BIM模型的公路橋梁結(jié)構(gòu)計算分析規(guī)則探索

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)計建模中運(yùn)用BIM這一設(shè)計人員最為關(guān)心的問題，在建模過程中和其他有限元軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、模型正確性檢驗及該軟件在公路橋梁結(jié)構(gòu)計算分析時適用性的問題，為BIM在公路橋梁結(jié)構(gòu)計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)計算帶來便利，因此，仍然傾向于選擇在結(jié)構(gòu)計算軟件中重新建模進(jìn)行計算分析。

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

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，但是將這兩個文件相互轉(zhuǎn)換的過程中發(fā)現(xiàn)如下幾個問題：.dxf在軟件圖形識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，其他信息則會丟失，這就給工程師分析計算帶來巨大的工作量。

.ifc能夠?qū)⒔ㄖI(lǐng)域各個專業(yè)的設(shè)計和管理整合為一個整體。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文件時信息大量丟失，在結(jié)構(gòu)計算時不能導(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)計算分析軟件，該軟件能夠避免因為和第三方軟件交互而遇到的不兼容信息丟失等問題，如：結(jié)構(gòu)信息不完整，單元劃分規(guī)則不同等。同時，因為二者的信息源可以共享，相關(guān)設(shè)計人員在設(shè)計過程中，能夠方便修改結(jié)構(gòu)等信息，減少大量的設(shè)計時間和模型修改時間。

有限元網(wǎng)格自動劃分。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)先的高級快速動態(tài)解算器，該功能能夠使設(shè)計者們對任何結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析、時程分析及譜響應(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軟件分析計算，結(jié)構(gòu)的荷載、荷載組合、支座等也可以實現(xiàn)導(dǎo)入。

與導(dǎo)入Robot相比，在導(dǎo)入Etabs和Sap2000軟件時，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，軟件會自動識別截面的形式，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)入受力計算分析。在Static Analysis選項下，指定材料屬性、劃分網(wǎng)格、定義邊界條件后運(yùn)行計算即可。

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算軟件，可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的整體靜力或動力分析，以及局部精細(xì)化計算分析，任意設(shè)定工況，并可完成復(fù)雜工況組合，結(jié)構(gòu)計算分析功能強(qiáng)大。分別利用這兩個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記性受力分析計算，可以高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

結(jié)語

公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中最重要的環(huán)節(jié)是針對結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)計算和分析，這一環(huán)節(jié)的計算結(jié)果是結(jié)構(gòu)施工圖繪制的主要依據(jù)，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息。BIM建模軟件與第三方計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現(xiàn)BIM軟件與第三方計算軟件的導(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)展和成熟需要在實踐中不斷地錘煉、完善。