文/ 江西中鄱工程咨詢有限公司 葉玉花 張東曉

本文針對我國公路橋梁結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用BIM技術(shù)的現(xiàn)狀，深入研究如何在公路橋梁設(shè)計(jì)建模中運(yùn)用BIM這一設(shè)計(jì)人員最為關(guān)心的問題，在建模過程中和其他有限元軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、模型正確性檢驗(yàn)及該軟件在公路橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)適用性的問題，為BIM在公路橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中提供一定的參考。

目前國內(nèi)BIM技術(shù)在公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的參與度較低，大部分是脫離的。多數(shù)公路橋梁結(jié)構(gòu)工程師認(rèn)為，當(dāng)前BIM軟件與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件之間的數(shù)據(jù)交換存在壁壘，BIM技術(shù)無法給公路橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算帶來便利，因此，仍然傾向于選擇在結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中重新建模進(jìn)行計(jì)算分析。

工程背景

某大橋位于江西省境內(nèi)，其下部結(jié)構(gòu)蓋梁采用變截面形式；雙柱式橋墩采用圓形截面，墩柱間距6m；樁基礎(chǔ)的樁身直徑1.5m，樁長15m，采用對稱布置單排雙柱樁。上部箱梁采用C50混凝土，蓋梁和橋墩采用C40混凝土，其余采用C30混凝土。

BIM軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件的互導(dǎo)

圖1 基于BIM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 牛腿的應(yīng)力云圖和變形

圖3 牛腿的應(yīng)力跡線圖

圖4 某公路橋引橋橋墩應(yīng)力云圖

目前大部分主流結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件與BIM軟件都支持的數(shù)據(jù)格式是.dxf和.ifc文件，但是將這兩個(gè)文件相互轉(zhuǎn)換的過程中發(fā)現(xiàn)如下幾個(gè)問題：.dxf在軟件圖形識(shí)別中是一種通用的文件，可以進(jìn)行圖形的交換，但在運(yùn)用BIM進(jìn)行.dxf文件導(dǎo)入的過程中，也僅僅是導(dǎo)入了結(jié)構(gòu)的幾何圖形，其他信息則會(huì)丟失，這就給工程師分析計(jì)算帶來巨大的工作量。

.ifc能夠?qū)⒔ㄖI(lǐng)域各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)和管理整合為一個(gè)整體。形成此種現(xiàn)象的目的是使建筑行業(yè)不同專業(yè)之間使用的不同軟件可以共享相同的數(shù)據(jù)源，最終使得軟件之間信息共享和交互。但是這種文件只存在于每一個(gè)軟件中間，其包含的信息仍然不夠完整，使得軟件在調(diào)入.ifc文件時(shí)信息大量丟失，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不能導(dǎo)入所有的信息。

因此，各大軟件商和BIM技術(shù)研究人員都是從轉(zhuǎn)換接口入手解決互導(dǎo)的問題。

Revit與Robot

Autodesk公司為完善BIM系列軟件的功能，于2008年收購法國Robotbat結(jié)構(gòu)分析軟件，整合開發(fā)了Autodesk Robot Structural Analysis作為結(jié)構(gòu)分析軟件。Robot Structural Analysis的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

與Revit無縫對接。Robot是Autodesk公司自主研發(fā)的一種可以和Revit無縫對接的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件，該軟件能夠避免因?yàn)楹偷谌杰浖换ザ龅降牟患嫒菪畔G失等問題，如：結(jié)構(gòu)信息不完整，單元?jiǎng)澐忠?guī)則不同等。同時(shí)，因?yàn)槎叩男畔⒃纯梢怨蚕恚嚓P(guān)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，能夠方便修改結(jié)構(gòu)等信息，減少大量的設(shè)計(jì)時(shí)間和模型修改時(shí)間。

有限元網(wǎng)格自動(dòng)劃分。Robot還擁有較為強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分體系，通過Robot可以手動(dòng)修改原有的網(wǎng)格，增加發(fā)散點(diǎn)，使得網(wǎng)格更加精細(xì)化，能夠?qū)Ω鞣N不同形狀的構(gòu)件邊緣區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過這一功能，相關(guān)設(shè)計(jì)人員可以更加精確地模擬有限元。

強(qiáng)大的分析功能。Robot還擁有強(qiáng)大的分析功能。Robot除了擁有線性分析功能外，還具有非線性分析功能。包括：塑性鉸分析、單向拉、壓桿和約束分析等。此外，該軟件還具有行業(yè)領(lǐng)先的高級快速動(dòng)態(tài)解算器，該功能能夠使設(shè)計(jì)者們對任何結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析、時(shí)程分析及譜響應(yīng)分析等。

Revit與Etabs、Sap2000

CSIxRevit數(shù)據(jù)交換軟件，可以將Revit模型導(dǎo)入到Sap2000和Etabs軟件分析計(jì)算，結(jié)構(gòu)的荷載、荷載組合、支座等也可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入。

與導(dǎo)入Robot相比，在導(dǎo)入Etabs和Sap2000軟件時(shí)，具有如下特點(diǎn)：將所要進(jìn)行分析的模型導(dǎo)入后先統(tǒng)計(jì)模型的材料特性、板截面、梁截面等信息，然后將Revit模型導(dǎo)入Etabs、Sap2000或更新Revit模型。Etabs具有非常全面的構(gòu)件類型庫，在導(dǎo)入Revit模型的過程中，軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別截面的形式，完成匹配。

Revit與Midas

利用Midas Link for Revit Structure接口程序可以直接在Midas Gen和Revit之間進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。接口程序可以直接將Revit模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Midas Gen，并且根據(jù)Midas Gen中的模型修改，更新Revit模型文件。導(dǎo)入導(dǎo)出通過Midas Gen文本文件（＊.mgt）作為媒介。

Catia

圖5 某公路橋引橋橋墩主應(yīng)力向量圖

圖6 某公路橋引橋橋墩米塞斯應(yīng)力圖

圖7 Catia導(dǎo)入Ansys

Catia軟件自身整合有限元計(jì)算模塊Generative Structural Analysis。以某大橋的橋墩為例，在Catia中建立好構(gòu)件模型后，可以直接轉(zhuǎn)入有限元分析模塊進(jìn)入受力計(jì)算分析。在Static Analysis選項(xiàng)下，指定材料屬性、劃分網(wǎng)格、定義邊界條件后運(yùn)行計(jì)算即可。

Catia和Ansys

Catia軟件擁有強(qiáng)大的空間三維精細(xì)化建模功能，特別是對于空間曲線和曲面模型；Ansys是大型通用有限元計(jì)算軟件，可實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的整體靜力或動(dòng)力分析，以及局部精細(xì)化計(jì)算分析，任意設(shè)定工況，并可完成復(fù)雜工況組合，結(jié)構(gòu)計(jì)算分析功能強(qiáng)大。分別利用這兩個(gè)軟件的建模功能和分析功能，在擦條中建立準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)模型，通過接口導(dǎo)入Ansys記性受力分析計(jì)算，可以高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)語

公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中最重要的環(huán)節(jié)是針對結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)計(jì)算和分析，這一環(huán)節(jié)的計(jì)算結(jié)果是結(jié)構(gòu)施工圖繪制的主要依據(jù)，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息。BIM建模軟件與第三方計(jì)算分析軟件之間的相互導(dǎo)入問題已經(jīng)取得了一些突破，軟件開發(fā)商不斷開發(fā)完善相關(guān)的接口軟件，工程設(shè)計(jì)研究人員也在利用API接口進(jìn)行二次開發(fā)，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)BIM軟件與第三方計(jì)算軟件的導(dǎo)入和導(dǎo)出。同任何一種新的理論或技術(shù)一樣，BIM技術(shù)的發(fā)展和成熟需要在實(shí)踐中不斷地錘煉、完善。