BIM与ABAQUS模型一体化分析应用研究*

许红胜，郭佩云，颜东煌，吴佳东，李浩，祁润田

(1.长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114；2.湖南省勘测设计院，湖南 长沙 410114；3.联安建筑设计研究院，北京 100088)

传统的结构分析模型建模过程繁琐，特别是复杂的组合模型，建模需耗费大量时间。将建筑信息模型(BIM)建模软件Revit在建模上的优势与有限元软件强大的分析功能相结合，可大大减少建模时间，做到一模多用，同时仿真分析结果更接近实际工程。但实际应用中存在BIM建模软件与有限元分析软件的转换障碍。为解决该问题，邓雪原等以IFC标准为基础，对建筑模型自动生成结构分析模型的建立方法进行了研究；曾翔等提出了建筑抗震弹塑性分析数据基于IFC标准的表达方法，实现了采用不同有限元软件对建筑模型进行抗震弹性分析；张建平等研究了IFC建筑模型转换，提出了基于Revit三维模型重建和模型转换的方法；刘照球等基于IFC标准框架，对结构动力分析、有限元分析信息进行了扩展定义；李犁实现了IFC模型与ETABS、SAP2000结构分析模型的数据信息转换；王轩等开发了IFC结构模型文件生成软件，实现了从IFC模型到3D3S结构分析模型的转换；吕凯垣等开发了桥梁IFC模型向MIDAS/Civil模型转换的程序原型。研究发现，基于IFC标准的BIM模型与结构分析模型数据转换缺乏成熟的转换机制，对于复杂构件模型交换，交换数据信息的全面性和准确性得不到保证。为此，袁明伟在CSiXRevit插件的基础上，经过二次开发实现了Revit与Etabs之间的无缝对接；宋杰、封大为等通过二次开发将数据处理成ANSYS命令流，实现了从Revit模型到ANSYS分析模型的数据转换；丁晓宇在宋杰等研究的基础上，实现了Revit中建立的网壳模型在ANSYS中自动建模与分析；陈志为等开发了Revit与ANSYS的数据转换接口，实现了Revit模型向有限元精细模型的自动转换；乔宝娟开发了Revit与PKPM的双向数据转换接口软件，可在Revit中以插件的形式调用；刘照球等以插件加载形式开发了YJK/PKPM-Revit数据转换接口，实现了PKPM/YJK与Revit的双向数据转换；董卯等对Revit模型信息提取程序进行二次开发，实现了Revit模型到MIDAS/Civil模型的转换；蓝天宇开发了Revit与ABAQUS的模型转换接口，实现了Revit到ABAQUS的数据转换。综上，目前对BIM模型与结构分析模型转换接口的研究主要针对房建结构，对桥梁结构模型转换的研究极少。该文基于BIM技术建立某桥梁工程临时构件轨道梁模型，实现BIM建模软件Revit到通用有限元分析软件ABAQUS的模型数据信息交换，并在ANSYS中建立运梁轨道模型进行受力分析，将分析结果与转换模型分析结果进行对比，对轨道梁结构稳定性、安全性、设计优化提供可行性建议。

1 工程概况

某桥主桥为七跨连续钢桁梁斜拉桥，桥跨布置为(80+2×88+720+2×88+80)m，边跨设置2个辅助墩和1个过渡墩，总长1 232 m。主桁架采用普拉特式结构，桁高 8 m，主跨节间长 12 m，边跨节间长 12、8 m，2片主桁架弦杆中心间距 27 m。主索塔采用 H 形门架，上、下横梁及门架柱均采用砼薄壁箱截面。

该桥位于山区峡谷地区，受施工条件限制，中跨采用纵移悬拼技术对钢桁梁节段进行吊装。中跨主梁节段在4#桥塔靠中跨侧拼装完成后，通过桥面吊机吊起至梁底，依靠安装在梁底的纵向移动运梁设备将主梁节段纵向运输到拼装位置。纵向运梁系统由轨道、吊杆、吊索、锚固装置、纵移机构、提升机构、操作平台等组成。

2 建立模型

桥面吊机的运梁轨道通过上下扁担梁固定在桁架下弦杆上，运梁轨道焊接在下扁担梁上，上下扁担梁之间通过吊杆连接，最大纵向间距为1 700 mm，标准纵向间距为1 200 mm。吊杆与移动设备纵移小车沿轨道梁纵向移动，一侧轨道梁上作用8组小车轮。轨道梁为HW工字型钢，上下扁担梁由2根槽钢组合而成，吊杆采用精轧螺纹钢。

利用建模软件Revit建立运梁轨道三维模型(见图1)，图2为运梁轨道断面。

图1 运梁轨道BIM三维模型

图2 运梁轨道断面示意图(单位：mm)

3 模型导入

将在Revit中建立的模型导出并保存为SAT数据格式文件，在ABAQUS中进行文件导入，选择部件导入SAT格式的运梁轨道实体模型。如图3所示，导入ABAQUS中的实体模型几何尺寸、模型位置及构件连接关系均正确。

图3 Revit模型及导入ABAQUS后模型对比

4 仿真分析

4.1 参数确定

在有限元软件中，模型大小对仿真计算时间的影响极大。为简化模型，未对钢桁梁和纵移小车导入ABAQUS中，运梁轨道与钢桁梁接触的地方模拟为铰支约束，纵移小车转化为线荷载，将运梁轨道分为上扁担梁、下扁担梁和轨道梁三部分进行受力分析。

轨道梁截面形式为HW350×250×9×14工字形截面，上下扁担梁分别采用2根[25槽钢组合而成，均采用Q345钢材，吊杆采用32精轧螺纹钢，强度等级为HRB335。钢材的弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度为7.85×10-3g/mm3。根据材料参数，在ABAQUS属性模块中对模型部件进行材料定义，截面类型设置为实体均质，指派截面，然后创建分析步。

4.2 荷载和边界条件

上扁担梁与下横梁接触部位设为铰接，将精轧螺纹钢与上扁担梁的相互作用转为集中力，取55 kN。将精轧螺纹钢与下扁担梁接触的部位模拟为铰接约束，轨道梁与下扁担梁的相互作用转为集中力，大小为110 kN(见图4、图5)。下扁担梁与轨道梁焊缝处的节点采用固结，轨道梁两端的节点采用对称约束(见图6)。上、下扁担结构受力见图7、图8。选取轨道长度2.4 m进行仿真计算，扁担梁间距取最不利间距1.8 m，小车轮组负重量取50 t。偏安全考虑，动力系数取1.15，模型中考虑轮载不均匀分布，分5种工况对其进行受力分析(见表1)。这样既可保证结构分析模型与初始模型接近，又可简化网格划分、减少构件数量，进而大大提高计算速度、减少ABAQUS中的报错概率。

图4 上扁担梁荷载图

图5 下扁担梁荷载图

图6 轨道梁荷载约束图

图7 上扁担梁受力简图(单位：受力为kN，其他为mm)

图8 下扁担梁受力简图(单位：受力为kN，其他为mm)

表1 轮载工况

4.3 网格划分

在ABAQUS的网格模块，指派上扁担梁、下扁担梁、轨道梁三维实体模型的单元类型(C3D20)，然后进行全局布种，指派网格属性，划分网格，得到六面体实体单元模型(见图9～11)。

图9 上扁担梁网格划分

图10 下扁担梁网格划分

图11 轨道梁网格划分

4.4 受力分析

在ABAQUS中进行仿真分析，上、下扁担梁分析结果见图12～15。由图12～15可知：上、下扁担梁最大应力为84.3 MPa，出现在上扁担梁与吊杆相接处，上翼缘与腹板结合处的最大等效应力为57.78 MPa，应变较小，在安全范围内。

图12 上扁担梁变形云图(单位：cm)

图13 下扁担梁变形云图(单位：cm)

图14 上扁担梁应力云图(单位：MPa)

图15 下扁担梁应力云图(单位：MPa)

轨道梁各工况下分析结果见表2。各工况荷载作用下，工字梁最大等效应力为230.5 MPa，出现在下翼缘作用荷载底面中心处，扁担梁焊接处最大等效应力为194.934 MPa，工字梁腹板与下翼缘结合处的最大等效应力为216.471 MPa。工字梁最大节点位移0.8 mm，出现在工况3(见图16)。根据第四强度理论，各工况荷载作用下轨道梁的应力在安全范围内，最大应力出现在下翼缘作用轮载处底面中心位置，扁担梁与工字梁焊接处最大等效应力与工字梁最大应力较接近；下扁担梁与工字梁连接处为薄弱部位，对焊缝质量要求高，需进行局部加强设计。

图16 工况3下轨道梁应力应变云图

表2 轨道梁最大等效应力

4.5 结果对比

为评估转换模型计算结果的准确性，将转换模型计算结果与ANSYS模型计算结果进行对比。结果(见表3)显示：2种模型的最大等效应力及最大节点位移出现的位置一致，计算结果偏差为7.1%，偏差较小。

表3 分析结果对比

5 结语

在桥梁工程结构设计阶段，结构模型的受力分析是关键，其计算分析结果是绘制施工图的主要依据。实现该环节的BIM技术应用，对工程项目全过程数据信息共享、管理和传递具有重要作用。基于某桥梁工程运梁轨道Revit模型进行有限元分析，结果表明转换模型几何尺寸、空间位置及构件之间的连接关系准确，转换模型计算结果与ANSYS模型计算结果具有一致性。通过Revit导出SAT格式文件，实现Revit到ABAQUS的模型转换可行，可大大提升有限元软件的建模效率。将BIM建模软件和ABAQUS软件相结合，在建模和优化设计方面具有很大优势。