬风格也不是随意发挥，上文所提到的两位翻译家，鲁迅和周作人，他们都认为儿童文学翻译作品的目标读者是儿童，因此应该着重考虑儿童的阅读习惯和心理。原文中一些晦涩难懂的词汇应该改成简单生动的词汇，所以在翻译这些作品时，译者要做二次创作。(夏丐尊，1983)[9]

采用Revit软件建模时,须将扣件模型的中心对齐锁定到参照平面的中心上,即通过坐标定位点来确定扣件在参照平面上的位置。再根据扣件的间距进行网格划分,使用弹簧单元连接2排节点,弹簧单元的长度调用Revit模型中扣件的高度参数。

采用Revit软件对模型进行分析时,软件提供了“固定”、“铰支”、“滑动”、“用户”4种边界状态选项,BoundaryConditions类可对结构的边界条件进行创建,并获取相关信息。本文构建的连续箱梁桥模型三跨的纵向长度分别为40 m、60 m及40 m,轨道结构采用CRTS Ⅲ型板式无砟轨道,其桥跨布置如图3所示。

图3 连续箱梁桥的桥跨布置示意图

图3中:0#桥台和3#桥台采用活动支座约束(活动支座约束即约束横向1排节点的垂向和横向自由度);1#桥墩布置活动支座;2#桥墩布置固定支座(固定约束支座即约束横向1排节点的垂向和横向自由度,并在该排两侧节点的下部均通过弹簧连接1个约束全部平动自由度的节点)。

2 模型转换的应用验证

将桥上无缝线路Revit模型转换为ANSYS模型的代码进行编译调试,将自动生成的APDL导入ANSYS软件中运行,并对模型进行后处理计算。桥上无缝线路Revit模型自动转换为ANSYS模型得到的模型效果如图4所示。

图4 桥上无缝线路Revit模型自动转换为ANSYS模型后的模型效果截图

本文拟定了2种研究工况:

图5 温度荷载作用工况下的钢轨伸缩力及钢轨纵向位移计算结果

2) 列车荷载作用工况,即选择出1对钢轨,施加我国高速铁路列车荷载换算得到的均布活载(又称为“ZK荷载”),将钢轨挠曲力和钢轨纵向位移数据提取出来,其计算结果如图6所示。图6中:挠曲力正值代表拉(应)力,负值代表压(应)力。

图6 列车荷载作用工况下的钢轨挠曲力和钢轨纵向位移计算结果

文献[11]中采取的连续箱梁桥模型三跨的纵向长度为70 m、130 m及70 m,其得到研究得到的钢轨纵向力计算结果如图7所示。与文献[11]相比,本研究采用的连续箱梁桥模型跨径较小。因选取的模型参数及桥梁跨径的不同,图7的计算结果与图5 a)、图6 a)的纵向力幅值波动范围存在一定的差异,但二者的数据变化趋势大致相符,由此验证了本文所建模型自动转换的合理性和准确性。

图7 文献[11]中2种工况下钢轨纵向力和钢轨纵向位移的计算结果

3 结语

1) 本文创建的桥上无缝线路Revit模型转换至ANSYS模型的二次开发程序,实现了模型几何形状、空间位置和物理材质的准确、高效转换,并能够自动完成前处理过程中模型切割、网格划分及模型约束等操作。

2) 将自动转化得到的模型进行后处理分析,分别对模型施加列车荷载和温度荷载,得到了与之相对应的钢轨纵向力和钢轨纵向位移。通过与文献计算结果的对比,验证了本文所提方法的合理性和准确性。

本文完成了Revit模型与ANSYS模型之间数据信息的交互,在保证设计模型与计算模型一致的前提下,大大提高了设计人员的工作效率,促进了BIM技术在城市轨道交通工程数值计算中的交互应用。