基于Revit和ANSYS軟件的城市軌道交通連續(xù)箱梁橋無(wú)縫線路模型轉(zhuǎn)換方法

王 嘉 李 莉

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海;2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生)

0 引言

BIM(建筑信息模型)和有限元分析等技術(shù)在工程上的應(yīng)用越來(lái)越普遍,隨之對(duì)鐵路橋梁模型構(gòu)建和結(jié)構(gòu)分析的要求也越來(lái)越高,而單一領(lǐng)域內(nèi)軟件的使用存在一定的局限性。例如,ANSYS軟件憑借其強(qiáng)大的計(jì)算分析能力給工程數(shù)值仿真帶來(lái)了諸多便利,但其建模環(huán)節(jié)的功能較為薄弱,UI(用戶界面)交互不夠便捷,精細(xì)化建模需要耗費(fèi)大量時(shí)間,如需更正模型中的錯(cuò)誤,其流程也較為繁瑣[1-2]。

Revit軟件憑借其優(yōu)越的建模性能和廣泛的適用性在BIM領(lǐng)域內(nèi)脫穎而出,成為我國(guó)BIM應(yīng)用的一款主流軟件?；赗evit軟件生成的模型(以下簡(jiǎn)稱“Revit模型”)包含了大量的數(shù)據(jù)信息,這些數(shù)據(jù)的有效調(diào)用是實(shí)現(xiàn)模型二次開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ),也為Revit模型與基于ANSYS軟件生成的模型(以下簡(jiǎn)稱“ANSYS模型”)間的快速轉(zhuǎn)換提供了可能。因此,快速協(xié)同建筑設(shè)計(jì)軟件和有限元分析軟件的交互功能,能有效提高工作效率[3-5]。

眾多學(xué)者就Revit模型向ANSYS模型轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]基于上海軌道交通17號(hào)線青浦站工程,對(duì)地鐵車站中的墻柱等構(gòu)造由Revit模型向ANSYS模型轉(zhuǎn)化進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]對(duì)某建筑結(jié)構(gòu)的梁、板、柱、墻等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型的轉(zhuǎn)換和切分,并輸出了結(jié)構(gòu)在重力條件下的變形云圖。文獻(xiàn)[7]將模型轉(zhuǎn)換方法應(yīng)用于某船閘閘室主體工程中,并驗(yàn)證了其可行性。文獻(xiàn)[8]將巖土工程中的基坑Revit模型轉(zhuǎn)化到ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,再導(dǎo)入到FLAC3D軟件中進(jìn)行計(jì)算,促進(jìn)了BIM軟件與數(shù)值計(jì)算軟件的對(duì)接。文獻(xiàn)[9]結(jié)合Python語(yǔ)言和XML語(yǔ)言,利用SCDM軟件(ANSYS的一款多功能前處理建模軟件)界面完成了地下室模型的轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[10]重點(diǎn)研究了幾何模型轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法和材料參數(shù)的獲取方法,并在一片簡(jiǎn)支梁上進(jìn)行了應(yīng)用。

但是,現(xiàn)有研究在橋梁工程中的應(yīng)用仍存在不足,通常僅針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換,而對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)與軌道結(jié)構(gòu)組合的城市軌道交通連續(xù)箱梁橋無(wú)縫線路(以下簡(jiǎn)稱“橋上無(wú)縫線路”)模型轉(zhuǎn)換的研究較少。為此,本文結(jié)合Revit軟件強(qiáng)大的參數(shù)化建模、二次開(kāi)發(fā)能力及ANSYS軟件優(yōu)秀的計(jì)算分析能力,基于Revit 軟件的API(應(yīng)用程序接口)(以下簡(jiǎn)稱Revit API),在Visual Studio 2019軟件上應(yīng)用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出2個(gè)模型轉(zhuǎn)換的接口,以快速實(shí)現(xiàn)橋上無(wú)縫線路Revit模型轉(zhuǎn)換為ANSYS模型并進(jìn)行仿真計(jì)算的功能,減少手動(dòng)輸入APDL(ANSYS參數(shù)化編程語(yǔ)言)的時(shí)間,彌補(bǔ)ANSYS軟件的不足。

1 模型轉(zhuǎn)換接口的開(kāi)發(fā)

1.1 開(kāi)發(fā)工具

Revit API作為Revit軟件和.NET平臺(tái)間的橋梁,可為不同平臺(tái)提供數(shù)據(jù)共享。Revit API憑借強(qiáng)大且豐富的功能,給設(shè)計(jì)人員提供了良好的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境,當(dāng)中包含了大量的命名空間、方法屬性和類庫(kù),供程序開(kāi)發(fā)人員調(diào)用。

本研究使用Revit 2018軟件構(gòu)建橋上無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)的BIM。在此基礎(chǔ)上,基于C#語(yǔ)言選擇Visual Studio 2019軟件中.NET Framework 4.5.2框架下的類庫(kù),利用Revit API,以IExternalApplication(外部應(yīng)用)及IExternalCommand(外部命令)的方式進(jìn)行模型的二次開(kāi)發(fā)。隨后利用streamwrite類生成APDL,并將命令流導(dǎo)入ANSYS軟件中,最終成功實(shí)現(xiàn)了Revit模型向ANSYS模型的轉(zhuǎn)換。其技術(shù)路線如圖1所示,具體流程如圖2所示。

圖1 基于Revit 和ANSYS軟件的橋上無(wú)縫線路模型二次開(kāi)發(fā)技術(shù)路線

圖2 基于Revit和ANSYS軟件的橋上無(wú)縫線路模型二次開(kāi)發(fā)的具體流程

1.2 模型轉(zhuǎn)換接口的開(kāi)發(fā)流程

Revit模型含有大量的參數(shù)信息(包括族的編號(hào)、空間位置、幾何尺寸和材質(zhì)屬性等),利用二次開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行調(diào)用和轉(zhuǎn)存,是實(shí)現(xiàn)Revit軟件與ANSYS軟件交互的必要方式。模型轉(zhuǎn)換接口的開(kāi)發(fā)流程為:①先生成用于存放APDL的StreamWriter類,創(chuàng)建FilteredElementCollector(元素收集過(guò)濾器),再根據(jù)族的Category(類別)、Class(族名)和Name(名稱)等參數(shù),將鋼軌、軌道結(jié)構(gòu)、梁體等不同類型的族分別存儲(chǔ)到各自的FilteredElementCollector中;②遍歷族文件數(shù)組,以獲取結(jié)構(gòu)的幾何和材質(zhì)信息,通過(guò)StreamWriter.write方法將APDL輸出到記事本中,并編寫(xiě)其他前處理操作語(yǔ)句(如模型切割、網(wǎng)格劃分等);③將自動(dòng)生成的.txt文件載入ANSYS軟件中,供ANSYS軟件讀取。

1.3 模型轉(zhuǎn)換的算法要點(diǎn)

1.3.1 Revit模型信息的過(guò)濾

橋上無(wú)縫線路Revit模型構(gòu)造復(fù)雜、信息眾多。為實(shí)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)信息分門(mén)別類的有序轉(zhuǎn)換,首先需要借助FilteredElementCollector進(jìn)行分類,并按類別存儲(chǔ)到各自的泛型列表中;然后遍歷列表中族實(shí)例的全部物理信息,收集在后續(xù)模型轉(zhuǎn)換時(shí)所需的空間位置、幾何尺寸及材質(zhì)屬性等參數(shù)信息。

1.3.2 模型幾何信息的轉(zhuǎn)換

以箱梁轉(zhuǎn)換為例,由于箱梁截面的幾何形狀不規(guī)則且參數(shù)眾多,需要調(diào)用LookupParameter方法,以獲取Revit參數(shù)化建模時(shí)所需添加的物理屬性(包括結(jié)構(gòu)材質(zhì)、底板的厚度與高度、頂板的厚度與高度、腹板厚度、梁體高度、梁體長(zhǎng)度及加腋尺寸等),再結(jié)合BoundingBoxXYZ(角點(diǎn)坐標(biāo))進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。在保持不同構(gòu)件自身節(jié)點(diǎn)編號(hào)規(guī)律性的前提下,還應(yīng)充分預(yù)留出足夠的編號(hào)空間。需要注意的是,Revit軟件中的長(zhǎng)度單位為英尺,在調(diào)用參數(shù)時(shí)需要先進(jìn)行單位換算。其他構(gòu)件的轉(zhuǎn)換方法與箱梁類似,鋼軌轉(zhuǎn)換時(shí)須結(jié)合Locationpoint(坐標(biāo)定位點(diǎn))與長(zhǎng)度參數(shù)予以實(shí)現(xiàn);CRTS Ⅲ型板轉(zhuǎn)換時(shí)須結(jié)合角點(diǎn)坐標(biāo),以及軌道板、自密實(shí)混凝土層和底座的長(zhǎng)寬高等參數(shù)予以實(shí)現(xiàn)。

1.3.3 模型材質(zhì)信息的轉(zhuǎn)換

仿真分析時(shí)需要輸入結(jié)構(gòu)的密度、泊松比、熱膨脹系數(shù)和彈性模量等參數(shù),而元素收集過(guò)濾器僅能獲取元素信息,若要獲取材質(zhì)信息,需要先將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成材料,再調(diào)用PropertySetElement類中StructuralAsset屬性,以實(shí)現(xiàn)Revit中模型材質(zhì)屬性的獲取及生成ANSYS自動(dòng)賦予材質(zhì)信息的APDL。

1.3.4 約束及邊界條件轉(zhuǎn)換

發(fā)揚(yáng)風(fēng)格也不是隨意發(fā)揮，上文所提到的兩位翻譯家，魯迅和周作人，他們都認(rèn)為兒童文學(xué)翻譯作品的目標(biāo)讀者是兒童，因此應(yīng)該著重考慮兒童的閱讀習(xí)慣和心理。原文中一些晦澀難懂的詞匯應(yīng)該改成簡(jiǎn)單生動(dòng)的詞匯，所以在翻譯這些作品時(shí)，譯者要做二次創(chuàng)作。(夏丐尊，1983)[9]

采用Revit軟件建模時(shí),須將扣件模型的中心對(duì)齊鎖定到參照平面的中心上,即通過(guò)坐標(biāo)定位點(diǎn)來(lái)確定扣件在參照平面上的位置。再根據(jù)扣件的間距進(jìn)行網(wǎng)格劃分,使用彈簧單元連接2排節(jié)點(diǎn),彈簧單元的長(zhǎng)度調(diào)用Revit模型中扣件的高度參數(shù)。

采用Revit軟件對(duì)模型進(jìn)行分析時(shí),軟件提供了“固定”、“鉸支”、“滑動(dòng)”、“用戶”4種邊界狀態(tài)選項(xiàng),BoundaryConditions類可對(duì)結(jié)構(gòu)的邊界條件進(jìn)行創(chuàng)建,并獲取相關(guān)信息。本文構(gòu)建的連續(xù)箱梁橋模型三跨的縱向長(zhǎng)度分別為40 m、60 m及40 m,軌道結(jié)構(gòu)采用CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道,其橋跨布置如圖3所示。

圖3 連續(xù)箱梁橋的橋跨布置示意圖

圖3中:0#橋臺(tái)和3#橋臺(tái)采用活動(dòng)支座約束(活動(dòng)支座約束即約束橫向1排節(jié)點(diǎn)的垂向和橫向自由度);1#橋墩布置活動(dòng)支座;2#橋墩布置固定支座(固定約束支座即約束橫向1排節(jié)點(diǎn)的垂向和橫向自由度,并在該排兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的下部均通過(guò)彈簧連接1個(gè)約束全部平動(dòng)自由度的節(jié)點(diǎn))。

2 模型轉(zhuǎn)換的應(yīng)用驗(yàn)證

將橋上無(wú)縫線路Revit模型轉(zhuǎn)換為ANSYS模型的代碼進(jìn)行編譯調(diào)試,將自動(dòng)生成的APDL導(dǎo)入ANSYS軟件中運(yùn)行,并對(duì)模型進(jìn)行后處理計(jì)算。橋上無(wú)縫線路Revit模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為ANSYS模型得到的模型效果如圖4所示。

圖4 橋上無(wú)縫線路Revit模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為ANSYS模型后的模型效果截圖

本文擬定了2種研究工況:

圖5 溫度荷載作用工況下的鋼軌伸縮力及鋼軌縱向位移計(jì)算結(jié)果

2) 列車荷載作用工況,即選擇出1對(duì)鋼軌,施加我國(guó)高速鐵路列車荷載換算得到的均布活載(又稱為“ZK荷載”),將鋼軌撓曲力和鋼軌縱向位移數(shù)據(jù)提取出來(lái),其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。圖6中:撓曲力正值代表拉(應(yīng))力,負(fù)值代表壓(應(yīng))力。

圖6 列車荷載作用工況下的鋼軌撓曲力和鋼軌縱向位移計(jì)算結(jié)果

文獻(xiàn)[11]中采取的連續(xù)箱梁橋模型三跨的縱向長(zhǎng)度為70 m、130 m及70 m,其得到研究得到的鋼軌縱向力計(jì)算結(jié)果如圖7所示。與文獻(xiàn)[11]相比,本研究采用的連續(xù)箱梁橋模型跨徑較小。因選取的模型參數(shù)及橋梁跨徑的不同,圖7的計(jì)算結(jié)果與圖5 a)、圖6 a)的縱向力幅值波動(dòng)范圍存在一定的差異,但二者的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)大致相符,由此驗(yàn)證了本文所建模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換的合理性和準(zhǔn)確性。

圖7 文獻(xiàn)[11]中2種工況下鋼軌縱向力和鋼軌縱向位移的計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

1) 本文創(chuàng)建的橋上無(wú)縫線路Revit模型轉(zhuǎn)換至ANSYS模型的二次開(kāi)發(fā)程序,實(shí)現(xiàn)了模型幾何形狀、空間位置和物理材質(zhì)的準(zhǔn)確、高效轉(zhuǎn)換,并能夠自動(dòng)完成前處理過(guò)程中模型切割、網(wǎng)格劃分及模型約束等操作。

2) 將自動(dòng)轉(zhuǎn)化得到的模型進(jìn)行后處理分析,分別對(duì)模型施加列車荷載和溫度荷載,得到了與之相對(duì)應(yīng)的鋼軌縱向力和鋼軌縱向位移。通過(guò)與文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了本文所提方法的合理性和準(zhǔn)確性。

本文完成了Revit模型與ANSYS模型之間數(shù)據(jù)信息的交互,在保證設(shè)計(jì)模型與計(jì)算模型一致的前提下,大大提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率,促進(jìn)了BIM技術(shù)在城市軌道交通工程數(shù)值計(jì)算中的交互應(yīng)用。