BIM技术在桥梁加固中的力学分析应用

黄赢海

（华南理工大学土木与交通学院 广州 510641）

0 前言

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是一个新兴的理念，它可以贯穿建筑生命全周期［1］，在前期方案阶段，设计阶段，施工阶段，运营阶段等都可发挥作用。

由于相关BIM 软件的支持力度和行业的特殊性，目前BIM 技术主要应用在房屋建筑领域，桥梁领域应用很少，大多数只是应用于前期方案及设计阶段。在桥梁加固领域，BIM 的应用更加稀少［2］。

BIM 最大的优势在于信息分享，它的应用需在多个软件的配合下进行［3］，模型的信息可以在各个项目流通并被识别，大大减少了信息浪费，且某信息的更改能使与之相关联的信息同步进行更改，提高了设计的效率。BIM 技术归根结底是一项与信息技术紧密联系的理念。在中华人民共和国住房和城乡建设部提出的《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中，国家明确提出要加快BIM 普及应用，实现勘察设计技术升级，因此，推广BIM 最好的方法莫过于打开各专业软件的接口，让信息在各专业之间流通，人们才能主动地采用BIM 技术，实现更好地推广。

关于BIM 的软件非常多，Revit 和Bentley 是使用最多的两个建模软件。由于Revit 的功能模块更加完善，便于后续的扩展，因此本次选用了Revit 作为建模软件。在力学分析领域，Revit 有自己的Robot 模块，但只能做简单的建筑结构类的分析计算，并不能做复杂的桥梁结构计算［4］。Ansys 是目前使用最多的大型通用有限元分析软件之一，由于其功能的强大，广受用户的认可，因此此次选择了Ansys Workbench（以下简称Ansys）作为力学分析软件。

1 转换方式

目前，将Revit 和Ansys 的模型共享的方法主要有以下几种：

⑴对Revit 的接口进行二次开发，将模型导出成Ansys 可识别的文件。

优点：能获取模型的几何参数，弹性模量、密度等数据，不需要再在Ansys 中设定，实现快速转换［5］。缺点：二次开发难度大，需学习编程知识。

⑵将Revit 模型导出为iges 格式导入Hypeymesh中划分网格，再导入Ansys 中进行分析。优点：可高质量、高速度地划分网格，提高前处理阶段的效率，适用于大型复杂模型的分析。缺点：需多次导入，且无法包含除几何参数，网格划分以外的其它数据，对于大型复杂结构，在Ansys 中设置其它前处理参数时较繁琐。

⑶Revit 提供了模型可导出ACIS 格式（其实是一个三维CAD 文件），该格式可被Ansys 识别。优点：可一次转换成功，无需复杂的编程知识和多次导入，提高了效率。缺点：导入模型仅包含几何参数，不包含其它信息，适用于较简单的结构，若结构较复杂，手动添加各参数的工作量巨大，且容易出错。

对于某些需要大修，部分拆除或者重建的桥梁，以上三种模型转换方法均不适用。原因是以上方法建立的模型都是利用了原有的二维图纸进行翻模处理生成［6］，对于加固后结构改变的桥梁，还需重新进行CAD 设计，这使得BIM 变成了一个附属的设计部分，核心变成了CAD，这不仅违背了BIM 的初衷，也加大了设计人员的负担。CAD 翻模只是BIM 发展过程中的一个转换点，最终方向是让人们直接在三维环境下进行设计，最后才生成二维图纸，这称为正向设计［7］。但目前设计院做BIM 主要还是翻模、碰撞检查等等，原因是正向设计的效率比二维设计大概低了50%，且前期投入比产出大的多，难以推动，因此这需要国家大力推动相关标准的出台，企业在发展中不断积累族库，对软件进行二次开发，促成一个信息交流平台等等，最后形成一个完善的体系，才能为BIM 在正向设计道路上扫清障碍。

本文将采用第三种方法，结合具体实例，将传统有限元分析方法和结合BIM 的有限元分析方法进行对比，探索Revit 和Ansys 的交互性并验证其可行性。

2 工程计算实例

石拱桥是一种古老的桥型，其结构简单、受力明确且外形美观［8］，在全国各地尤其是农村公路广泛分布。随着经济的快速发展，我国的交通量急剧增加，导致许多桥梁出现了不同程度的病害，由于数量繁多，急需加固的石拱桥也占据了很大的比重，因此，研究石拱桥的加固很有意义。拱桥的加固，从性价比上常常采用增大截面法［9］。由于石拱桥的结构简单，从效率上来说，适用于上节所说的第三种方法。

2.1 工程背景

某拱桥为等截面悬链空腹式石拱桥，净跨径为50m，矢跨比为1/4，拱轴系数m=2.814，主拱圈厚度为1 m，桥面宽度为8.5 m。主拱圈采用MU50 的块石，腹拱圈材料为MU30 的粗料石，都采用M10 砂浆。

2.2 材料属性

加固层材料采用C40 混凝土，混凝土抗压强度设计值fcd=15.64 MPa，弹性模量Ec=32 500 MPa，重力密度ρ=2 600 kg/m3。砌体重力密度ρ=2 500 kg/m3。原主拱圈为MU50 的块石，砂浆强度为M10，轴心抗压强度设计值fcd=3.85MPa，弹性模量En=7 300 MPa；腹拱圈材料为MU30 的粗料石，砂浆强度为M10，轴心抗压强度设计值fcd=2.98 MPa，弹性模量En=7 300 MPa。加固前的桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置图（支承状况未示）Fig.1 Bridge Layout（Support Condition not Shown）

2.3 加固方案

加固方案有两种，分别为：［方案1］拱腹新增框架拱法，增加拱肋和相应横梁。加固方案拱顶布置如图2a 所示。［方案2］拱腹新增套拱法。加固方案拱顶布置如图2b 所示。

图2 拱顶示意图Fig.2 Schematic Diagram of the Vault

3 传统有限元方法

先按传统方法，直接在Ansys 中建立拱桥模型，通过力学分析得出结果，以便于与采用BIM 结合的方法进行对比。由于传统方法并非本文重点，故这里仅对一些基本信息进行简单描述。

3.1 单元及网格划分

由于本石拱桥结构简单，受力明确，模型均采用三维实体单元SOLID65 建立。

根剧该桥的实际尺寸大小，将网格尺寸定为50 cm×50 cm。加固前全桥共划分29 240 个单元，节点共38 360 个。网格划分后的模型如图3所示。

图3 有限元模型图Fig.3 Finite Eement Model Diagram

3.2 边界条件

假设两侧桥台无位移，将两主拱脚单元完全固结，边腹拱圈拱脚单元释放纵桥向自由度和绕横桥向转动自由度，其余自由度全部约束。

3.3 荷载工况

恒载只考虑结构自重，依据材料自身密度和设置9 800 mm/s2的重力加速度进行计算。

活载主要考虑车辆移动荷载，该荷载按照《公路桥涵设计通用规范：JTG D60-2015》［10］的规定施加，每个轮重按作用在桥面车轮范围内的局部均布荷载取值。由于设计圬工拱桥时要尽量减少截面的正拉应力，中小跨径拱圈正应力一般由拱顶及拱脚截面最大弯矩及相应轴力控制，因此加载位置按等截面悬链线圬工拱桥主拱圈跨中和拱脚的弯矩影响线最不利位置布载。横桥向按二车道偏载布置，示意图如图2所示。为简明扼要的说明对比情况，本文只比较了在车辆荷载作用下的分析结果。

4 BIM建模结合方法

下面将分为加固前和加固过程重点介绍BIM 建模方法。

4.1 加固前

⑴将加固前的CAD 桥梁图纸进行删减处理，所有与模型线无关的信息都进行删除，如尺寸标注，填充图形等等，只留下模型边框线。

这里要注意的是，若直接将该图纸导入Revit 进行拉伸操作是不可行的。因为在模型线交接的地方，实际只有一条模型线，如拱上立柱和主拱圈的交界线实际上是主拱圈的上边线，主拱圈是自成闭合的，但拱上立柱是非闭合的，在Revit 中，构件需要形成一个闭合截面才能进行拉伸。因此需要让该立柱形成完全闭合。

对于一些平直的交界线，如桥面板和拱上立柱交接的地方为直线，可以很简单地通过画线进行闭合，但如立柱和主拱圈交接的地方为弧线，该位置的绘制方式较为繁琐，且容易出现贴合不紧密，若对于不规则形状较多的桥梁，直接绘制的工作量更是巨大。

这里提供了一种方法可快速绘制闭合框线。将各需闭合的框线进行填充，后运用插件生成闭合框，再将填充图形删除，即可得完整的闭合框。

⑵打开Revit，新建对应的族样板，导入CAD 文件。

⑶点击拉伸，选择拾取模型线。要注意，应一个闭合环进行一次完整的拾取并拉伸。

⑷为导入Ansys 后能方便进行添加荷载等前处理操作，宜将桥梁的中心线放在原点位置。

⑸将模型导出为ACIS 格式。

⑹打开Ansys，打开静力学分析模块（Static Structural），按照步骤配置材料，导入模型如图4后，再划分网格，添加边界条件及荷载，添加所需的结果，最后进行计算，得出结果。

图4 加固前（半跨）Fig.4 Before Reinforcement（Half Span）

4.2 加固过程

⑴在原Revit 模型中进行绘制相应的加固构件。

⑵将除加固构件以外的所有结构设置为不可见，导出acis 格式。

⑶在原Ansys 文件中导入加固构件，划分网格，设置其材料等参数。

⑷最后通过计算便可获得加固后的结果。

这种做法的好处是：它可以在一个Ansys 文件中重复添加不同的加固构件，通过suppress 命令生成和隐藏加固模型，可以实现随时查看加固前后的结果，不需重复建立模型，大大提升了计算效率。两种方法加固后的基本模型如图5所示。

图5 加固后基本模型（半跨）Fig.5 Basic Model after Reinforcement（Half Span）

对于加固的结构，并不同样采用CAD 模型的拉伸方法建立，原因有：①Revit 的拉伸操作对于曲线及不规则路径的构件并不方便，效率低下；②为使加固构件能重复的为以后的加固工程所利用，理应为加固构件创建参数化族库，实现可持续的加固设计。

5 受力分析比较

将通过以上方法算得的在汽车荷载作用下主拱圈跨中挠度、拱顶截面和拱脚截面顺桥向应力的结果相比较，以判定该方法的可行性。

5.1 跨中挠度的比较

加固前后跨中挠度比较结果如表1所示。

由表1可得，两种方法加固前的跨中挠度误差为5.72%；方案1 的跨中挠度误差为4.47%；方案2 的跨中挠度误差为4.05%。

5.2 跨中应力的比较

加固前后跨中应力比较结果如表2所示，方案1的应力取值点如图2所示、方案2 的应力取值点如图3所示。

表1 加固前后跨中挠度比较Tab.1 Comparison of the Mid-span Deflection before and after Reinforcement（mm）

由表2可得，加固前的3 号点（拱背）跨中应力误差最大，为7.85%；方案1 的1 号点（原拱圈底面）跨中应力误差最大，为17.39%；方案2 的3 号点跨中应力误差最大，为6.25%。

表2 加固前后跨中应力比较Tab.2 Comparison of the Mid-span Stress before and after Reinforcement （MPa）

5.3 拱脚应力的比较

加固前后拱脚应力比较结果如表3所示。应力取值点如图6、图7所示。

表3 加固前后拱脚应力值比较Tab.3 Comparison of the Arch Springing Stress before and after Reinforcement（MPa）

由表3可得，加固前的1 号点拱脚应力误差最大，为5.60%；方案1 的1 号点拱脚应力误差最大，为16.30%；方案2 的3 号点拱脚应力误差最大，为23.26%。

图6 加固前拱脚应力示意图Fig.6 Schematic Diagram of the Arch Springing before Reinforcement

图7 拱脚示意图Fig.7 Schematic Diagram of the Arch Springing

由以上数据可知，各项数据之间存在一定误差，但总体变化趋势及大小趋同，跨中挠度，跨中应力，拱脚应力的最大误差分别为5.72%，17.39%，23.26%，最大误差超过了20%，这主要是由于网格划分时的细微差异和数值本身小所导致。

6 结论

⑴上述计算结果说明了Revit 和Ansys 两种软件交互转换建立结构分析计算模型的可行性和有效性。

⑵该方法是通过Revit 输出ACIS 格式，导入Ansys，由于软件的不完善，在实际转换过程中有时会出现数据的丢失和转换不彻底，尤其是大型结构，有时需做必要的修补才能更好地划分网格，因此，此种方法只适用于简单的结构，若想保证数据能无遗漏地传入Ansys，基于Revit API 的二次开发还是很有必要的。

⑶BIM 的理念就是让信息在各专业间无障碍流通，对于此种方法，由于材料属性等参数还需在Ansys中进一步设置，在某种程度上违背了BIM 的初衷；而二次开发所需的编程知识在短时间难以掌握，故希望各软件开发商能通力合作，主动打开数据的接口，开发一个统筹的一体化平台软件，让各类软件的信息能够无缝连接、融合在一起，方便各专业之间的交流。