李枝軍,安景峰,盧鎮(zhèn)林,郭趙元,劉 朵,徐秀麗

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211800;2.江蘇省交通工程建設(shè)局,江蘇 南京 210004;3.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210017)

建筑信息模型(BIM)技術(shù)是以建設(shè)項(xiàng)目的各類數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ),建立全生命周期的三維模型,模型是信息的載體, 信息是模型的核心[1-2]。近年來,關(guān)于“BIM+”的研究備受矚目,BIM與有限元模型(FEM)的融合研究逐步發(fā)展。有限元計(jì)算的力學(xué)數(shù)據(jù)始于設(shè)計(jì)階段,在施工及養(yǎng)護(hù)的全生命周期中不斷變化,與BIM模型具有極高的相似度和契合度;然而,BIM模型中的信息以常規(guī)信息為主,較少涉及力學(xué)分析的信息[3]。Mischo 等[4]采用3D激光掃描獲取橋梁的幾何形狀,將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為虛擬BIM模型,并將其傳遞到結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中。何祥平等[5]依托Revit和Midas/Civil軟件平臺(tái),在Visual Studio開發(fā)環(huán)境下采用Revit API和C#語言,提出了一種BIM模型向結(jié)構(gòu)有限元模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換的方法,并設(shè)計(jì)了一種Revit向Midas/Civil模型轉(zhuǎn)換的程序。劉照球等[6-9]通過二次開發(fā)編程的方式關(guān)聯(lián)模型信息與結(jié)構(gòu)力學(xué)信息,開發(fā)了建筑模型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的信息集成軟件系統(tǒng)(PKPM),提出了建筑結(jié)構(gòu)信息模型體系(ASIM),打通了SATWE和ABAQUS軟件之間的模型轉(zhuǎn)換思路,初步實(shí)現(xiàn)了BIM模型在力學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用。王立國等[10]基于BIM模型,采用ABAQUS和Midas有限元軟件分析了鋼桁架梁焊接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布,通過構(gòu)件尺寸的優(yōu)化獲取了合理的節(jié)點(diǎn)形式。王偉等[11]通過BIM與VR技術(shù)相結(jié)合,形成了一套高速公路參數(shù)化建模和施工管理流程。

以上研究均結(jié)合BIM模型進(jìn)行有限元計(jì)算,但有限元軟件的計(jì)算結(jié)果并沒有能夠傳遞至BIM模型中,兩者的融合交互使用依然值得深入研究。本文以無錫至南通過江通道北引橋鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁為對象,利用鋼板梁橋的特性,研究BIM與FEM兩類模型之間的融合應(yīng)用方式,為實(shí)際工程提供可靠的融合應(yīng)用思路。

1 項(xiàng)目概況

無錫至南通過江通道高速公路北接線工程(以下簡稱“錫通高速”)XT—NT1施工標(biāo)段路線起自滬通長江大橋公鐵合建段北側(cè),向北跨長江大堤后向西偏出與鐵路分離,起點(diǎn)樁號K17+676.360,止于滬通長江大橋北引橋終點(diǎn),終點(diǎn)樁號K20+595.160,路線全長2.918 8 km。

錫通高速北引橋當(dāng)中的第6和7聯(lián)的鋼混組合梁橋,上部結(jié)構(gòu)采用工字形鋼板組合梁(以下簡稱鋼板梁),設(shè)置鋼板梁縱梁并以小橫梁連接,橋面板采用C50無收縮纖維混凝土的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),板厚25 cm,現(xiàn)澆施工;下部結(jié)構(gòu)為薄壁空心墩接蓋梁,墩高25～32 m,其跨徑布置為左幅第6聯(lián)(4×43.5) m、右幅第6聯(lián)(3×43.5) m、左幅第7聯(lián)(2×43.5+50.0) m、右幅第7聯(lián)(3×43.5) m。橋跨布置如圖1所示。

圖1 橋跨布置(mm)

2 力學(xué)信息參數(shù)化BIM建模

錫通高速北引橋BIM模型的建立采用“骨架+模板”的方法[12-13],其整體的建模思路:首先,以樁位坐標(biāo)為基礎(chǔ),進(jìn)行“骨架”設(shè)計(jì);其次,對重要力學(xué)分析構(gòu)件鋼板梁進(jìn)行力學(xué)信息的參數(shù)化設(shè)計(jì);再次,建立幾何構(gòu)件模板,包括橋面板、鋼板梁、蓋梁、墩柱、承臺(tái)和樁基;最后,基于“骨架”進(jìn)行整體模板拼裝。

2.1 骨架線生成

橋梁的骨架線是CATIA軟件橋梁建模的基礎(chǔ)性工作。建立骨架線的目的在于準(zhǔn)確定位橋梁關(guān)鍵點(diǎn)、線、面的空間位置,這些點(diǎn)、線、面是骨架的連接樞紐,既控制了模型主要構(gòu)件的相對位置關(guān)系,又為其他附屬構(gòu)件提供準(zhǔn)確的參考位置[14]。本橋的空間位置主要參考樁位坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)置,采用CATIA軟件特有的知識(shí)工程模塊,確定空間位置關(guān)系,自動(dòng)生成骨架線模型。知識(shí)工程模塊是CATIA軟件為設(shè)計(jì)人員提供的便捷化建模模塊。當(dāng)建模信息量大、操作復(fù)雜時(shí),可采用知識(shí)工程模塊,對完整、規(guī)范的操作進(jìn)行編碼設(shè)計(jì),導(dǎo)入關(guān)鍵信息的數(shù)據(jù),從而自動(dòng)進(jìn)行操作。

2.2 力學(xué)信息構(gòu)件參數(shù)化

BIM參數(shù)化建模至關(guān)重要, 它將模型中的構(gòu)件與數(shù)據(jù)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián),是實(shí)現(xiàn)建筑物整體協(xié)調(diào)、可靠、高質(zhì)量、內(nèi)部一致的依據(jù),是BIM模型最顯著的特點(diǎn)[15-16]。傳統(tǒng)BIM構(gòu)件的建模主要采用幾何信息參數(shù)化處理,不考慮力學(xué)分析過程中線形、轉(zhuǎn)角、應(yīng)力等因素產(chǎn)生的影響,構(gòu)件模型無法與力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合應(yīng)用。因此,為了能夠建立適用于力學(xué)分析的構(gòu)件,在創(chuàng)建幾何參數(shù)化構(gòu)件的同時(shí)進(jìn)行力學(xué)信息參數(shù)化設(shè)計(jì),可以建立起幾何模型與力學(xué)信息的關(guān)聯(lián),讓BIM模型可依據(jù)力學(xué)分析過程進(jìn)行更新。

本工程關(guān)注鋼板梁在簡支轉(zhuǎn)連續(xù)過程中合龍位置的配切量,針對鋼板梁的線形變化控制要求,在傳統(tǒng)CATIA建模的基礎(chǔ)上,進(jìn)行整體線形以及合龍位置的轉(zhuǎn)角力學(xué)信息參數(shù)化處理。結(jié)合本工程的應(yīng)用特點(diǎn),需要考慮鋼板梁在發(fā)生線形變化后的整體變形情況以及端部轉(zhuǎn)角變化。為此在模型中添加轉(zhuǎn)角參數(shù),并依據(jù)線形變化情況修改轉(zhuǎn)角參數(shù),實(shí)現(xiàn)整體模型轉(zhuǎn)角可視化。線形控制參數(shù)的設(shè)置取決于設(shè)計(jì)人員對鋼板梁的預(yù)拱度設(shè)置。以第7聯(lián)左幅第3跨縱梁為例,第7聯(lián)左幅第3跨為約50 m跨鋼板梁,每片縱梁的線形控制點(diǎn)共計(jì)21個(gè)(圖2)。轉(zhuǎn)角和撓度參數(shù)信息量大,采用CATIA軟件的Table模塊進(jìn)行匯總和保存。Table模塊是CATIA軟件為參數(shù)復(fù)雜、種類繁多的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供的數(shù)據(jù)表格,采用EXCEL數(shù)據(jù)形式,方便各類數(shù)據(jù)的直接保存和修改。

圖2 第7聯(lián)左幅第3跨預(yù)拱度設(shè)置(mm)

2.3 整體裝配

基于上文所建立的骨架線進(jìn)行整橋的裝配。本文主要采用軸系耦合的方式,利用CATIA模塊中特有的Assembly板塊進(jìn)行裝配作業(yè)。本橋的骨架線由數(shù)量眾多的點(diǎn)、線組成,其中關(guān)鍵點(diǎn)均設(shè)有坐標(biāo)系。構(gòu)件可在Assembly板塊中發(fā)布自身的軸系,并與骨架線中的對應(yīng)軸系實(shí)現(xiàn)耦合,實(shí)現(xiàn)骨架線與構(gòu)件的拼裝作業(yè)。

利用橋梁基本組成的相對位置進(jìn)行“骨架+模板”的拼接,符合橋梁建模的基本思路;同時(shí),此種建模方式有利于構(gòu)件保持自身的獨(dú)立性,修改模型參數(shù)時(shí)不會(huì)對其他構(gòu)件產(chǎn)生影響;最后,此種建模方式有利于建模人員各自承擔(dān)一部分建模任務(wù)而互不影響,使得橋梁各部分的建模任務(wù)可同時(shí)進(jìn)行,極大地提高了建模效率。

3 BIM模型的傳遞與力學(xué)分析

3.1 BIM模型傳遞

BIM模型與力學(xué)分析結(jié)合的關(guān)鍵在于BIM模型的有效傳遞和利用。BIM模型的傳遞可以節(jié)省有限元力學(xué)計(jì)算中二次建模的時(shí)間。目前主要有兩種傳遞方式可供選擇,其中一種是通過二次開發(fā),研究BIM模型與有限元軟件之間的數(shù)據(jù)接口,但是這種方法對專業(yè)要求較高,且實(shí)現(xiàn)難度較大,不易推廣;本文選用第二種,即將BIM模型轉(zhuǎn)換為通用的文件格式進(jìn)行間接傳遞,如ifc、step、acis等格式,此種方法相對簡單。CATIA和ABAQUS軟件同屬于法國Dassault公司,具有良好的兼容性,且CATIA軟件可以導(dǎo)出ifc、dxf、stp等格式文件[17-19]。本文在考慮力學(xué)計(jì)算的過程中,對上述文件格式進(jìn)行合理的選擇,將BIM模型高效準(zhǔn)確地傳遞至ABAQUS軟件中進(jìn)行分析。

ABAQUS軟件能夠適應(yīng)多種文件類型的導(dǎo)入,導(dǎo)入方式有草圖、部件、裝配和模型4種,應(yīng)用范圍極廣。BIM模型屬于已建成的三維部件,與ABAQUS中的部件導(dǎo)入方式具有良好的兼容性。部件導(dǎo)入的文件類型包括stp格式,與CATIA軟件可導(dǎo)出的文件格式相同。將錫通高速北引橋模型以stp格式進(jìn)行導(dǎo)出,使得BIM模型能夠以部件形式傳遞至ABAQUS軟件中。本文只傳遞844個(gè)部件,并在ABAQUS裝配模塊中實(shí)現(xiàn)BIM整體模型的重裝,完成BIM模型的整體傳遞,重新裝配后的力學(xué)分析模型如圖3所示。

圖3 力學(xué)分析模型

3.2 施工工況

第7聯(lián)左幅為鋼板梁,共3跨,總長度為137 m,第1與2跨為8根三片體的43.5 m鋼板梁;第3跨為8根四片體的50.0 m鋼板梁,梁高2.25 m。在吊裝施工過程中,對第7聯(lián)左幅簡支轉(zhuǎn)連續(xù)的過程進(jìn)行分析,施工工序如圖4所示。

圖4 施工工序

3.3 力學(xué)分析

將已傳遞的BIM模型在ABAQUS軟件中進(jìn)行力學(xué)分析,并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,從而驗(yàn)證BIM模型與力學(xué)分析結(jié)合應(yīng)用的可行性。在ABAQUS軟件中調(diào)用第7聯(lián)左幅的裝配體,鋼板梁采用Q345D鋼材,工況為靜力載荷分析,單元類型為C3D8R(三維實(shí)體8節(jié)點(diǎn)單元)。圖5為鋼板梁模型,該模型采用均勻一致的網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn),單元形狀均選用六面體單元,使用結(jié)構(gòu)化(Structured)網(wǎng)格劃分方法[20-21]。在Step模塊中設(shè)置分析步時(shí),選擇的分析類型為靜力。

圖5 鋼板梁模型

根據(jù)施工工序安排,對第7聯(lián)左幅的鋼板梁在簡支轉(zhuǎn)連續(xù)過程中的線形變化情況進(jìn)行分析,主要施工階段的線形變化云圖如圖6所示,最大線形變化情況如圖7所示。

圖6 主要施工階段線形變化云圖(m)

圖7 各施工階段最大線形變化

由圖6和7可知:最大線形撓度為31 mm,發(fā)生在第3施工階段。在第7聯(lián)左幅第3跨的施工過程中,鋼梁最大線形撓度為30 mm;在與第2跨的合龍過程中,合龍段的最大線形撓度迅速減小,未合龍部位的線形撓度因合龍段的質(zhì)量增大而有所增大,最大值為31 mm;隨著第4階段的施工,第2和3跨鋼梁完全合龍,最大線形撓度也迅速減小到18 mm;之后在與第1跨合龍后,隨著第5和6階段主梁上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量的不斷增大,最大撓度也有所增大,最終在第7聯(lián)左幅完成施工后,最大線形撓度達(dá)到20 mm。整體施工力學(xué)分析情況與實(shí)際施工情況相符。

對線形變化云圖中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總,并與工程實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。對第7聯(lián)左幅第3跨的5片縱梁的關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)位置(C4、C9、C14、C19、C24、C29、C34、C39、C44測點(diǎn))進(jìn)行理論計(jì)算值和現(xiàn)場實(shí)測值的數(shù)據(jù)匯總,結(jié)果如圖8所示。

圖8 線形對比柱狀圖

由圖8可知:計(jì)算撓度始終高于實(shí)際測量值,這是由于在實(shí)際施工過程中,存在施工誤差和支撐模板配重等因素的影響,這些因素使得實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何狀態(tài)和受力狀態(tài)與理論設(shè)計(jì)狀態(tài)有一定的差距,使得實(shí)際施工下的撓度更大。

在實(shí)際施工過程中,各縱梁的撓度各不相同,誤差如圖9所示。由圖9可知:最大誤差發(fā)生在第2片縱梁處,為14 mm,實(shí)測線形與施工前計(jì)算的理論值較為符合。

圖9 測點(diǎn)誤差柱狀圖

以上分析采用有限元計(jì)算理論值與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明:BIM整體模型的傳遞和力學(xué)分析過程能夠滿足實(shí)際工程的應(yīng)用需求,BIM模型在力學(xué)分析的過程中具有實(shí)際應(yīng)用性。

4 可視化展示

結(jié)合上述施工階段的力學(xué)數(shù)據(jù)信息,將設(shè)計(jì)階段的BIM模型更新為施工階段的模型,并對兩個(gè)階段的BIM模型進(jìn)行對比分析以及線形變化和配切量可視化展示,對比結(jié)果如圖10所示。圖10(a)中紅色區(qū)域表示設(shè)計(jì)階段幾何模型,綠色區(qū)域表示根據(jù)施工階段力學(xué)信息更新后線形的變化情況。

由圖10(a)可知:施工階段鋼板梁產(chǎn)生變形,出現(xiàn)線形下?lián)系那闆r。由圖10(b)可知:在鋼板梁整體線形變化的同時(shí),端部轉(zhuǎn)角位置同樣會(huì)發(fā)生改變，原端部位置為紅色區(qū)域,端部轉(zhuǎn)角位置變化為綠色區(qū)域。

圖10對鋼板梁上翼緣和下翼緣變化區(qū)域的實(shí)際位置進(jìn)行了標(biāo)注,能夠直觀展示對比結(jié)果,下翼緣為變化較小區(qū)域,標(biāo)記測量值為16.395 mm;上翼緣變化相對較大,標(biāo)記測量值為40.943 mm,在實(shí)際工程中可重點(diǎn)關(guān)注上翼緣的變化情況。

圖10 設(shè)計(jì)與施工模型對比

第7聯(lián)左幅第2跨鋼板梁在合龍時(shí),其端部存在碰撞問題，如圖11所示。實(shí)際工程中需要對端部鋼板梁進(jìn)行配切處理,在BIM模型中能夠測量配切量并進(jìn)行標(biāo)注,圖11中標(biāo)記的端部碰撞長度為56.8 mm。配切量的測量和標(biāo)注使得工程建設(shè)人員能夠?qū)?shí)際施工方案中端部轉(zhuǎn)角位置的配切方案進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)提供可視化的施工預(yù)警。

圖11 碰撞可視化

5 結(jié)論

本文以錫通高速北引橋鋼混組合板梁橋?yàn)檠芯繉ο?從整橋BIM幾何模型的建立、幾何信息與力學(xué)信息傳遞和幾何模型更新的可視化應(yīng)用上進(jìn)行研究,提出了信息融合的方法。

1)基于CATIA軟件建立了橋梁BIM模型,對鋼板梁構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)信息參數(shù)化設(shè)計(jì),采用“骨架+模板”的思路實(shí)現(xiàn)BIM整橋模型的裝配。

2)在CATIA和ABAQUS軟件之間實(shí)現(xiàn)了模型的傳遞,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析,驗(yàn)證了BIM模型在力學(xué)分析應(yīng)用中的可行性。

3)將力學(xué)分析數(shù)據(jù)傳遞回BIM模型中,實(shí)現(xiàn)了BIM模型的更新,直觀地展示了設(shè)計(jì)階段和施工階段的線形變化以及鋼板梁端部的碰撞,并在模型上進(jìn)行可視化標(biāo)記,有效地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。