王玄玄， 黃玉林， 趙金城， 段立平

(1. 上海交通大學(xué) 土木工程系， 上海 200240； 2. 上海建工集團(tuán)股份有限公司， 上海 200080)

近年來，建筑信息模型(BIM)技術(shù)在我國受到越來越多的關(guān)注，而其在一些大型的公共建筑如上海中心大廈、國家游泳中心(水立方)、上海迪士尼樂園、北京中信大廈(中國尊)等[1-4]設(shè)計施工中的應(yīng)用，又進(jìn)一步推動了中國建筑行業(yè)數(shù)字化、信息化的發(fā)展.

BIM技術(shù)的核心是建筑信息，而建筑信息又以建筑模型為載體，這也反映了建模軟件在BIM軟件中的重要地位.對比Revit、Bentley系列、ArchiCAD和CATIA等三維建模軟件的使用范圍，結(jié)合中國市場的建模習(xí)慣和熟悉程度，與AutoCAD同屬Autodesk公司的Revit成為了更多工程師的選擇.考慮到Revit在結(jié)構(gòu)分析方面的弱勢，科研人員以及軟件開發(fā)工程師們利用中間軟件或者IFC格式文件作為轉(zhuǎn)換平臺[5]，開發(fā)了眾多接口，如Revit與 Robot、ETABS、STAAD、YJK、PKPM等軟件[6-9]，但究其功能，主要還是應(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)的施工圖設(shè)計方面.另外，如Robot等軟件對中國的規(guī)范考慮較少，使得其應(yīng)用也受到了一定的限制[10].

Abaqus[11]作為一款大型通用有限元分析軟件，可以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的線性、非線性模擬問題，其豐富的單元和材料模型庫，可以模擬復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)及其材料性能.Abaqus中解決某個問題的完整分析過程包括前處理、模擬計算和后處理3個部分，結(jié)構(gòu)建模主要是在前處理中完成的，而完成前處理的方法主要有Python腳本編寫、Abaqus/CAE交互式輸入以及INP文件編寫.一般情況下，簡單構(gòu)件的建模往往通過CAE實現(xiàn)，一些重復(fù)性較高的模型建立則會考慮通過Python腳本完成.而對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者在其他軟件中建立的模型，考慮INP文件可以實現(xiàn)一些Abaqus/CAE不支持的功能并可以控制分析過程[12]，往往優(yōu)先采用編寫INP文件并且導(dǎo)入Abaqus進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算的方式，如PKPM與Abaqus[13]之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.

為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)精細(xì)化建模和數(shù)值分析研究，宋杰等[14]編寫了轉(zhuǎn)換程序獲取Revit中建立的結(jié)構(gòu)物理模型的幾何數(shù)據(jù)，并整理成ANSYS可以識別的 APDL 命令流，實現(xiàn)簡單框架結(jié)構(gòu)模型在兩者之間的轉(zhuǎn)換.丁曉宇[15]在其基礎(chǔ)上實現(xiàn)了簡單網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的建模及轉(zhuǎn)換，但結(jié)構(gòu)分析需要的邊界條件、荷載工況以及網(wǎng)格劃分信息等仍需在ANSYS中重新設(shè)定.

本文結(jié)合Revit強(qiáng)大的參數(shù)化建模和二次開發(fā)能力以及Abaqus優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)計算分析能力，編寫模型轉(zhuǎn)換程序，可快速實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)在Revit中建模至Abaqus中數(shù)值模擬及結(jié)果分析的過程，大大提高了建模分析的效率.

1 基于ACIS的模型轉(zhuǎn)換方法

圖1 Revit中的族模型及導(dǎo)入Abaqus中的模型對比Fig.1 Comparison between Revit family model and introduced Abaqus model

Revit和Abaqus基于共同的商業(yè)內(nèi)核ACIS，均支持.sat文件的導(dǎo)入導(dǎo)出，理論上可以較方便地進(jìn)行兩者之間的轉(zhuǎn)換.然而，由于.sat文件本身是用來存儲ACIS模型的線框、曲面和實體(即只存儲結(jié)構(gòu)的幾何模型)的一種數(shù)據(jù)格式，目前僅支持 Revit 中的實體族模型以part模型的方式導(dǎo)入Abaqus中進(jìn)行裝配(見圖1).如：韓守都等[16]在Revit中建立鋼岔管的三維族模型，將其導(dǎo)出為.sat數(shù)據(jù)格式，之后導(dǎo)入Abaqus中修正，并完成網(wǎng)格劃分、材料屬性定義、邊界條件和荷載工況添加、結(jié)構(gòu)計算分析等過程；Yan 等[17]同樣基于兩者共同的ACIS內(nèi)核，以HyperMesh軟件為“橋梁”平臺，將Revit等CAD軟件以及通用CAE軟件打包形成集成系統(tǒng)，以實現(xiàn)在Revit中建立參數(shù)化幾何模型、HyperMesh 軟件中劃分網(wǎng)格、有限元軟件的CAE中施加邊界條件和荷載工況、定義后處理輸出，最后進(jìn)行計算分析和結(jié)果顯示.顯然，對于由多種類型構(gòu)件組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，該方法并不能提高建模效率，反而會因為修正轉(zhuǎn)換過程中的細(xì)節(jié)偏差而增加時間成本.

2 模型轉(zhuǎn)換接口開發(fā)

2.1 開發(fā)工具

Revit不僅是一款功能強(qiáng)大的參數(shù)化三維建模軟件，其豐富的API更是為開發(fā)者將擴(kuò)展功能的應(yīng)用程序集成到Revit平臺提供了極大的方便.

本文以Revit 2015為結(jié)構(gòu)建模平臺，利用其API進(jìn)行二次開發(fā)時，需要基于.NET Framework 4.5及以上編程環(huán)境進(jìn)行編譯和調(diào)試，故選擇微軟公司提供的Visual Studio 2015，并以可讀性以及可編譯性更好的C#作為編程語言，采用外部應(yīng)用(IExternal Application)的方式開發(fā)結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換接口.在模型轉(zhuǎn)換接口開發(fā)之前，需要搭建開發(fā)環(huán)境，詳細(xì)的流程如圖2所示.

圖3 模型轉(zhuǎn)換接口的算法流程圖Fig.3 Algorithm flow chart of model exchange interface

2.2 模型轉(zhuǎn)換接口開發(fā)流程

在Revit中建立的三維結(jié)構(gòu)模型包括結(jié)構(gòu)物理模型和結(jié)構(gòu)分析模型.前者包含各組成構(gòu)件的編號、幾何尺寸、位置信息、橫截面特性、材料物理特性等，后者包含荷載工況、構(gòu)件兩端約束條件和結(jié)構(gòu)邊界條件等.Revit與Abaqus中的模型信息對比如表1所示.由表1可知，這些可獲取的信息與編寫INP文件所需要的數(shù)據(jù)吻合，適合利用二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行提取轉(zhuǎn)存，實現(xiàn)Revit和Abaqus之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.

轉(zhuǎn)換程序默認(rèn)采用梁單元和殼單元，即將獲取的梁、柱構(gòu)件以B31(考慮剪切變形的Timoshenko梁單元)進(jìn)行計算，板構(gòu)件采用S4R(線性、有限薄膜應(yīng)變的殼單元).實現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換接口的算法流程如圖3所示.

圖2 開發(fā)環(huán)境搭建流程Fig.2 The process of building development environment

表1 Revit與Abaqus中模型信息對比

Tab.1 Comparison of model information in Revit and Abaqus

Revit中可提取的數(shù)據(jù)Abaqus中對應(yīng)的數(shù)據(jù)INP文件中的關(guān)鍵字構(gòu)件ID、坐標(biāo)、幾何信息節(jié)點(diǎn)*NODE單元*ELEMENT材料材料*MATERIAL截面參數(shù)截面*SECTION荷載荷載*LOAD邊界條件邊界條件*BOUNDARY

2.3 模型轉(zhuǎn)換算法要點(diǎn)

INP文件主要是由模型和歷史兩部分?jǐn)?shù)據(jù)組成，前者定義了有限元模型，而后者則定義了模型執(zhí)行的作業(yè)，兩者以分析步(*STEP)為界.

2.3.1Revit模型信息過濾 Revit結(jié)構(gòu)三維模型提供的信息較多，為減少后續(xù)提取數(shù)據(jù)的工作量，首先采用過濾的方法遍歷模型中的所有信息，分類收集不同類型的構(gòu)件(梁、柱、板)及其編號、材料特性、邊界條件和荷載等信息.

2.3.2節(jié)點(diǎn)及單元信息轉(zhuǎn)換 Revit中采用“點(diǎn)—線—面—體”的方式構(gòu)成幾何體，即通過關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)成多條直線，這些直線組成不同平面，而多個平面又構(gòu)成不同的幾何實體展現(xiàn)在視圖界面上.在Revit中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)物理模型時，系統(tǒng)會自動生成包含受力構(gòu)件全部數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)分析模型，但仍需要進(jìn)行分析鏈接、支座檢查和一致性檢查，才可通過Revit API獲取結(jié)構(gòu)分析模型的詳細(xì)數(shù)據(jù).

Revit中構(gòu)件分析模型的編號是唯一的. Revit API通過Element.GetAnalyticalModel()方法可以獲取結(jié)構(gòu)分析模型，而根據(jù)分析模型對應(yīng)的元素類型的不同，主要通過GetPoint ()、GetCurve ()和GetCurves ()3種方法獲取分析模型中結(jié)構(gòu)梁、柱的兩端節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以及樓板的各角點(diǎn)坐標(biāo)；對獲取的梁、板、柱集合中的所有構(gòu)件依次進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分，利用分析模型的唯一編號對網(wǎng)格劃分后的所有節(jié)點(diǎn)和單元進(jìn)行編號.另外，由于結(jié)構(gòu)梁支撐在結(jié)構(gòu)柱上，結(jié)構(gòu)樓板支撐在結(jié)構(gòu)梁上，在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)以及單元整理時需要刪除梁、板、柱的重復(fù)節(jié)點(diǎn)和單元信息.

2.3.3構(gòu)件截面信息轉(zhuǎn)換 Abaqus中梁單元的截面選擇與實際結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面幾何形狀有關(guān)，具體的截面定義方法包括：① 從截面庫選擇；② 自定義截面特性；③ 通過數(shù)值計算獲得.本轉(zhuǎn)換程序中采用第1種方法，即通過Abaqus中梁單元的橫截面庫進(jìn)行選取.梁單元的橫截面庫如圖4所示.

以Revit中建立的工字型鋼梁為例，如圖5所示，可以通過Parameter方法獲取其截面的幾何參數(shù)：高度d，上、下翼緣的寬度bf和厚度tf，腹板的厚度tw，而INP文件中對工字型截面的描述是“I”，尺寸順序依次是：l,h,b1,b2,c1,c2,c3，如圖6所示.其中，1～5為Abaqus中I型載面梁在計算截面受力的幾個點(diǎn).通過兩者之間的映射關(guān)系，完成INP文件中關(guān)于截面尺寸的轉(zhuǎn)換.同理，可以實現(xiàn)對其他截面類型INP文件的書寫.

INP文件中*BEAM SECTION關(guān)鍵字下，除了第1行對截面特征值的描述，第2行對橫截面方向的描述也需要考慮.空間中梁單元的默認(rèn)值是 [0 0 -1]，3個值分別表示第1個梁截面軸的第1方向余弦、第2方向余弦和第3方向余弦.故在構(gòu)件截面信息轉(zhuǎn)換時，還需要考慮梁的橫截面方向，如圖7所示.

根據(jù)t的定義，當(dāng)獲取到梁單元的兩端節(jié)點(diǎn)坐針對規(guī)則框架，梁單元截面的t軸和n1軸方向如表2所示.柱子梁單元的法線方向t=[0 0 *]，故其n1軸必與x軸或y軸平行；框架梁的梁單元如果計算獲得的t為[0 * 0]或[* 0 0]時，表明其與y軸或x軸平行，此時梁的n1方向分別為 [1 0 0] 和 [0 1 0].對于殼單元，只需從Revit結(jié)構(gòu)物理模型中獲取其厚度參數(shù)，寫入INP文件*SHELL SECTION關(guān)鍵字下即可.

圖4 梁單元橫截面庫Fig.4 Beam element cross-section library

圖5 Revit中工字型梁的橫截面參數(shù)Fig.5 Cross-section parameters of I-beams in Revit

圖6 Abaqus中I型梁的橫截面參數(shù)Fig.6 Cross-section parameters of I-beams in Abaqus

圖7 梁橫截面坐標(biāo)體系Fig.7 Beam cross-section coordinate system

標(biāo)后，即可確定法線t；而根據(jù)右手準(zhǔn)則可知，t，n1，n2中確定任意兩個的方向，即可獲得截面的方向.故轉(zhuǎn)換程序只需確定n1和n2其中一個，便可實現(xiàn)截面方向的定義.

表2 規(guī)則框架中梁單元截面n1軸的方向

Tab.2 Then1axis direction of beam element cross-section in the regular frame

單元t方向特征n1軸方向框架柱與y,z軸平行[1 0 0] 或 [0 1 0]框架梁與x軸平行[0 1 0]與y軸平行[1 0 0]

2.3.4材料特性轉(zhuǎn)換 Revit中建立的結(jié)構(gòu)模型包含圖形、外觀、物理特性、熱度等豐富的材料信息，在Revit API中使用Material類代表.在Abaqus中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，需要彈性模量、密度、泊松比等物理特性，而這些信息被封裝成可被文檔中所有材料訪問的元素，即API中的PropertySetElement類，可通過GetStructuralAsset()方法獲取，并存儲在StructualAsset類中.

2.3.5荷載及邊界條件轉(zhuǎn)換 Revit中建立的結(jié)構(gòu)分析模型允許在梁、柱、支撐、樓板、剪力墻上施加點(diǎn)、線、面荷載，并且支持編輯和修改荷載力(Forces)和彎矩(Moments)的值.

Revit API中的點(diǎn)、線、面荷載分別需要通過PointLoad、LineLoad和AreaLoad類獲取.其中，PointLoad類提供了荷載力所在的單元、具體位置坐標(biāo)、大小和方向;LineLoad類提供了線荷載所在的單元、起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)及其相應(yīng)的荷載值;AreaLoad 類提供了圍成荷載施加面的各直線所在的單元、起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)以及面荷載值.

轉(zhuǎn)化程序中荷載主要包括：結(jié)構(gòu)自重、節(jié)點(diǎn)荷載、梁上線荷載、樓面均布荷載.

邊界條件是指根據(jù)周圍環(huán)境定義結(jié)構(gòu)構(gòu)件的支撐情況，又稱支撐或約束.Revit中可以施加點(diǎn)、線、面3種類型的邊界條件，其中又分為：固定、鉸支、滑動和用戶4種狀態(tài).在用戶狀態(tài)下，用戶可以根據(jù)實際約束情況將x、y、z方向的平動和轉(zhuǎn)動設(shè)置為固定、釋放或給定具體的彈性剛度.在INP文件中，邊界條件對應(yīng)的關(guān)鍵字為*Boundary，分別用自由度1～6代表沿坐標(biāo)軸x、y、z方向的平移和旋轉(zhuǎn)自由度，故轉(zhuǎn)換程序只需判定邊界條件的類型并獲取其位置信息和各自由度的約束狀態(tài)即可.

另外，構(gòu)件與構(gòu)件之間默認(rèn)為剛接.當(dāng)構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)為其他連接形式時，獲取構(gòu)件分析模型中的起點(diǎn)以及終點(diǎn)約束的釋放情況，并將其寫在 *RELEASE 關(guān)鍵詞下.

2.3.6設(shè)置分析步 完整的INP文件還需要定義分析類型和輸出文件的場變量、歷史變量，根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的需要進(jìn)行定義即可.

2.3.7轉(zhuǎn)換檢查 為了確保轉(zhuǎn)換接口的準(zhǔn)確性，需從網(wǎng)格劃分后的節(jié)點(diǎn)、單元數(shù)目、截面類型和尺寸、材料特性、荷載類型與大小、邊界條件等方面對 Revit 和Abaqus中的模型進(jìn)行對比，確保模型的一致性.另外，檢查完上述模型信息的內(nèi)容正確性之后，還要檢查INP文件的書寫是否規(guī)范、合法，如：INP文件中每行數(shù)據(jù)不多于16個，且不準(zhǔn)出現(xiàn)空行等.

3 轉(zhuǎn)換驗證

以多層多跨L型空間鋼框架為例，在Revit中建立其三維結(jié)構(gòu)模型，如圖8(a)所示；樓板厚150 mm，采用C35混凝土，柱腳均剛接，荷載考慮結(jié)構(gòu)自重及3層局部樓面荷載，如圖8(b)所示.

點(diǎn)擊自主編寫的“Revit-Abaqus模型轉(zhuǎn)換”功能面板下的“導(dǎo)出INP文件”選項(見圖8)，便可生成相應(yīng)的INP文件，可將其導(dǎo)入Abaqus中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析.整個模型的轉(zhuǎn)換驗證情況如表3所示.其中，Revit和Abaqus模型中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目和梁、殼單元數(shù)目分別通過手算和轉(zhuǎn)換接口自動網(wǎng)格劃分后統(tǒng)計計算獲得(后同).由表3可知，該模型的轉(zhuǎn)換是完整且正確的.另外，在SAP2000軟件中建立同樣的結(jié)構(gòu)模型(見圖9)，并與Revit中建立的模型導(dǎo)入Abaqus中進(jìn)行計算分析的結(jié)果(見圖10)進(jìn)行對比.由于SAP2000中框架應(yīng)力σ的云圖沒有彩條指示，需要點(diǎn)選相應(yīng)的截面來查看具體的數(shù)值.從圖9和10的結(jié)果來看，兩者最大應(yīng)力的發(fā)生位置相同，大小分別為62.79和62.24 MPa，偏差率小于1%；最大豎向位移uz的發(fā)生位置相同，大小分別為4.501和4.534 mm，偏差率也小于1%.以最大豎向位移所在的x向為剖面，獲得的Abaqus和SAP2000中豎向位移的對比如圖11所示.由圖11可知，兩者比較吻合，這也證明了所編寫的模型轉(zhuǎn)換程序是正確的.

圖8 Revit中多層鋼框架結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Integral steel platform structure model in Revit

圖9 導(dǎo)入Abaqus中的模型及分析結(jié)果Fig.9 The model and analysis results in Abaqus

圖11 Abaqus與SAP2000中指定剖面的結(jié)構(gòu)豎向位移對比Fig.11 Comparison of vertical displacement in the specified section of Abaqus and SAP2000

表3 空間鋼框架轉(zhuǎn)換驗證Tab.3 The space steel frame exchange verification

4 某工程核心筒施工整體鋼平臺模型應(yīng)用

4.1 工程背景

上海某超高層建筑核心筒由9個內(nèi)筒組成，從13層起使用整體鋼平臺模架爬升體系進(jìn)行施工，本文以13～51標(biāo)準(zhǔn)層為研究對象.該超高層項目的核心筒分布及整體鋼平臺的油缸布置情況如圖 12 所示.其中：A～D為十字交叉的中心點(diǎn).由圖12可知，每個內(nèi)筒中均布置筒架支撐系統(tǒng)，除中心核心筒外，其余8個筒內(nèi)各布置4個液壓頂升油缸.Revit中建立的整體鋼平臺正常爬升工況下的三維結(jié)構(gòu)模型如圖13所示.

圖12 核心筒分布及整體鋼平臺油缸布置圖Fig.12 Core tube distribution and integral steel platform cylinders layout

圖13 Revit中整體鋼平臺結(jié)構(gòu)模型Fig.13 Integral steel platform structure model in Revit

4.2 模型轉(zhuǎn)換驗證及結(jié)構(gòu)分析

對整體鋼平臺模型轉(zhuǎn)換的正確性進(jìn)行檢查的結(jié)果如表4所示.由表4可知，該模型轉(zhuǎn)換是完整和可靠的.

將Revit導(dǎo)出的INP文件導(dǎo)入Abaqus中獲得的有限元模型和計算得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖、豎向位移云圖以及油缸頂升力F云圖如圖14所示.由圖14可知，轉(zhuǎn)換程序中進(jìn)行的自主網(wǎng)格劃分質(zhì)量較高，并且結(jié)構(gòu)位移是連續(xù)的.另外，Revit中建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的速度較快，整個結(jié)構(gòu)建模分析過程的效率更高.

表4 整體鋼平臺模型轉(zhuǎn)換驗證Tab.4 Integral steel platform model exchange verification

圖14 導(dǎo)入Abaqus后的整體鋼平臺模型及其計算結(jié)果Fig.14 Integral steel platform model and calculation result after introducing Abaqus

5 結(jié)語

本文充分利用Revit高效、三維可視化、參數(shù)化建模的優(yōu)點(diǎn)及其豐富的Revit API，編寫了Revit與Abaqus之間結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)換接口，不但彌補(bǔ)了BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)分析方面的劣勢，也有效地解決了Abaqus中復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模效率低的問題，實現(xiàn)了 Revit 與Abaqus的優(yōu)勢互補(bǔ).

在內(nèi)容方面，本文給出了Revit-Abaqus模型轉(zhuǎn)換接口的算法流程，即通過提取結(jié)構(gòu)物理模型和分析模型所攜帶的數(shù)據(jù)信息并轉(zhuǎn)化成INP文件格式，同時對自動網(wǎng)格劃分、梁單元截面類型及其n1方向的獲取等算法要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)解釋，之后通過空間鋼框架結(jié)構(gòu)驗證了其可靠性和高效性，最后將該轉(zhuǎn)換接口應(yīng)用于某超高層核心筒施工中采用的整體鋼平臺模架體系的結(jié)構(gòu)分析.

所開發(fā)的轉(zhuǎn)換接口實現(xiàn)了Revit模型中梁、柱和板構(gòu)件分別以梁單元和殼單元在Abaqus中進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算的目標(biāo)，但針對鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)(如：螺栓連接)的實體模型轉(zhuǎn)換并未涉及，之后可以進(jìn)行更加深入的研究.