作者单位：湖南城市大学设计研究院有限公司；沈阳建筑大学交通运输工程学院
住房和城乡建设部科技项目（2016-K2-02）
全文发表于《建筑技术》2021年第5期
概括
抽象的
结合半承式连续钢桁梁桥，基于Autodesk Revit建立初始模型，调用Revit软件API进行软件二次开发，制作接口将模型几何参数、材料参数输出为ANSYS APDL命令流文件。利用ANSYS分析关键节点受力特性，对连接部位进行优化，并反馈至初始模型。结合信息模型与有限元软件对桥梁关键节点进行细化分析，探讨BIM系统下桥梁局部节点受力优化的意义。
第 0 部分
BIM在桥梁工程中多体现在定义上，实际工程的探索案例相对稀少。桥梁这种大跨度承载体系的结构受力分析尤为重要，而节点分析在受力分析中更为关键。基于BIM无纸化设计、数字化表达的核心意义，本文利用软件的二次开发，实现BIM模型与有限元分析模型之间的信息传递，通过有限元软件的受力分析结果对结构进行优化微调并反馈到BIM模型中吊装用平衡梁计算软件，在此过程中以三维可视化仿真实现设计。让BIM技术渗透并指导桥梁结构设计阶段。
本文采用Autodesk Revit作为项目的BIM建模软件。Revit是一款高度集成建筑模型信息化功能的BIM软件，对于处理常规结构建筑，拥有简单易用、操作简便的族库参数化建模功能。对于复杂的异形结构，可以利用内嵌的Dynamo软件，通过可视化编程进行参数化建模。在二次开发中，Revit软件开放了软件的API函数代码，可以精准定位、获取、控制所需的参数，因此其开发自由度较高。以上原因使得Revit在众多BIM软件中脱颖而出。
第 01 部分
项目概述和 BIM 模型创建
1.1 项目概况
研究对象为一座南北向半承式连续钢桁梁桥。该桥边跨62m，主跨100m，全长224m，桥面宽30m。桥面设置双向横坡1.5%。连接构件为M24高强钢螺栓。本桥荷载设计要求为市A级，人群荷载设计为桥梁荷载3.5kN/m2。该桥的桥门、横撑、下部水平纵连均为杆件结构。该桥主桁部分采用无竖撑的三角腹板体系方案，主桁节点采用刚度较大的整体节点。由于桁间间距较大，桥梁下部水平连接部分采用双X结构与下弦节点连接，采用此结构形式是为了提高抗侧风能力。 同时，这种连接方式还能抵抗弦杆变形产生的内力。
1.2 模型创建方法
在模型创建过程中，对桥梁上部结构的桥面、桥面板、主桁、连接体系、支撑等5个部分进行了BIM建模，对不同截面的杆件、梁单元进行了族库的参数化建模，这种方式方便了不同杆件对应时获取不同的构件单元ID（见图1）。
a 使用族库参数化杆的横截面和材料
b 拼接后整桥BIM模型
图1 使用Revit进行BIM参数化建模
第 02 部分
创建 Revit 至 ANSYS 接口
2.1 模型转换研究现状
目前，在Revit中实现BIM模型与有限元软件接口连接的方式主要有三种：第一种是基于IFC标准利用软件对接各类有限元软件，如赖华辉等从导出的IFC格式中提取模型信息，转化为基于XML格式的通用有限元表达，生成有限元软件的结构模型；第二种是利用软件的ACIS三维实体表达格式导入有限元软件进行受力分析。两种方式都是软件的外部模型处理方式，在模型导出导入过程中容易丢失模型构件或者定义错误，在有限元划分、材料定义等方面处理也比较麻烦；第三种是宋杰等实现了ANSYS与Revit软件之间模型参数的转换，通过调动软件中丰富的API函数，得到模型的几何参数和物理参数，然后直接赋值给ANSYS的APDL命令流。 该方法利用BIM模型减少了使用ANSYS APDL重新建模的庞大工程量，与前两种方法相比，模型转换的效率和准确性有明显提高，而且基于ANSYS APDL命令流强大的可操作性，模型的加载和后处理结果的输出都非常便捷。
2.2 二次开发基本思路
目前，许多有限元分析软件都为BIM软件中的模型转换提供了接口，但这些软件在结构模型信息转换过程中，往往基于宏观工程的实现方式和目的，对结构细节进行简化，转换后的模型并不符合BIM对模型准确转换的基本要求，同时由于进行了大量的简化，导致有限元分析模拟结果与实际情况存在较大的误差。转换的接口程序大多基于模型导出的IFC格式，其中包含了大量与转换过程中所需参数无关的数据，导致模型转换效率低下。而作为主流的有限元分析软件，ANSYS和Revit各自拥有不同的文件存储方式和数据格式，无法直接进行数据交换共享。
为此，本文开发了一种能够从BIM模型中快速获取有限元建模所需的各种物理参数，并能保证BIM模型各个细节的准确转换和对其进行有限元分析的方法，大大方便了后续的分析工作。
主要思想是利用Revit的C# API函数进行二次开发，建立Revit与ANSYS模型之间的转换接口，基于ANSYS强大的有限元分析功能对模型关键节点的结构形式进行优化，并反馈到BIM模型中，从而确定BIM引导结构正向优化设计的可行性。
自 Revit 2017 起，Revit API 已得到增强，可与 .NET 4.6 一起运行。因此，本文使用带有 .NET 4.6 框架目标的 Visual Studio 2015 来调试插件。
按照Autodesk提供的可行性方案，使用了RevitAPI.dll、RevitAPIUI.dll两个界面组件，调动Revit中的API函数编写界面程序的主要编程思路如下。
1）获取与桥梁结构相关的材料参数，包括密度、泊松比和弹性模量，并以APDL材料定义命令流格式输出。
2）接入桥梁BIM模型，获取模型中的几何参数，即利用模型在空间中对角点的坐标获取各施工集的截面关键点参数，并赋值输出APDL截面定义命令流格式。
3)在APDL命令流赋值过程中，获取各个施工交点的坐标并根据几何模型编号创建梁单元。
将程序文件放入指定的接口库文件中，打开Revit，程序会自动识别新的类库文件。在选项卡中生成一个Revit转Mechanical APDL的启动按钮，生成带有几何参数和材料属性的Mechanical APDL命令流文件（见图2）。
图2 识别插件后的Revit主窗口
第 03 部分
有限元分析与节点优化
3.1 整体模型有限元分析
将模型导出的命令流输入到Mechanical APDL中得到整体模型，并对有限元模型的节点进行局部约束和释放。然后添加边界条件和荷载，得到半承式连续钢桁梁桥整体应力图。从应力图发现，在桥跨1/4上弦处和跨中板桁节点处，桥梁应力变化较大。本文主要讨论1/4上弦节点处的应力情况，并对此节点进行优化（见图3）。
图3 整桥有限元分析
利用ANSYS的后处理功能对各杆件进行应力检查，确定节点处各杆件的杆端应力，各杆件位置编号如图4所示。
图4 各杆平面位置示意图
3.2 模型局部节点优化
对模型局部节点进行有限元分析时，常规做法是直接从整体模型中提取一小部分复杂受力区域，但模型外部的边界条件一般与实际情况不同，容易导致计算结果不准确。针对此实际案例，在有限元建模过程中采用了MPC（多点约束）方法。与常规建模方法相比，该方法方便了不同单元的连接，可以解决传统接触算法中其他多点约束工具的不足。本文采用该连接方法对板壳单元进行建模，然后在单元端部施加杆端力，使有限元模型更加符合实际。所研究节点处的有限元分析如图5所示。
节点处的有限元建模
b. 应力分布
图5 研究节点有限元分析过程
图5中圈出的位置是由于进入节点范围时，两侧弦杆轴向荷载相交于一条直线，上弦杆轴向荷载自平衡导致竖杆受到的弯曲和压缩作用减小，因此此处出现应力集中。
传统的结构设计主要依据技术要求和设计师经验来保证方案的可靠性吊装用平衡梁计算软件，而很少考虑设计中的结构布置、合理尺寸、材料选择、结构外观等。随着科技和设计思想的发展，现阶段的结构设计单纯地达到设计要求已经远远不够，更重要的是对设计结构进行优化改进。因此，这里的集中应力节点就是优化的。在优化问题中，常常用下面的表达式来确定解决问题的核心思想。
结合软件优化处理并结合实际可行性，改变了节点竖杆与上弦杆的连接形式，优化后的有限元模型如图6所示。
优化的有限元模型
b. 应力分布
图6 节点优化后有限元分析过程
从上述有限元模型的应力分布情况看，应力分布较为合理，该连接方式更有利于荷载在节点处的传递，同时也避免了在弦杆和竖杆位置出现应力集中或应力奇异性的情况。
第 04 部分
