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基于BIM的長山大橋設計應用及信息管理
發布時間：2023-07-08 09:49
目錄
摘 要 I
Abstract II
1緒論 1
1.1研究背景 1
1.2國內外研究現狀 2
1.2.1BIM 技術國內外研究現狀 2
1.2.2橋梁工程BIM技術應用及研究現狀 3
1.2.3Revit軟件二次開發現狀 5
1.3本文的研究內容與研究意義 5
1.3.1研究內容 5
1.3.2研究意義 6
1.4研究技術路線 7
2BIM基本理論及二次開發概述 9
2.1BIM基本概念與特點 9
2.1.1BIM 基本概念 9
2.1.2BIM 的特點 10
2.2橋梁BIM應用軟件比選 11
2.2.1BIM 軟件 11
2.2.2橋梁核心建模軟件的比選 13
2.3Revit軟件的二次開發 14
2.3.1RevitAPI 14
2.3.2Revit 二次開發環境配置 14
2.3.3二次開發工具 15
2.4橋梁構件參數化的實現 15
2.4.1Revit族與族參數 16
2.4.2族參數化的實現 16
2.5本章小結 17
3基于Revit的斜拉橋結構模型轉換與結構分析接口開發 18
3.1結構分析軟件及軟件交互方式的選擇 18
3.2斜拉橋ANSYS建模及模型轉換分析 19
3.3ANSYS 實體單元有限元模型的轉換程序實現 20
- IV -
3.3.1實體單元模型轉換程序開發思路 20
3.3.2幾何信息的轉換 20
3.3.3材料屬性信息的提取與轉換 23
3.3.4信息匹配與輸出 24
3.3.5網格劃分 25
3.4ANSYS 桿單元模型轉換程序開發過程 26
3.4.1桿單元模型轉換程序開發思路 26
3.4.2用戶界面設計 28
3.4.3桿單元模型轉換程序的實現 30
3.5結構分析模塊程序的設計與實現 33
3.5.1結構分析模塊程序開發思路 33
3.5.2WPF 界面事件設計與實現 34
3.6本章小結 40
4基于 Revit 的橋梁設計信息管理系統開發 41
4.1橋梁信息管理平臺實現原則和總體結構設計 41
4.1.1平臺實現原則 41
4.1.2橋梁設計信息管理平臺總體結構設計 41
4.2文檔管理功能模塊的設計與實現 42
4.2.1文檔類另劃分 42
4.2.2功能設計 43
4.2.3文檔管理功能實現過程 44
4.3系統應用功能模塊的開發 50
4.3.1Revit 明細表導出程序實現 50
4.3.2數據表導入功能實現 52
4.4數據庫的建立與應用 54
4.4.1數據庫的建立與數據表開發 54
4.4.2數據庫與界面關聯流程 55
4.5本章小結 56
5BIM 技術在長山大橋中的應用與實踐 57
5.1工程概況 57
5.2長山大橋 BIM 模型建立 58
5.2.1變截面箱梁參數化族的建立 58
-V-
5.2.2其他構件模型的創建 59
5.2.3長山大橋主橋 BIM 模型的創建 61
5.3BIM 模型到有限元模型轉換 62
5.4長山大橋在重力荷載下的結構響應分析 65
5.5橋梁設計信息管理與應用 67
5.5.1文檔信息的添加與儲存 67
5.5.2文檔的查詢與修改 69
5.6本章小結 70
結 論 71
展 望 73
參 考 文 獻 74
致 謝 76
作者簡歷及攻讀碩士學位期間的科研成果 78
大連海事大學學位論文授權使用聲明 78
- VI -
圖表目錄
圖目錄
圖1.1橋梁工程BIM技術研究相關文獻發表年度趨勢圖 3
圖 1.2 技術路線圖 8
圖 2.1 工程設計領域的發展階段 9
圖 2.2 族創建基本工具 17
圖 2.3 關聯材質參數 17
圖3.1 BIM建模軟件與結構分析軟件間信息傳遞的不同方式 18
圖 3.2 實體單元有限元模型轉換總體流程 21
圖 3.3 幾何信息轉換流程圖 22
圖3.4 Revit中材質物理信息界面 23
圖 3.5 物理信息提取的層級關系 24
圖 3.6 輸出設置窗口 25
圖 3.7 劃分網格窗口 26
圖 3.8 結構桿單元模型轉換流程 27
圖 3.9 LINK8/LINK10 單元轉換窗口 28
圖3.10 材料屬性輸入窗口 29
圖 3.11 獲取桿件端點坐標過程 30
圖 3.12 數據庫中材料屬性數據表的設置 31
圖 3.13 結構分析模塊功能劃分圖 33
圖 3.14 結構分析模塊主窗體 35
圖 3.15 施加約束操作界面 35
圖 3.16 結構分析模塊各頁面設計 39
圖 4.1 平臺總體結構設計圖 42
圖 4.2 設計文檔類別劃分圖 43
圖 4.3 設計任務書操作頁面設計 43
圖 4.4 信息查看與修改頁面設計 44
圖 4.5 TreeNode 屬性設置 45
圖 4.6 文件按鈕功能實現流程 49
圖 4.7 類的繼承關系圖 51
圖 4.8 明細表導出前后對比 51
- VII -
圖 4.9 導入數據表操作界面 52
圖 4.10 數據表中儲存的信息 53
圖 4.11 程序實現流程 53
圖 4.12 數據庫的數據處理流程 55
圖 5.1 長山大橋實景圖 57
圖 5.2 長山大橋主橋布置圖 58
圖 5.3 長山大橋族文件 59
圖 5.4 箱梁族模型及族參數設置圖 59
圖 5.5 長山大橋族模型 60
圖 5.6 斜拉索 BIM 模型 61
圖 5.7 長山大橋主橋 BIM 模型 62
圖 5.8 插件程序調用入口 63
圖 5.9 外部命令程序加載窗口 63
圖 5.10 數據庫中的單元屬性信息 64
圖 5.11 桿單元有限元分析模型 65
圖 5.12 長山大橋約束模型 66
圖 5.13 重力荷載作用下的位移圖及等效應力圖 66
圖 5.14 系統登錄頁面 67
圖 5.15 文件信息的添加 68
圖 5.16 數據表中儲存的文件信息 68
圖 5.17 文件查詢頁面 69
表目錄
表 2.1 常用 BIM 軟件類型和軟件產品 12
表 2.2 族類別及特點 16
表 4.1 界面開發所用控件 47
表 5.1 主梁各梁段族參數設計值 62
- VIII -
1 緒論
1.1研究背景
橋梁作為道路交通的關鍵節點，是交通運輸基礎設施系統的生命線，在交通領域發 揮著重要的作用［1］。近年來，隨著國民經濟的快速發展、基礎建設需求的不斷增加，對 橋梁設計與建設效率提出了更高的要求。傳統的計算機輔助設計過程及管理方法存在各 專業間信息交流困難、數據重用率低等問題，已經越來越難以滿足當前我國在橋梁領域 逐漸復雜的要求。因此，尋求新的設計方法及管理方式，提高設計人員工作效率及設計 精度，以滿足當前基礎交通建設進程中對橋梁設計的嚴格要求，成為目前橋梁工程研究 的重要課題。
隨著BIM (Building Information Modeling)概念的提出與BIM技術的發展，為上述 問題帶來了新的解決思路與方法I2】。BIM技術以三維模型為信息載體，貫穿建筑工程全 壽命周期，為工程行業提供一個全新的平臺。工程信息化技術革新必然是工程管理與項 目設計發展的方向，BIM技術的發展也將成為繼計算機輔助設計(Computer Aided Design, CAD)取代傳統手繪工程制圖后的第二次技術革命【譏本次革命不僅僅是實現 2D向3D的維度的轉變，同時是橫跨建筑工程全生命周期，包含前期招投標論證階段、 中期的工程設計及項目方案比選、管線布置優化，以及施工階段的指導、檢驗，后期的 裝飾裝修及投入生產后的運營階段，從創作模式到管理方式的質的改變。在降低工程成 本、提高工程質量、縮短項目周期上發揮了巨大的作用。
橋梁設計過程中涉及到多個專業的協同配合，因此設計過程的信息化與智能化可有 效提高設計精度、減小設計誤差，并避免各種返工現象，從而減少設計人員工作量，提 高設計效率。以BIM技術為核心進一步深化信息技術研究可有效推動橋梁行業信息化 進程，從而提高項目工程建設效率。但由于不同的階段或者專業往往遵循著不同的模型 數據標準，在進行數據信息共享與交換、儲存與管理等過程中常常存在著障礙。具體表 現在使用不同軟件進行數據信息傳遞時難以保證數據的完整性與準確性，不同專業間交 付的信息中存在大量冗余且上游專業交付的信息難以被下游專業直接利用，設計人員面 對海量文件數據無法集成管理，使得在信息查詢與管理過程中浪費了大量的時間，給各 專業間的協同工作帶來困難。
在目前工程設計領域的研究與應用過程中，BIM技術的應用軟件平臺多集中于工業 及民用建筑領域，針對于橋梁設計領域的專用BIM軟件平臺較少，為此大多數研究人 員對于橋梁領域BIM技術的應用研究往往是依托房建領域的BIM軟件，以二次開發的
-1- 方式進行開展，其目的是實現橋梁設計方面相應的功能［4-7］，此方法可以針對不同工程項 目與工作單位需求展開各自的研究。
因此，本研究通過甄選，采用Revit軟件進行了基于BIM理念下的橋梁設計與應用 研究，探索了數據交換流程與方法，同時依托BIM設計平臺，利用C#語言、APDL參 數化設計語言與SQL語言進行了數據協同應用功能的二次開發，實現了橋梁設計過程 中的數據交換與集成的智能化，將BIM設計理念應用至斜拉橋設計過程中，運用新的 思路與方法，彌補了傳統設計手段下的劣勢，對工程領域其他專業應用BIM技術具有 一定的借鑒與指導意義。
1.2國內外研究現狀
1.2.1BIM 技術國內外研究現狀
BIM技術正在全球范圍內推動傳統建筑行業產生重大變革-BIM的概念最早可追溯 至1975年卡耐基麥隆大學Chuck Eastman提出的“Building Description System (建筑描 述系統)” ［8］。1986年，美國RobertAish教授提出了目前被普遍認可的BIM (Building Information Modeling)概念。國際標準制定組織的設施信息委員會對BIM進行較為詳 細的定義：是在開放的工業標準下對建筑設施物理和功能特性的形式表現，包括其它與 建設項目全壽命周期相關的可計算或運算信息，建筑信息模型將所有相關信息組織在一 個連續的應用程序中，并允許用戶進行提取、更改等操作［9］。從2003 年開始，美國相繼 推出了國家3D-4D-BIM計劃，系列BIM指南及IFC (Industry Foundation asses)標準等 一系列應用標準，并通過對州政府投資的設計和施工項目提出應用BIM技術的要求、 對使用BIM技術的項目承包商予以資金支持等方式來逐步提高建筑信息化應用水平［10］。 在 2010 年前后， Autodesk、 Bentley、 Graphisoft 等國際著名的建筑軟件公司開始在全球 范圍內大力宣傳各自的BIM軟件，BIM技術開始被廣泛了解和應用。
目前，由于美國對建筑信息化的探索起步較早,BIM技術的發展處于世界引領地位。 除此之外，英國、日本、新加坡、韓國等發達國家也率先對BIM技術實現大規模應用， 收效顯著［11］。
2009年，英國建筑業BIM標準委員會發布了《英國建筑業BIM標準》。并要求建 筑工程項目全面協同3D-BIM，實現信息化管理［12］。英國政府為促進BIM技術在工程應 用中的發展，推出了政府軟著陸概念(GSL),其在工程全壽命周期中以資產作為主要 目標，旨在實現工程設計、施工與運營階段的資產精細化管理［13］。
2010年，韓國國土交通海洋部及韓國公共采購服務中心分別發布了《建筑領域BIM 應用指南》及《設施管理BIM應用指南》，規劃BIM技術的發展目標以及發展方向，
-2-
針對建筑企業在施工圖深化設計、施工方案優化及管養等階段運用BIM技術進行細化 指導，并規定公共部門項目都必須使用BIM技術，確保于2016年實現BIM技術在國內 的全面普及與應用［14-16］。
2012年7月，日本建筑學會發布《日本BIM指南》，在BIM團隊建設、設計標準 流程、BIM數據處理、信息應用及維護等方面提供統一的指導方針［17］。伴隨著日本信息 技術的蓬勃發展，本土 BIM軟件也層出不窮，并成立了軟件聯盟，旨在將BIM平臺化、 接口化，使得各個軟件間可以互相協作配合完成建筑作業既定任務，拓展了 BIM技術 的應用范圍。
我國BIM技術應用起步雖較晚，但后期發展速度較快。自2011年住房城鄉建設部 出臺《2011—2015年建筑業信息化發展綱要》起，各省市均陸續出臺相關BIM推進政 策文件，國家政府也進一步開展BIM標準制定工作，通過政府引導、市場主導的方式 逐步實現BIM技術的推進與應用［18］。
BIM 在中國的應用雖正逐步從理論走向實踐，但目前多應用于建筑結構。例如北京 的中國尊、上海中心大廈、珠海歌劇院、國家會展中心、蘇州的中南中心等。在橋梁上 的應用尚且處于探索性的嘗試階段。而從全球視角來看，BIM技術的全面普及應用己成 主流趨勢。
1.2.2橋梁工程 BIM 技術應用及研究現狀
在BIM高速發展的進程中，相關研究不斷開展，但主要集中在建筑領域，對BIM 在橋梁工程中的研究相對較少。本文通過中國知網搜索關鍵詞“BIM”，共發現相關文 獻38049 篇,而以“BIM”和“橋梁”為關鍵詞進行搜索，僅僅找到1145篇相關文獻， 僅占其BIM相關文獻總量的3%，其具體分布如圖1.1所示。可以看出，從2015年開始， 國內外學者對橋梁工程的BIM應用研究逐漸增多，而橋梁行業與BIM技術的合理有效 結合也將成為未來橋梁業發展的趨勢。
圖 1.1 橋梁工程 BIM 技術研究相關文獻發表年度趨勢圖
Fig. 1.1 Annual trend chart of bridge engineering BIM technology research related literature published
-3-
目前對橋梁工程的應用主要集中在橋梁BIM模型的快速建立［⑼20】、橋梁可視化施 工管理［21,22］、橋梁健康檢測與運營［23,24］等方面，在橋梁設計階段乃至全生命周期的 BIM 技術應用尚處于研究探索階段，實際工程應用較少。
首先在橋梁模型的快速創建上，多數人基于BIM軟件或軟件開發實現了橋梁模型 的快速智能化建立［25-27］。Akula［28］采用3D激光掃描點云技術建立了橋面板模型，并將模 型數據存儲為IFC標準格式，進而實現基于BIM模型的可視化。王達［29］等人討論了各 個建模軟件平臺的橋梁建模方法，重點對Bentley平臺上的多種橋梁快速建模方法進行 了討論。邵巖［30］等人在分析現有基于BIM的參數化設計思路、方法及流程的基礎上， 結合PC連續梁的結構特點，以代表性T型梁和箱梁為研究對象,提出在現有的“切片” 式參數化設計思路的基礎上，提出縱橫分割的“網格”劃分方法，較好地解決了 PC連 續梁的參數化目標。錢搏健［31］等人通過基于Revit進行開發，實現了橋梁鋼筋模型的快 速建立。黃俊炫［32］等人基于CATIA軟件進行了長江大橋工程實踐，探索了 CATIA骨架 和模板的三維建模方法。
在橋梁可視化施工方面，也已成功將BIM技術應用于一些橋梁工程項目，如北京 軌道交通新機場線高架橋梁［33］、西成客運專線鐵路橋隧工程［34］等。孫超［35］等人對高鐵連 續梁橋懸臂施工過程進行模擬,實現了施工過程的三維展示并進行施工進度管理與碰撞 檢查。喻瑤［36］等人提出了 BIM技術在橋梁工程施工管理中的應用框架，并通過實際工 程項目，模擬主要施工流程、進行碰撞檢查和4D施工進度管理。朱殷橋［37］、王偉濤［38］ 等人對橋梁結構在施工過程中的信息管理功能進行了開發，為幾何模型與信息模型的融 合提供了方法。
除此之外，國內外許多學者也針對橋梁運營與維護做了相關研究［39-42］。McGuirel［43］ 提出了一種橋梁管養階段的BIM技術應用方法，通過Revit三維模型集成并可視化顯示 橋梁結構的損傷信息。YangZ［44］應用BIM技術于橋梁風險管理，基于BIM模型實現了 風險識別和分析功能。DengL［45］提出了一種基于BIM的橋梁健康狀態安全預警和信息 集成管理方法，該方法以Revit軟件為開發平臺，并通過Revit API接口將視覺預警和監 視信息管理的功能插件集成到Revit軟件中。
在橋梁全壽命管理研究中，Kaewunruen［46］等人采用6D建模，將3D模型信息與時 間表，成本估算以及整個橋梁項目生命周期內的碳足跡分析相結合，進而促進有效的資 產和項目管理。且證明了 BIM應用程序在整個生命周期中橋接基礎設施項目的可能性。 以上可以看出，國內外學者與企業對BIM技術的應用高度重視，越來越多的企業將BIM 技術應用到工程項目中。通過將BIM技術逐漸拓展到橋梁工程項目全生命周期，可以 進一步降低工程建設成本，提高項目管理水平。
-4-
1.2.3Revit 軟件二次開發現狀
由于BIM技術興起于建筑領域，現有的BIM軟件多是針對建筑領域進行開發的， 其數據標準與模式對于橋梁工程難以適用［47］。相對于開發出一種全新的橋梁BIM軟件 來說，對現有BIM軟件進行二次開發，使之適用于橋梁工程更為可行，因此也成為大 多數學者的首要選擇。
其中，呂猛［48］等人利用Revit和Visual Studio平臺進行基于BIM技術的橋梁工程質 量管理系統二次開發研究，利用BIM可視化特點，可以準確高效的對出現質量問題的構 件或者區域進行定位。ZhaoP［49］等人基于Revit軟件開發了可視化的結構健康監測預警 插件，并開發了基于數據庫的監測信息集成管理平臺。曲強龍［50］等人通過可視化編程將 Revit上部結構截面幾何模型導出為可被Midas Civil拾取并直接生成模型的met命令流, 無需繼續操作。但鋼筋模型信息的交互卻又是通過機械建模軟件Solidworks導出.dxf4 格式然后被Midas拾取來實現的。張文勝I5】］等人提出BIM軟件與3DGIS軟件的集成技 術，將Revit軟件創建的BIM模型轉換為3DGIS可接受的的快速無損格式文件，通過 編程技術，將 BIM 模型信息集成到 3DGIS 軟件中。
除此之外，部分針對于建筑領域的開發也值得本文借鑒。李馳［52］等人使用 OpenGL 三維圖形庫，采取完全面向對象設計方法，基于Winform界面實現了三維模型重建，以 及構件查找的應用。封大為［53］等人基于Revit軟件進行二次開發，實現Revit與ANSYS 軟件之間的信息轉換，并開發了包含重力作用、風荷載作用、結構模態分析等功能分析 模塊。在現有的工程項目BIM應用研究中，多數人選擇對現有大型BIM軟件進行二次 開發，擴展其分析、運營或管理功能，以建立BIM設計與工程項目全生命周期中各階 段之間的紐帶，并在實際工程中證明了其方法的可行性。
1.3本文的研究內容與研究意義
1.3.1研究內容
從目前研究現狀來看，國內外學者對于橋梁設計階段的BIM應用研究較少，而橋 梁的設計結果對橋梁的使用壽命及安全起著關鍵性的作用，且其設計效率對項目建設周 期具有較大影響，若能夠合理利用BIM技術的優勢，進一步提高橋梁設計結果的精確 度及設計人員的工作效率，則可有效縮短項目周期、提高工程質量。因此本文針對BIM 技術在橋梁設計過程中的應用方法與過程展開研究。本文將BIM技術的核心理念“共 享與集成”融入到橋梁設計中，結合現有的二次開發技術和手段，基于BIM軟件、數 據庫與結構設計軟件等進行開發，旨在實現橋梁設計過程中的信息共享與數據集成，進 一步增強數據重用率，減少數據冗余，從而提高橋梁設計效率。研究的主要內容如下：
-5-
(1)通過閱讀專業文獻與資料整理調研，分析現有BIM技術在橋梁工程中的應用 現狀及特點，闡述本文的研究背景與意義，并在現有理論的基礎上提出論文的主要內容 和邏輯結構。
(2)闡述BIM技術的特點、概念及其應用價值，通過對比總結現有商用BIM軟件 的特點，選擇Revit軟件作為橋梁BIM應用與二次開發的基礎平臺，對Revit二次開發 流程進行詳細闡述，并詳細介紹了橋梁構件參數化設計的實現流程。
(3)通過將C#語言與ANSYS軟件參數化設計語言(APDL)及數據庫語言(SQL) 進行結合Revit軟件的二次開發，更好地使Revit與ANSYS軟件之間的轉換接口適用于 大跨度復雜橋梁如斜拉橋的結構分析。旨在實現將斜拉橋BIM模型轉化為包含不同單 元類型的ANSYS有限元模型，并且基于圖形用戶界面(GUI)開發及數據庫進行開發, 直接基于Revit模型進行結構分析操作，實現斜拉橋BIM模型到ANSYS有限元模型轉 化及結構靜力分析功能的自動化，使設計人員可以更加迅速、有效的進行結構受力分析。
(4)根據橋梁設計過程中BIM信息的構成要素，確定系統整體框架結構，進行模 塊分解與設計，基于窗體開發將設計過程中涉及到的所有數據信息集成于同一平臺，基 于Revit軟件實現對數據的存儲、管理與交換，能夠高效管理項目設計過程中各階段的 資料，結合數據庫平臺開發，真正實現項目數據信息的儲存、分類、查詢。
(5)以工程實例長山大橋為例，建立了長山大橋參數化BIM模型，然后利用本文 開發的結構模型轉換與分析插件，對長山大橋進行有限元分析，驗證其模型轉換的準確 性及結構分析功能便捷性，并獲得其整體橋梁構件的位移、應力等力學信息。同時利用 橋梁設計信息管理系統，實現對長山大橋設計信息的管理與存儲，并對文檔管理、明細 表導出等功能進行測試。
1.3.2研究意義
隨著橋梁工程領域對信息化需求的不斷增長，國家及項目各參與方對BIM技術應用 的重視程度的逐漸加深，如何使BIM技術與橋梁工程實現有效結合成為當前橋梁領域研 究的難點。在橋梁的全生命周期中，其結構設計對橋梁的使用壽命起著關鍵的作用，在 設計過程中通常使用有限元分析軟件對橋梁結構進行計算，而在BIM模型中包含結構分 析所需要的相關信息，因此使橋梁結構設計與BIM技術有效結合可以大大提高設計工作 的效率與精確度。相較于傳統設計模式可以減少重復性工作，節約人工成本與時間成本。
通過對BIM建模軟件與結構分析軟件之間的模型轉換方法及結構分析過程中數據 的傳遞與轉換展開研究，可以為橋梁工程結構設計提供新的設計理念，促進橋梁正向設 計的實現。本文基于RevitAPI所開發的接口程序，可以將斜拉橋BIM模型轉換為包含實 體單元、桿單元的有限元分析模型，為建立精細化結構分析模型提供有效途徑。同時結
-6-
合用戶圖形界面開發與數據庫開發，實現了直接在Revit中對有限元模型進行施加約束、 施加荷載、求解、結果顯示等操作，使有限元分析操作難度大大降低，從而提高了橋梁 結構分析效率。
另外，為實現橋梁設計過程中多專業的的協同以及不同階段數據的傳遞，對設計過 程中的數據信息進行合理高效的存儲與管理是至關重要的。本文結合Revit平臺與數據庫 平臺進行開發，真正實現項目數據信息的分類、查詢，有助于設計單位快速掌握項目當 前進展情況，為合理制定下一步工作計劃提供依據。同時將設計信息集成于同一平臺進 行管理，為設計單位各專業間數據信息的共享提供便利，踐行了BIM技術共享與集成的 核心理念，對促進橋梁業BIM技術的應用與發展具有一定的借鑒意義。
1.4研究技術路線
現結合本文研究目的和內容制定技術路線圖如圖1.2所示。
-7-
提出當前橋梁領域BIM技術應用存在的問題
確定本文研究內容
BIM建模軟件Revit插件開發環境配置
ANSYS實體單元有限元模型的轉換插程序開發
橋梁設計信息管理系統程序可行性驗證
總結與展望
圖 1.2 技術路線圖
Fig. 1.2 Teehnology roadmap
-8-
2 BIM 基本理論及二次開發概述
伴隨著計算機在軟件及硬件方面的完善與升級，BIM技術作為信息時代下建筑領域 的一種新的生產方式，其潛在價值不斷被挖掘，其必將引領建筑領域開啟新一輪的技術 革命。隨著社會的進步，人們對橋梁美學的要求也越來越高，因此橋梁結構也變得形態 各異、越來越復雜。BIM技術的出現為橋梁設計帶來了新的思路與方案，而各類BIM 設計軟件如Revit、Civil3D、CATIA、Bentley等軟件的成功應用，成為BIM技術發展 道路上不可或缺的一環。
2.1BIM 基本概念與特點
2.1.1BIM 基本概念
BIM (Building Information Modeling)的概念最早是由“BIM之父”伊斯特曼先生 (Chuck Eastman)于1975年提出，之后BIM理念不斷走向流行化與標準化，并逐漸被 業界所接受。BIM技術發展的過程中，不同的國家、組織、專家等并未對其進行統一的 定義。 Eastman 認為 BIM 為信息模型與建筑物全生命周期內各類信息的總和，從項目的 規劃、設計到工程建造，再到最后的運營維護階段等全部過程中的所有信息［54］。美國 Building SMART 聯盟主席 Dana K. Smith 則認為 BIM 是一種鏈條式的轉化機制，它能 把數據轉化成信息，把信息作為知識傳遞給參與者，使其智慧地行動［55］。后來美國建筑 科學院(NIBS)在《美國BIM國家標準》［56］中把BIM定義為工程項目物理和功能特性 的數字化表達，是工程項目信息可分享的知識資源，為其全生命期的各種決策構成可靠 的基礎，該定義在業界被廣泛認可。我國國家《建筑信息模型應用統一標準GB/T 51212-2016》對BIM的定義為：在建設工程及設施全生命期內，對其物理和功能特性進 行數字化表達，并依此設計、施工、運營的過程和結果的綜合［38］。
圖 2.1 工程設計領域的發展階段
Fig. 2.1 The development stage of the engineering design field
隨著科技發展和建筑工程需求的變化，建筑業設計方式經歷了多次變革。其發展的 具體階段如圖2.1所示。從傳統手工繪圖到二維CAD計算機輔助繪圖技術被稱之為第 一次技術變革。CAD技術的出現使人們轉變了傳統的繪圖習慣，從手工繪圖轉換到電
-9- 腦繪圖，這一變革極大的提高了設計人員的工作效率，電子圖紙的出現也更加有利于建 筑基本信息的表達、傳遞和交流。而如今BIM技術的出現又可以將其看作是一項新的 技術革命。 BIM 技術的應用不僅僅是將設計過程中的二維視圖轉換為三維立體視圖，而 是將工程建設項目所有相關信息實現動態集成的一個過程。
2.1.2BIM 的特點
相較于傳統的計算機輔助設計模式，BIM具有其獨特的優勢與特點。傳統繪圖軟件 CAD僅僅作為輔助設計工具，其根本的設計方式與流程并未發生質的改變。而BIM技 術的更大效用在于能夠成為一種有效的管理工具。以BIM模型為基本的載體，整合多 方工程信息資源，并以BIM軟件為平臺協同作業，對項目的全過程設計與管理的提升 是質變的提升。一般來說，BIM同時具有以下五個特點：
（1） 可視化
可視化可以分為兩個方面，包括模型的可視化和數據的可視化。BIM技術能夠實現 三維空間模型的建立，使項目各構件模型的空間關系更加直觀立體，設計者與項目各參 與方能更加迅速的了解設計效果與設計意圖，此特點為模型的可視化。另外在設計過程 中將項目信息集中體現在模型構件及項目管理模塊中，實現數據信息與設計模型的聯動 性，可以實現相關數據的可視化表達。能夠更好的指導設計單位與其他項目參與方的溝 通及指導施工管理，使工程技術交底、工程協調會議等工作更加的迅速與便捷。
（2） 參數化
BIM 模型的創建與修改可以通過創建參數來實現。通過創建參數化模型，可以實現 簡單的修改相關參數就能驅動BIM模型中幾何圖元的形狀、位置、材料屬性、連接關 系等。在添加幾何圖元及幾何定位過程中具有不可替代的優勢。同時通過這些參數能夠 保存圖元構件的相關數據信息，這些信息可以在需要時進行調取與更新，實現在不同專 業或不同項目參與方之間的數據共享，從而及時的對當前工作進行反饋。
（3） 模擬性 模擬性包括對建筑性能、施工過程、進度計劃的模擬。建筑性能主要是指對于當前
模型在不同條件、不同環境等因素條件下的狀態進行模擬。包含日照分析、節能分析、 景觀視線分析、采光性能分析、熱傳導分析、風環境分析、噪聲分析等建筑在使用性能 上的分析。同時BIM技術也能夠通過內部漫游的方式模擬人或者其他主體在建筑物中 的狀態，能夠更加真實、生動地反映建筑物的內部情況。施工過程模擬主要是指對于建 造過程、運輸、安裝、澆筑順序以及施工工藝等進行動態模擬，將整個項目建設過程通 過三維模型動畫動態呈現，以此來排查施工組織設計方案中不合理之處，同時施工人員 可以通過對施工過程更加直觀的了解來保證施工的順利進行，保證施工的工程質量。施
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工計劃模擬主要是指通過預先模擬工程項目的建設進度計劃和施工順序，對施工過程進 行更好的把控，以便能夠及時的對工期及成本進行控制和調整。
( 4)協同性
BIM 信息模型能夠集成包含從參數化建模階段到運營維護階段的項目全生命周期 中所有相關數據信息在同一模型中進行管理與共享，例如工程的幾何及材料屬性信息、 性能分析信息、設計信息、施工監控信息、運營管理信息等。數據的集成是為了更好的 實現信息的共享，能夠使包括建設單位、設計單位、施工單位、后期運營管理單位等不 同項目參與方在內的工程技術人員更加有效地進行溝通交流，從而提高工程建設效率， 縮短工程建設周期。BIM技術為其提供了有效溝通的平臺，其優勢在設計階段能夠更為 明顯的體現，通過建立BIM信息模型，使各專業間不再是獨立設計，各專業設計人員 能夠及時發現問題，并對各專業間可能出現的空間幾何沖突問題迅速的進行協調與修 改。
(5)可出圖性
在實際工程應用過程中，除了使用3D模型實現項目的交付，往往較常使用圖紙進 行項目設計信息的交付。而通過BIM軟件建立的3D信息模型，除了可以通過計算機、 移動設備終端等方式動態靈活的呈現與查閱，還可以根據需要將不同觀察角度下的幾何 空間信息及屬性信息轉換為平面圖紙，通過圖紙實現交付的目的。這種性質被稱之為 BIM 的可出圖性。
2.2橋梁 BIM 應用軟件比選
2.2.1BIM 軟件
BIM理念的實現要依附于各類BIM軟件來完成，因此，BIM軟件的發展從根本上 決定著BIM技術的應用程度。隨著軟件開發商推出各自的BIM應用軟件，其軟件種類 逐漸呈現多元化特點，由于建筑信息化的實現往往不是一個應用軟件能夠完成的，因此 對現有軟件進行開發擴充其應用功能以及實現不同軟件間的數據交互尤為重要。目前， 市場中出現的BIM軟件按照設計用途可以分為兩大類，包括BIM核心建模軟件和BIM 分析軟件。BIM建模軟件如Revit、Bentley等主要用于項目BIM實體三維模型的建立, 除了 BIM建模軟件以外的所有軟件可統稱為BIM分析軟件，主要用于對BIM模型進行 分析處理，如Navisworks、PKPM等。以上具體可劃分為模型檢查軟件、方案設計軟件、 可視化軟件、結構分析軟件、深化設計軟件、機電分析軟件、運營管理軟件、造價管理 軟件、施工管理軟件等［57］，其主要軟件產品如表2.1。
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表 2.1 常用 BIM 軟件類型和軟件產品
Tab. 2.1 Common BIM software types and software products
序號 BIM 軟件類型 主要軟件產品
1 核心建模軟件 Revit、Bentley、ArchiCAD、Tekla、CATIA
2 模型檢查軟件 Navisworks、Projectwise Navigator、Solibri
3 方案設計軟件 Onuma、Affinity
4 可視化軟件 3D MAX、Lightscape、Navisworks、Accurebder
5 結構分析軟件 ETABS、STAAD、Robot、PKPM、ANSYS、MIDAS
6 深化設計軟件 Tekla Structure、Tssd
7 機電分析軟件 Trane Trace、Design Master、鴻業、博超
8 運營管理軟件 Navisworks、Archibus
9 造價管理軟件 魯班、廣聯達、 Solibri、 Innovaya
10 施工管理軟件 Navisworks、 Tekla Structure
其中，BIM核心建模軟件主要包括四大平臺軟件：
（1） Autodesk
Autodesk公司在收購Revit程序后，配合開發相關配套應用程序，根據市場需求將 其全面打造。Revit軟件具有開放性API接口，能夠通過接口實現應用程序的擴展。同 時Revit能夠輸出如IFC、ACIS等交互格式文件，通過這些文件能夠直接或者間接與其 他BIM應用程序交互。隨著BIM理念在建筑行業的普及，基于Revit相關軟件的專業 協同工作及不同軟件間的數據共享受到廣泛關注。目前Revit在國內外大型、復雜項目 中得到廣泛應用，其系列軟件Revit Architecture> Revit MEP、Revit Structure等借助于 AutoCAD軟件的天然優勢，在BIM軟件市場中占有較高的使用份額。Revit在構件自定 義方面優勢突出，雖然在復雜曲面的建立上具有一定的限制，但其開放性API接口及程 序化建模插件在一定程度上彌補了這種不足。目前針對于橋梁工程并沒有相對成熟的 BIM軟件，基于Revit軟件的建模優勢與開發優勢，可將Revit作為橋梁BIM應用的的 首選平臺。
（2） Bentley
Bentley是由美國Bentley公司基于Microstation打造的BIM應用平臺，其功能涵蓋 交通、建筑、地理等領域。其中在交通領域的主要軟件為InRoads Suite、GEOPAK Civil Engineering Suite、 OpenRoads Designer、 OpenBridge Modeler、 Power bridge master 等道 路與橋梁設計分析軟件。Bentley平臺的應用領域主要面向基礎設施建設領域，且全系 軟件具有通用的數據交互格式——DGN格式。通過此數據交互格式可以將不同專業之 間的數據進行交互，實現工程建設過程中的模型共用。其具備完善的設計和文檔模塊，
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可為幾乎任意種類、尺寸和復雜度的基礎建設項目提供建模、文檔存儲和可視化的功能， 其中 Projectwise 采用基于服務器和客戶端的工作方式，可實現信息的遠程集成化管理。
( 3) CATIA
CATIA是由法國Dassault公司打造的面向機械制造、結構計算等領域的參數化建模 平臺，廣泛應用于航空航天、汽車行業等高端機械制造領域。其中在建筑結構領域為大 家所熟知的是其有限元分析計算軟件Abaqus。為發展BIM領域的應用，達索公司推出 了設計建筑軟件Catia、施工工藝仿真軟件Delmia、項目協同軟件Enovia等一系列仿真 軟件。現行的CATIAV5版本以其良好的建模能力深得BIM設計師的支持。但是針對大 部分人群而言，Revit簡單易上手，在精細程度要求不高的情況下，應用較方便。
( 4) ArchiCAD
Nemetschek Graphisof公司推出了廣而熟知的ArchiCAD軟件，該軟件是最具有影 響力的建模軟件之一。ArchiCAD是專門針對建筑業開發的三維設計軟件，具有強大的 設計功能以及產品級的渲染和方案演示效果，但其在結構和設備專業的設計效果并不盡 如人意。
近幾年來，國內軟件開發商在參考國外軟件的特點并結合本土化的使用范圍和習慣 后，也積極推出了諸多BIM軟件。三維設計軟件目前有橄欖山、探索者等；廣聯達開 發了 BIM5D、BIM算量、BIM三維場布、MagiCAD等BIM系列軟件，開啟了輕量化 BIM應用時代；鴻業專門發布了市政道路設計軟件。總的來看，我國的BIM軟件劃分 細致，但對于各個軟件之間模型的交互較為困難。
2.2.2橋梁核心建模軟件的比選
橋梁結構的建模難點在于非線性結構和空間異形體，橋梁工程中常見的墩柱、梁塔 等結構線形采用非線性形式居多，因此對于模型軟件要求較高。目前常用的傳統軟件如 邁達斯和橋梁大師等主要用來對橋梁進行力學分析計算，在建模方面的能力較弱，而對 模型的精細搭建能提高力學分析的精度。另外主流的BIM軟件如Revit、廣聯達、魯班 等軟件一開始都是面向房建，缺少橋梁專有的構件庫，同時在解決空間異形體和復雜曲 面問題時缺乏良好的途徑。隨著參數化建模軟件的發展以及針對橋梁建模的二次開發插 件都能解決這一問題。
由于BIM技術的應用大多數在房屋建筑領域，在基礎設施領域的應用程度低，需 要進一步研究。對BIM技術的三大應用平臺研究后發現，其發展BIM技術的思路均是 保留原有的工程建設平臺，將BIM理念融合至平臺中進行新功能的開發來滿足工程建 設的需要，故本文依托現有BIM平臺并結合BIM理念進行橋梁設計應用的探索以及設
- 13 - 計過程中數據集成管理的研究。現有的BIM核心建模軟件應用在橋梁上各有優缺點， 在實際工程中可根據需求選取恰當的軟件平臺。在本文的研究中，基于以下幾點的考慮， 選取了 Revit 作為核心建模軟件：
(1)繼承了 Autodesk系列軟件的界面模式和功能模塊，使得Revit在使用操作方 面易于用戶上手。
(2)該軟件可支持的數據交互格式類型較多，便于信息的交互和共享，同時 Revit 軟件預留了大量的API應用接口，允許用戶通過二次開發來擴展和定義軟件功能。
(3)在參數化建模方面， Revit 雖然缺少橋梁構件庫，但其多樣的族模板可方便用 戶進行構件的參數化建立，除此之外官方的參數化插件Dynamo可以提高Revit的建模 能力和效率。
2.3Revit 軟件的二次開發
2.3.1Revit API
Autodesk Revit為軟件開發者提供了豐富的應用程序接口 API ( Application Programming Interface)，開發人員可通過C#、VB (Visual Basic.NET)或者C++等與.NET 兼容的語言編寫自己的應用程序，通過API操縱和訪問Revit，借助API把其他軟件的功 能集成或鏈接到Revit中來，從而實現在一個平臺上來完成用戶的需求[58],為后續的開發 提供基礎。用戶訪問API有三種方式，分別是外部命令(IExternalCommand)、外部應 用程序(IExternalApplication)和數據庫級的外部應用程序(IExternalDBApplication)。 其中外部命令可實現具體功能的添加，外部應用程序可實現功能區選項卡及面板的定 制，因此本文采用外部命令和外部應用結合的方式來實現程序的開發。
2.3.2Revit 二次開發環境配置
外部命令及外部應用程序進行開發時，需要注冊插件才會出現在Revit中，插件的注 冊需要創建一個.addin清單文件。將此文件放置到用戶系統專有位置時，Revit軟件啟動 時會自動讀取該文件。不同電腦操作系統下清單放置位置有所不同，本機的清單文件放 置位置為：C:\Users\Administrator\AppData\Roaming\Autodesk\Revit\Addins\2019，可通過 該文件來識別外部命令和應用程序。
除了對基本環境進行配置，本文也使用了一些輔助工具，包括Revit SDK文件包、 Addin Manager插件以及Revit Lookup插件。其中Revit SDK文件中包含Revit API的幫助文 檔及多種Revit二次開發的相關實例，每一項實例中包含C#、C++、VB等多種語言的源 代碼，為開發對Revit內部函數的調用提供依據，本文使用的版本為Revit SDK2019。Revit
- 14 - Lookup是Autodesk公司開發的輔助性插件，該插件可以直接查看所選中構件的API相關 信息，在獲取構件相關屬性信息時常常被使用。Addin Manager同樣是Autodesk公司提供 的官方插件，軟件開發者可以通過Revit軟件中的附件模塊調用該插件，通過該插件，可 以直接加載開發者編制好的程序，在修改代碼后不需要重啟軟件便可以再次加載和運行 程序，大大提高了開發效率。
2.3.3二次開發工具
本文使用C#語言與.NET Framework 4.7框架進行開發，開發工具為Visual Studio 2019。C#語言作為.NET平臺最重要的編程語言，其設計借鑒了 C++、Java和Pascal的 思想，吸收了各種有效的編程理念和技術，能夠完全支持.NET Framework代碼庫的各 種功能，這個庫分為多個不同的模塊，用戶可以根據需要去選擇相應的部分，從而可在 單一環境中進行開發，大大提高開發效率。
在模型轉換過程中需要結合數據庫的開發，通過數據庫開發，可以實現單元屬性信 息及構件坐標信息的儲存、查詢與修改。為設計過程中對模型的修改及信息的共享提供 準確的數據依據。本文采用MYSQL數據庫進行開發，MYSQL作為一種關系型數據庫 管理系統，使用標準化的SQL語言，具有開放源碼、體積小、運行速度快、可移植性 強等特點，各項功能能夠滿足本文開發的需要。
2.4橋梁構件參數化的實現
BIM技術的建模特點主要體現在三維模型的建立。參數化設計是指在模型建立過程 中，為設計要素創建參數變量，通過函數或者算法將相關變量進行關聯，進而可以根據 參數變化動態創建 BIM 模型。實際應用過程中，參數化設計可以通過定義模型相關尺 寸之間的關系或者定義其他屬性參數來進行限制。參數值的變化將自動關聯到模型中， 其相對應的構件屬性也會隨之發生變動。參數化的最大價值體現是通過操作界面簡單有 序的數據輸入改變構件相關的變量，從而改變模型最終形態的效果。其相比傳統設計建 模方式更加高效，可提高模型的生產和修改速度，尤其對于同類型構件的創建可顯現出 更高的工作效率［59］。
Revit軟件實現參數化建模的方式主要有兩種。第一種也是最常用的方式是基于 Revit提供的族樣板建立參數化族構件，該方法可以實現大多數構件模型的建立，其常 用操作命令包括拉伸、融合、放樣等混合使用可以創建各類復雜異形構件。另一種方式 是結合參數化設計插件Dynamo,通過可視化編程進行建模，通過更改程序的邏輯與參 數實現構件的參數化。由于通過建立參數化構件族已經能夠滿足本文模型的建立需求， 因此這里便不在對Dynamo插件進行贅述。
- 15 -
2.4.1Revit族與族參數
在Revit中，族(Family)是構成項目最基本的元素。項目模型由不同的圖元構件 組成，而圖元的建立就是通過對族的編輯實現的。同一個族能夠定義多種不同的族類型， 每種類型可以具有不同的尺寸、材質或者其他參數變量。通過族編輯器，基于樣板族為 圖元添加各種參數，如距離、材質、可見性等，就可以創建參數化構件族。特定的族和 族類型都可以通過修改相關參數來創建圖元實例，因此族作為實現參數化模型的基礎信 息載體，能夠通過搭積木的方式將項目模型搭建起來［60］。
常見的族按照使用方式可以分為系統族、可載入族以及內建族三個類別，其各自特 點如表2.2所示。由于Revit軟件本身是針對于建筑領域所開發的，因此軟件中未含有 橋梁構件相關系統族，所有圖元的創建都要通過建立可載入族或內建族的方式完成。按 照圖元特性又可以將族劃分為模型類、基準類、視圖類三個類別。模型類主要是指三維 構件族，例如箱梁、橋墩、承臺等。基準類主要是指用于定位的圖元，例如軸網、標高、 參照線等。視圖類是指在特定視圖下使用的一些二維圖元，例如文字注釋、尺寸標注、 詳圖線、填充圖案等。
表 2.2 族類別及特點
Tab. 2.2 Family category and characteristics
族類別 創建方式 傳遞方式
系統族 樣板自帶，不能新建 可在項目間傳遞
可載入族 基于族樣板創建 通過構件族載入
內建族 在當前項目中創建 僅限當前項目使用
2.4.2族參數化的實現
在建立參數化族模型時，最常用到的是對于幾何尺寸的參數化。主要是通過尺寸標 注并關聯參數為構件添加約束，然后驅動參數實現幾何尺寸的更改。幾何參數一般包含 長度、半徑、角度等，可以通過尺寸標簽添加或通過函數公式計算得到。而參數設置的 基礎是幾何模型，Revit軟件提供了多種族創建工具，分別為拉伸、融合、旋轉、放樣、 放樣融合等，如圖 2.2所示。通過這五種基本工具可以創建出各種復雜的實心、空心形 狀，從而結合成復雜的族模型。
除了幾何參數，本文還需要為族模型添加材質參數。材質參數的添加方式與尺寸參 數添加方式相同，首先選中需要添加材質參數的幾何模型，在“屬性”欄的“材質和裝飾”
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選項后單擊在“關聯族參數”按鈕，如圖 2.3 所示，通過新建參數按鈕添加材質參數并 關聯后即可完成材質參數的添加。
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圖 2.2 族創建基本工具
Fig. 2.2 Basic family creation tools
圖 2.3 關聯材質參數
Fig. 2.3 Associated material parameters
2.5本章小結
本章對BIM的基本概念及特點進行了詳細的介紹，并對當前流行的BIM操作平臺 Autodesk、 Bentley、 ArchiCAD、 CATIA 等進行對比，分析其軟件優勢及應用中的不足。 經過對比，選擇了 Autodesk下的Revit軟件為本文的核心BIM建模軟件。同時針對Revit 軟件介紹其基本概念及參數化建模流程。
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3基于 Revit 的斜拉橋結構模型轉換與結構分析接口開發
結構分析是橋梁結構設計中至關重要的一環，若將其與 BIM 技術結合可有效促進 設計過程中信息的共享與集成，從而提高設計人員工作效率。為更好地使 Revit 與 ANSYS 軟件之間的轉換接口適用于大跨度復雜橋梁如斜拉橋的結構分析，本章將基于 Revit 2019 及 Revit API 技術進行二次開發，對 BIM 建模軟件與結構分析軟件之間的模 型轉換方法及結構分析過程中數據的傳遞與轉換展開研究，實現 BIM 模型與不同單元 有限元模型之間準確無誤的轉換，并且通過圖形用戶界面（GUI）開發及數據庫開發， 實現直接基于 Revit 模型進行網格劃分、施加約束、施加荷載、求解及后處理操作。對 于接口程序的實現，給出具體的開發思路與算法要點。
3.1結構分析軟件及軟件交互方式的選擇
橋梁結構設計離不開有限元分析軟件，常用的有限元分析軟件如 Midas、ABAQUS、 ANSYS 等，其內部含有非常充足且成熟的力學模型，可以進行各種復雜的力學分析， 特別是非線性分析功能強大，軟件內置多種單元，可以根據分析的需求選擇最為合理的 單元類型，因此可以適用于建筑、橋梁、機械等多種領域。然而目前，橋梁設計常用的 有限元分析軟件并不能直接從 BIM 信息模型中獲取結構分析所需信息，導致設計人員 在進行結構分析時重復建模，浪費了大量的時間。
BIM 建模軟件與結構分析軟件間信息傳遞的方式有兩種，如圖 3.1 所示，第一種方 式是以 IFC 標準格式文件進行傳遞，首先將 BIM 模型輸出為 IFC 格式模型文件，然后
圖 3.1 BIM 建模軟件與結構分析軟件間信息傳遞的不同方式
Fig. 3.1 Different ways of information transfer between BIM modeling software and structural analysis
software
通過有限元分析軟件讀取當前導出的 IFC 格式模型文件，進而生成有限元模型。第二種 方式是通過軟件開發直接從 BIM 軟件中提取進行結構分析所需的相關信息，將提取到
- 18 - 的信息進行轉化和整理，以結構分析軟件可讀的語言格式進行傳遞。雖然以IFC標準格 式文件進行傳遞是目前建筑行業所廣泛接受的信息交換與數據共享的方式，但由于不同 軟件商對于IFC的標準理解上存在差異，所以在以IFC格式進行對接時容易出現構件缺 失或者出現對模型錯誤定義的現象，且IFC格式文件存在較多的冗余信息，實際運用過 程中往往需要進行簡化。另外，IFC標準缺乏對橋梁結構的支持，在橋梁BIM模型的數 據信息傳遞中難以做到適用，因此本文選擇以第二方式實現BIM軟件與有限元分析軟 件間的信息傳遞。
有限元分析軟件ANSYS能夠與多種分析軟件進行協同工作，為用戶操作帶來更高 的靈活性，其整個運算流程分為前處理模塊、分析計算模塊、和后處理模塊。前處理模 塊提供了實體建模和進行網格劃分的工具，分析計算模塊包含結構力學分析、流體動力 學分析以及多種電磁場和物理場分析，可以進行線性分析和結構、材料非線性分析以及 高度非線性分析。后處理模塊可以將分析結果以圖形、圖表和曲線的方式顯示并輸出。
ANSYS 軟件作為面向工程、機械的有限元分析軟件，與許多建模軟件如 Pro/E、 Inventor、UG等均設置有與軟件模型的轉換接口[53],同時ANSYS軟件具有規范的參數 化設計語言，其格式具有高度統一性，可開發性較強，因此本文選擇ANSYS軟件作為 結構分析功能的實現軟件。
3.2斜拉橋ANSYS建模及模型轉換分析
要在 ANSYS 中實現大跨度橋梁受力分析，常常要用到不同的單元，其中，最具有 通用性的單元類型為實體單元(SOLID),實體單元可精細化模擬大多數的結構構件， 但由于在 ANSYS 中直接建立復雜異型實體構件較為困難，且實體單元有限元模型網格 劃分后單元數較多，計算機對實體單元的處理速度相對較慢，所以在過去橋梁設計過程 中實體單元類型的應用也始終受到制約。然而隨著計算機技術的不斷發展，其計算速度 不斷增長，許多計算機已完全能夠快速的對實體單元模型進行計算。隨著大型橋梁數量 的不斷增長，我國對橋梁設計精細化的需求也隨之增長，因此，實體單元有限元模型的 優勢漸漸凸顯。而在ANSYS軟件中復雜橋梁模型建模困難這一要素，通過與BIM技術 有效結合可大大提高其工作效率。BIM建模軟件Revit可通過拉伸、融合等命令建立族 模型或體量模型，操作過程簡單，能較為快速、便捷的建立出各種復雜模型，且BIM 模型包含結構實體模型建立過程中所需要的幾何信息與材料信息，利用Revit開放性API 接口，可以提取到這些信息并通過數據轉換為ANSYS軟件所利用。
另外，大跨度橋梁，如斜拉橋通常包含預應力鋼筋、拉索等構件，實體單元并不能 模擬這些構件的受力狀態，且由于這類構件通常數量與材料類型較多，在ANSYS中直
- 19 - 接建立與約束需要花費大量的時間，因此如果使拉索、鋼筋等構件自動轉換為結構分析 模型能夠大大提高橋梁結構分析的效率。因此本文以以上兩種單元類型的轉換為開發目 標，通過對 BIM 模型信息提取與轉換，得到適用于 ANSYS 軟件的 APDL 參數化命令流， 通過簡單的用戶圖形界面操作，將BIM模型轉化為有限元分析模型。
3.3ANSYS 實體單元有限元模型的轉換程序實現
3.3.1實體單元模型轉換程序開發思路
在ANSYS軟件中建立實體單元有限元模型時首先要創建幾何模型，要包含其對應 的點模型、線模型、面模型、體模型才能成為一個完整的幾何模型。然而，幾何模型并 不能用作計算分析，只有將其生成有限元模型才能進行力學計算［61］。生成有限元模型就 要對幾何模型進行網格劃分，網格劃分包括定義單元屬性、定義網格控制選項、生成網 格等三個步驟。其中單元屬性包括單元類型、實常數、材料特性等，而BIM模型中就 儲存了我們建立有限元模型所需要的幾何模型信息與實常數、材料特性等信息。為了能 夠更好的利用BIM模型中所包含的大量信息，使之能夠有效轉化為ANSYS軟件建模過 程中可以直接讀取、利用的數據格式文件，本文基于Revit API與ANSYS軟件進行開 發。
實體單元有限元模型轉換總體流程如圖3.2所示。通過Revit API從Revit模型中獲 取材料信息及幾何信息，并將其轉換為 ANSYS 可讀的 APDL 參數化語言，最后結合用 戶圖形界面（GUI）開發，通過窗口信息輸入選擇單元類型、控制網格尺寸，然后對實 體模型進行網格劃分，經過以上流程的轉換，最終可在ANSYS中直接生成網格劃分后 的實體單元有限元模型，其具體實現過程將在下文中逐一闡述。
3.3.2幾何信息的轉換
幾何信息的轉化目前有兩種方法：第一種方法是獲得關鍵點坐標，結合 APDL 命令， 以點、線、面、體的順序生成實體模型，該方法對于復雜異型構件難以準確轉換。因此 本文采用方法二，即通過ACIS數據文件來實現幾何信息的儲存與轉換。Revit軟件中提 供了可將模型轉換為ACIS格式文件的功能，同時ANSYS軟件又能準確讀入這一格式 文件且無信息丟失，因此以ACIS格式文件作為中間翻譯為幾何信息的轉換提供了基礎。
幾何信息轉換流程如圖 3.3 所示，首先我們在模型輸出項目下新建類庫，并命名為 “TOANSYS”，然后按照外部接口構成要件創建外部命令接口，通過用戶圖形界面提示 用戶選擇轉換對象，由于在輸出ACIS格式文件時一般會默認選擇當前視圖界面下的模 型文檔，為保證后面幾何實體模型的輸出的正確性，在選擇族實例輸出對象后，將視圖
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圖 3.2 實體單元有限元模型轉換總體流程
Fig. 3.2 The overall process of solid element finite element model conversion
界面自動切換至 3D 視圖模式。然后通過創建 FilteredElementCollector 收集器將當前視 圖下所有實例收集，并創建過濾器篩選出所選擇的構件。運用 foreach 語句遍歷收集器， 通過RevitAPI提供的GetMaterialIds函數獲取到當前構件的材質ID并儲存在List列表 中。這里需要注意的是，如果用戶未曾給構件賦予材質，程序將無法讀取到該構件的材 質ID,進而會出現異常，導致程序崩潰。因此本文在讀取材質ID時首先進行材質ID
- 21 - 是否存在的判斷，若材質屬性未曾賦予，將彈出提示窗口并高亮顯示沒有材質屬性的構 件，方便用戶進一步處理。
圖 3.3 幾何信息轉換流程圖
Fig. 3.3 Geometric information conversion flow chart
在獲取并儲存所有構件材質ID后，對材質列表去重得到當前所有構件的材質ID集 合。最后以材質類型為過濾條件，將幾何構件分組導出，將具有同一種材料屬性的構件 導出為同一個ACIS文件，為后面匹配單元屬性信息提供有利條件。其中對于導出幾何 模型方法的封裝流程如圖 3.3 所示，其核心代碼如下：
G.Add((list.Count)); //G為相同材質的構件個數
Transaction trans = new Transaction(document, "隱藏圖元"); trans. Start。;// 開啟事務
〃將與當前instance中的元素臨時隱藏
if (instance.Count > 0)
{
view.HideElementsTemporary(instance.Select(elem => elem.Id).ToList()); }
ExportSAT(document, view); //輸出當前視圖 SAT 文檔
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//取消臨時隱藏
TemporaryViewMode mode = TemporaryViewMode.TemporaryHideIsolate; view.DisableTemporaryViewMode(mode);
trans.Commit();〃 關閉事務
3.3.3材料屬性信息的提取與轉換
ANSYS建立模型所需要的材料屬性信息對應到Revit軟件中的具體位置如圖3.4所 示，通過 RevitAPI 接口，可以獲取到該材質類別相關材料物理信息，包括泊松比、楊 氏模量、剪切模量和材料密度等。
圖 3.4 Revit 中材質物理信息界面
Fig. 3.4 Material physical information interface in Revit
由于Revit編程設計思想是面向對象編程的，所以Revit API中包含多種類，通過類 的繼承關系，可以調用到相關屬性。提取材質物理信息所調用的層級關系如圖 3.5 所示， 由于從 Revit 軟件中獲取的信息中長度單位為英尺，因此獲取到楊氏模量、泊松比及密
- 23 - 度后，要先將其進行單位換算，然后將這些信息編譯為標準格式的 APDL 命令流語句并 儲存，其核心代碼如下：
//編譯并儲存至列表
listinput.Add("\r\n" + "MP," + "EX," + k + "," + Convert.ToString(youngMod)+ "\r\n" + "MP,PRXY," + k + "," + Convert.ToString(poisson) + "\r\n" + "MP,DENSY,"+ k + "," + Convert.ToString(unitweight) + "\r\n");
圖 3.5 物理信息提取的層級關系
Fig. 3.5 The hierarchical relationship of physical information extraction
3.3.4信息匹配與輸出
在成功將幾何信息與材料屬性信息轉換后，至關重要的一步是要將轉換后的幾何信 息與物理信息進行匹配，由于前面已經將幾何信息分組導出并賦予不同的編號，這里只 需通過靜態變量獲取到導出后的幾何實體文件編號并在輸出物理信息時關聯此編號，實 現材料屬性編號與之對應生成。最后通過ANSYS軟件的VSEL及VATT命令為逐一導 入后的幾何實體模型賦予對應的材料屬性。
以ACIS格式文件導入后的幾何實體文件單位固定為毫米，而實際在ANSYS計算 過程中用戶常常會用到其他單位，這里通過GUI開發單位轉換設置窗口，通過APDL 縮放命令可以實現幾何模型導入后的單位轉換。其轉換窗口設計如圖3.6所示，通過該
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窗體中的選擇命令，用戶還可以設置幾何ACIS文件及信息轉換過程中APDL命令流文 件的輸出位置。
Fig. 3.6 Output setting window
3.3.5網格劃分
網格劃分是生成有限元模型的最后一步，對于實體幾何模型來說，網格劃分的方式
可采用以下幾種方式:
（1） 體映射網格劃分
要使用體映射網格劃分方式，幾何實體需要滿足多種條件。首先，應滿足該幾何實 體的外形必須為塊狀結構、楔形結構或者棱柱結構、四面體結構，且當幾何實體屬于棱 柱結構或者四面體結構時，三角面上的單元數必須是偶數。其次，對于幾何實體的對邊 所劃分的單元數目必須相同，或者能夠符合劃分過渡網格所滿足的條件。
（2） 掃掠生成網格
掃掠網格劃分的方式是設置源面后從源面開始掃掠整個幾何實體，進而生成體單 元，體單元的網格形狀完全取決于源面的網格形狀，如果源面網格形狀為四邊形，則掃 掠生成的體單元形狀為六面體單元，如果源面網格形狀為三角形，則掃掠生成的體單元 形狀為楔形體單元。通過體掃掠的方式生成的單元網格能夠更加規則，但使用體掃掠網 格劃分同樣需要滿足多種條件。首先，當幾何實體內部存在內腔，也就是說實體內部存 在一個連續封閉的邊界時不能進行體掃掠網格劃分。其次，在進行體掃掠之前需要事先 設定源面與目標面，若源面與目標面不是相對面時不能進行掃掠網格劃分。
（3）自由網格劃分
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自由網格劃分可用于復雜的實體結構和空間自由曲面，對于單元沒有明顯特殊的限 制，也不固定分布模式，其單元形狀可自動適應不同形狀的實體模型，當高階單元形狀 不能滿足網格劃分的要求時，可自動退化至低階單元形狀，能夠滿足絕大多數情況下的 實體模型的網格劃分要求。
由于橋梁構件多屬于復雜異型構件，且對于箱梁結構，其內部存在空腔，形狀不規 則，若要使用體映射或者體掃掠的方式生成網格，需要對實體構件進行多次切割，使其 分割成多個形狀規則的實體模型，由于模型形狀較為復雜，其切割過程中，往往會出現 布爾命令操作失敗的現象，導致網格劃分失敗。為適應不同構件的網格劃分，本文采用 自由網格劃分來實現有限元模型的生成。網格劃分前可事先設定網格單元的尺寸大小， 通過如圖 3.7 所示的窗體下拉菜單選擇實體單元類型并控制單元大小，完成劃分網格前 的設置工作。
Fig. 3.7 Mesh window
該網格劃分形式可適用于大部分實體模型，但對于網格形式及疏密程度有更高要求 的劃分條件不能滿足，如有需要，可在此基礎上通過ANSYS軟件操作或APDL命令， 對網格進行局部細化或更改操作。
3.4ANSYS 桿單元模型轉換程序開發過程
3.4.1桿單元模型轉換程序開發思路
在橋梁建立ANSYS結構分析模型時，常常將力筋、斜拉索建立為LINK單元模型, 當采用等效荷載法建模方式來建立實體模型時，可不獨立建立力筋，但為更詳盡的分析
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結構的力學行為，常常需要采用實體力筋法，即對混凝土與結構力筋分別建模，混凝土 采用 SOLID 單元，力筋采用 LINK 單元系列。而實體力筋法建立力筋時有三種處理方 式，分別是實體切分法，節點耦合法和約束方程法。
實體切分法是在創建實體后，用工作平面對混凝土實體進行切分，最終形成多個復 雜體模型和多條力筋線。然后對實體與力筋線分別賦予單元屬性并進行單元劃分，但此 方法需要基于實體幾何模型進行處理，當力筋及實體模型復雜時，建模較為困難，常常 出現布爾操作失敗的現象。
節點耦合法的思路為分別建立實體結構幾何模型和力筋的幾何模型，不必考慮二者 的關系，然后分別對幾何實體與力筋模型進行單元劃分，劃分完成后將節點耦合將力筋 單元兩端節點與最近的實體單元節點聯系起來。該方法需要將幾何實體單元劃分的足夠 密以保證力筋節點附近存在實體單元節點。但該方法在實體模型內存在大量復雜的力筋 線時能夠有效進行處理。
圖 3.8 結構桿單元模型轉換流程
Fig. 3.8 Model conversion process of structural rod unit
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約束方程法與節點耦合法的基本原理相似，較節點耦合法，約束方程法通過CEINTF 命令在力筋單元節點與混凝土單元節點之間建立約束方程，通過多組約束方程將力筋單 元與混凝土單元連接起來。
因為通過 Revit 模型可直接提取到力筋的端點坐標，因此本文采用節點耦合法建立 力筋或斜拉索與實體單元模型之間的連接，通過賦予LINK單元模型節點一定的容差， 單元兩端節點分別與附近的節點耦合起來。
經過以上分析，可以得出桿單元模型的轉換流程如圖 3.8 所示，首先，應提取 Revit 模型中桿件的端點坐標，通過數據轉換，在ANSYS中建立節點，然后通過窗口輸入定 義單元屬性，最后通過節點，建立桿件對應單元，并賦予其相應的單元屬性。實際結構 建模過程中，往往多個桿件結構具有同一種單元屬性，因此為減少信息的重復輸入，本 文在定義單元屬性時，有效結合數據庫開發，通過數據庫儲存相關信息，提高數據的轉 換效率。并且通過數據庫保存相關坐標信息和單元屬性信息，也可為設計過程中的信息 共享提供便利，最后將桿單元與實體單元進行連接，完成桿單元的建立。
3.4.2用戶界面設計
ANSYS軟件中可定義多種類型的桿單元模型，其中橋梁建模常用的單元包括3D桿 單元(LINK8)、3D有限應變桿單元(LINK180)以及3D僅拉或僅壓桿單元(LINK10) 等多種類型單元模型，根據受力分析的不同需求，用戶可以選擇不同的桿單元類型，針 對以上三種單元類型，本文建立其對應的信息輸入窗口，通過窗口輸入添加與設置單元 信息并建立單元，其具體開發過程如下：
圖 3.9 LINK8/LINK10 單元轉換窗口
Fig. 3.9 Conversion window of LINK8/LINK10 unit
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首先對各單元的輸入窗口設計并開發，如圖3.9所示為LINK模型轉換的操作窗口， 因LINK8與LINK10單元輸入參數相同，故將其合并為同一個輸入窗體，LINK180單 元輸入窗體與此相似。模型轉換過程中，我們需要為轉換后的桿單元模型設定單元編號， 并賦予其相匹配的單元屬性，通過下拉列表控件可以實現材質的選擇命令，在未曾給該 項目添加任何的材質屬性前，下拉菜單中將不會出現任何的值，只有通過添加材質按鈕 為項目添加需要的材質屬性后，刷新下拉列表，才能將添加過所有材質類別編號顯示在 下拉列表中，這一過程將數據庫信息與下拉列表進行綁定。點擊添加材質按鈕，打開添 加材料屬性窗口如圖3.10所示，通過對比LINK8、LINK10、LINK180單元可以得到， 其定義單元屬性時都需要定義截面面積、初始應力、彈性模量、密度、泊松比等。其中 在定義LINK8單元及LINK10單元時，可以直接輸入其初始應變，但由于設計過程中往 往通過初始應力大小進行設計計算，為避免需要人為計算初始應變而浪費時間，這里只 需要輸入初始應力大小，程序通過應力與應變的關系自動計算初始應變。其應力應變關 系為：
o = E*E (2.1)
其中，o、£、E分別為應力、應變、彈性模量。
而對于LINK180單元，無法直接輸入初始應變，但可以通過ISTRESS命令或ISFILE 命令讀入初始應力來完成初始應力的添加，若桿件不存在初始應力，則添加材料參數時 設置初始應力為 0值即可。
圖 3.10 材料屬性輸入窗口
Fig. 3.10 Input window for material properties
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3.4.3桿單元模型轉換程序的實現
首先第一步，在原有項目下新建類并命名為“LinkClass”，該類旨在通過RevitAPI 獲取桿件模型的端點坐標信息，具體實現過程如圖3.11所示，在LinkClass類中設置靜 態變量J、K,令其分別儲存最終得到的端點坐標，通過添加靜態變量，可以實現該類 與其他組件之間的參數傳遞，為后面調用坐標參數信息提供條件。
圖 3.11 獲取桿件端點坐標過程
Fig. 3.11 The process of obtaining the coordinates of the bar's end point
第二步是實現單元轉換界面窗體的開發。窗體設計頁面如圖 3.9 所示，通過單元轉 換窗體中的添加材質按鈕，調用出如圖 3.10 所示添加材料屬性窗口，該窗口作為往數據 庫中儲存大量數據的入口，將每一個文本框與數據庫中相對應參數進行綁定，其綁定過 程中核心代碼如下：
string labl = this.kryptonTextBoxl.Lines[0];〃 材質編號
string lab2 = this.kryptonT extBox3 .Lines[0];// 截面面積
double a=Convert.ToDouble(this.kryptonTextBox4.Lines[0])/(Convert.ToDouble(this.k ryptonTextBox3.Lines[0])*Convert.ToDouble(this.kryptonTextBox5.Lines[0]));〃 根據初始 應力自動計算初始應變
string lab3 = a.ToString();〃 初始應變
string lab4 = this.kryptonT extBox5 .Lines[0];// 等效彈性模量
string lab5 = this.kryptonTextBox2.Lines[0];〃 密度
string lab6 = this.kryptonTextBox6.Lines[0];〃 泊松比
string lab7= this.kryptonTextBox4.Lines[0];〃 初始應力
string str = "Server=localhost;user id=root;password=1234;port=3306;database=bridge;"; //連接數據庫
MySqlConnection con = new MySqlConnection(str);
con.Open();
string sql=string.Format("insert into link values({0},'{1}','{2}','{3}','{4}','{5}', '{6}','{7}')", "null", labl, lab2, lab3, lab4,lab5,lab6,lab7);〃定義數據庫命令
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MySqlCommand cmd = new MySqlCommand(sql, con);
int result = cmd.ExecuteNonQuery();〃 執行數據庫命令
在進行數據庫數據綁定前，需要事先在數據庫中建立相應的庫及數據表，其數據表 的參數設置如圖 3.12所示，分別在數據庫中為材質編號、截面面積、初始應力、初始應 變、等效彈性模量、密度和泊松比建立其對應的列，由于整個開發不需要對數據進行計 算，所以數據類型全部設置為字符類型(varchar),除此之外，還要建立一個特殊的id 列，數據類型為長整型(bigint),設置其為主鍵，主鍵代表id列中的數值具有排他性, 在該表中每一個id編號都是唯一的。另外，設置id列中的數據為自增，當我們插入一 行數據時，表格會根據當前id編號順序自動生成新的id數據。至此，數據庫表格建立 完成，下面就可以基于此數據表進行數據的儲存與查詢。
表名稱卩i址 引擎 InnoDB
數據庫bridge 字符集ut£8 -1
核對 ut£8_general_ci 4
r i列 尾| 2個索引片 丿3個外部鍵 iff鎬鄉 5與5個SQL預覽
叼隱藏語言選項
□ 列名 .>» — 數據類峑 長度 默認 主誕？ 非空？ Unsigned 自瑁？ Zerofill? 更新 注釋
□ id bigint 100 F1 EJ □ □ □ □
□ number varchar 100 □ 0 □ □ □ □
□ area varchar 100 □ □ □ □ □ □
□ strain varchar 100 U □ □ □ □ □
□ youngMod varchar 100 □ □ □ □ □ □
□ dens varchar 100 □ □ □ □ □ □
□ nuxy varchar 100 □ □ □ □ □ □
□ force varchar 100 □ □ □ □ □ □
□ □ □ □ □ □ □
< >
保存 還原
圖 3.12 數據庫中材料屬性數據表的設置
Fig. 3.12 The setting of the material attribute data table in the database
數據綁定完成后，通過添加材質按鈕，可一次性完成所有材料屬性和實常數的添加。 通過添加材質界面輸入信息并儲存到數據庫中，再次連接并讀取數據庫，所有材質類型 編號將自動讀入到選擇材質的下拉列表中。并可通過詳情頁查看和修改相關數據。為模 型設置單元編號及材質編號后即可實現桿單元模型的轉換，程序關鍵代碼如下：
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//根據坐標及材質編號創建桿單元模型(為適應 ANSYS 軟件顯示習慣，本文全文 中均將轉換后的模型Y向與Z向互換)
Writetxt.WriteLineMessage("\r\n"+"ET,l0,LINKl0"+"\r\n"+"N,"+j.ToString()+","+Link class.J.X.ToString()+","+Linkclass.J.Z.ToString()+","+Linkclass.J.Y.ToString()+"\r\n"+"N," +(j+l).ToString()+","+Linkclass.K.X.ToString()+","+Linkclass.K.Z.ToString()+","+Linkclas s.K.Y.ToString()+"\r\n"+"TYPE,l0"+"\r\n"+"REAL,"+N+"$MAT,"+N+"\r\n"+"EN,"+i+","+ j.ToString()+","+(j+l).ToString() + "\r\n");
針對桿單元模型在與實體單元模型約束時工作量較大這一問題，本文增加了“連接 到實體模型”功能。ANSYS參數化命令NSEL可通過坐標范圍選取節點，本文將模型 中提取到的桿件坐標擴大一定范圍，并分別放置到生成NSEL命令的程序中，實現桿端 節點的選擇，然后通過生成CP命令，實現桿端節點與實體模型中臨近節點的耦合作用。 在窗口中勾選此選項，可在桿單元模型創建后，自動與實體單元模型約束。桿單元創建 及約束命令將生成相對應的APDL程序，其中部分命令流如下所示：
ET,l0,LINKl0
N,20000002l,-242.5,-0.739,-l0.8
N,200000022,-l30.9,35.372,-l0.8
TYPE,l0
REAL,44$MAT,44
EN,l000000ll,20000002l,200000022
NSEL,S,LOC,X,-242.8,-242.2
NSEL,R,LOC,Y,-l.039,-0.439
NSEL,R,LOC,Z,-ll.l,-l0.5
CP,NEXT,ALL,ALL
ALLSEL
NSEL,S,LOC,X,-l3l.2,-l30.6
NSEL,R,LOC,Y,35.072,35.672
NSEL,R,LOC,Z,-ll.l,-l0.5
CP,NEXT,ALL,ALL
ALLSEL
通過自動化生成APDL程序，實現桿單元與實體單元的自動連接，大大減少了模型 受力分析的前處理工作。除此之外，本文提取桿件對應端點坐標、類型標記、材質名稱 并儲存于數據庫中，為后期施工過程中對不同桿件的準確定位及設計過程中的信息共享 與交換提供方便。
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3.5結構分析模塊程序的設計與實現
3.5.1 結構分析模塊程序開發思路
相對于其他單元，實體模型在模型建立、網格劃分、添加約束、施加荷載過程中需 要更多的工作量。因此本文希望通過基于Revit軟件開發，實現在Revit操作界面中通 過窗體界面的輸入和模型的選擇就可以完成結構模型的基本分析工作，而后也可在基本 分析計算后疊加其他分析工作。一個完整的結構分析至少包含施加自由度約束、施加荷 載、求解、結果顯示等功能，通過與Revit模型進行交互，提取所選對象相關信息并進 行處理，結合窗口中選擇與輸入的數據，將每一項功能自動編譯成ANSYS可讀的APDL 程序文件，進而可實現對應的分析功能。
Revit軟件本身不具有結構分析與求解的功能，要實現直接在Revit軟件中進行結構 分析，其基本原理是將在Revit軟件中提取與輸入的信息轉換為結構分析軟件所能夠識 別的數據文件，將轉換后的文件導入到結構分析軟件中即可實現結構的受力計算，因此 本文針對不同的分析功能進行開發，在基于Revit軟件與BIM模型操作過程中生成相對 應的APDL程序,該程序能夠被ANSYS軟件準確讀取并運行。其具體功能劃分如圖3.13 所示，包括施加約束、施加荷載、求解、結果顯示四個模塊。其中施加約束功能考慮約
圖 3.13 結構分析模塊功能劃分圖
Fig. 3.13 Functional division diagram of structural analysis module
束的對象與約束的方向，約束對象是指我們要約束的主體，包括點、線、面。Revit軟
件本身不能夠直接選擇模型上的點、線、面，通過Revit API調用PickObject函數可實
現對象的選擇功能，選擇對象后獲取相關坐標點，將坐標信息與APDL命令中的SEL
命令結合便實現對于約束主體的選擇。同理，施加荷載功能模塊中對于加載對象的選擇
實現方法與此相同，這一過程通過從IExternalEventHandler接口派生，實現外部事件處
- 33 - 理程序，使應用程序與 Revit 軟件進行交互。施加荷載模塊以荷載類型的不同分別建立 輸入頁面，當前荷載類型包括集中荷載、面荷載、體荷載及慣性荷載，根據需要加載的 荷載類型選擇頁面并輸入對應參數即可實現荷載條件的施加。求解與結果顯示模塊不涉 及到與 Revit 模型的交互，通過窗口應用程序開發即可實現相關功能。
3.5.2WPF 界面事件設計與實現
(l)WPF 介紹
WPF (Windows Presentation Foundation)中文翻譯為 “Windows 呈現基礎”，是微 軟新一代的圖形系統，支持在.NET Framework 3.0及以上版本運行，相對于傳統的 Windows客戶端來說，WPF具有豐富的.NETUI框架，在各類復雜的界面設計上，較 Winform窗體更具有優勢。且在Revit二次開發中Autodesk Revit團隊優先推薦使用WPF 進行界面開發［62］。綜合WPF開發的優勢，本文選擇使用WPF進行結構分析模塊的界面 設計與開發。
在進行 WPF 界面設計之前，要先選擇窗體應用的形式，窗體應用包括模態窗體、 非模態窗體兩種形式。其中模態窗體在窗體加載事件觸發后，需要將此窗體關閉才能進 行其他界面操作，而非模態窗體在窗體加載事件觸發后，可以在不關閉該窗體的狀態下 對Revit進行操作。模態窗體更適用于彈出如警告或錯誤命令的對話框窗體，而非模態 窗體適用于對結構分析模塊操作界面中各個窗體的開發，因此本部分內容采用非模態窗 體進行開發。
( 2)結構分析模塊主界面設計
根據結構分析功能劃分，將操作界面劃分為一個主窗體關聯多個子頁面的形式，圖 3.14所示為結構分析主窗體界面，通過在主窗體中添加Frame控件，可以將各個頁面顯 示在主窗體內并可對其進行操作。將結構分析模塊劃分為施加約束、施加集中荷載、施 加面荷載、施加體荷載、施加慣性荷載、求解控制及結果顯示共七個頁面，通過為主界 面上的 BUTTON 按鈕設置單擊事件實現對應頁面的調用，與常規調用窗體的方式不同， 這里調用窗體時是通過為Frame控件設置統一資源標識符(URI)的方式來實現的，其設 置代碼如下：
this.Framel. Source = new Uri("Pagel.xaml", UriKind.RelativeOrAbsolute);
如圖3.15所示，程序運行后在Frame控件中顯示施加約束頁面，通過BUTTON按 鈕進行選擇可以替換為其他操作頁面。
(3)施加約束頁面設計與實現
首先，根據ANSYS操作命令規則與輸入條件，對該頁面中控件進行設計與添加。 通過添加ComboBox控件實現對約束方向的選擇，設置該控件集合(Items)屬性中的
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圖 3.14 結構分析模塊主窗體
Fig. 3.14 The main window of the structural analysis module
圖 3.15 施加約束操作界面
Fig.3.15 Operation interface for imposing constraints
各項為UX、UY、UZ、及ALL,程序運行時，即可在下拉列表中顯示相應的信息供用
戶選擇。通過APDL命令對有限元模型進行約束時，首先要通過NSEL、LSEL或ASEL
命令對約束的對象進行選擇，選擇的數量可以是一個或者多個，其具體操作對象可根據
SEL命令中給定的坐標范圍進行限定。選擇命令中數據的填充通過如圖3.15所示頁面中
文本框中的數據綁定實現，用戶可以根據模型信息手動輸入坐標范圍，也可以點擊選擇
按鈕，通過Revit外部事件，直接選擇模型中已有的模型點、模型線或者模型面。在Revit
- 35 - 軟件中默認選擇命令為選擇實體模型，因此對于點、線、面的選擇需要使用外部事件來 實現非模態對話框，在窗體不關閉的情況下，實現對模型的選擇與模型數據的獲取。
通過外部事件來實現非模態對話框的步驟如下：
①過 IExternalEventHandler 接口派生，實現外部事件處理程序。
②用靜態方法ExternalEvent.Create()創建外部事件。
③當非模態對話框發生需要進行 Revit 操作的事件時，調用 ExternalEvent.Raise() 引發事件。
④當存在一個可用的空閑時間周期時,Revit將調用IExternalEventHandler.Execute() 方法的實現過程。
本文根據施加約束頁面中約束對象的不同分別建立了選擇點、選擇線、選擇面三個 外部事件，頁面中的約束對象選擇按鈕為單選按鈕，程序根據用戶的選擇判斷調用哪一 個外部事件。基于Revit模型選擇對象后，程序自動獲取選擇對象的坐標，并將坐標傳 遞到頁面中輸入范圍對應的文本框中，用戶也可在現有基礎上進行修改，操作靈活。
其中，選擇面外部事件的創建過程如下：
①新建項目，添加一個新類，命名為SelFace,項目應用程序輸出類型設置為類庫。
②采用Execute()方法實現外部事件處理接口(IExternalEventHandler)。
③獲取當前活動文檔，通過調用Selection類中的PickObject函數實現面的選擇功 能，其 ObjectType 屬性定義為 Face。
④調用 GetGeometryObjectFromReference 函數獲取到當前所選擇的面。
⑤遍歷面上的所有線，取到各線上兩點坐標，通過 Transform 類將其從族坐標轉換 為項目坐標。
⑥將獲取到的坐標信息儲存在列表中并去除重復數據，由于取到的坐標單位為英 尺，因此這里要進行單位轉換。
⑦通過施加約束頁面中的選擇按鈕引發該外部事件，并設置靜態變量將處理后的 坐標信息傳遞并顯示在約束范圍選項所對應的文本框中。
選擇線及選擇點外部事件創建的總體思路與選擇面大致相似，這里便不在贅述。
(4)集中荷載施加頁面設計與實現
集中荷載的加載頁面設計如圖3.16中的a所示，荷載加載方向設有X、Y、Z三個 方向，通過文本框輸入荷載大小，荷載單位為默認為國際單位，ANSYS軟件本身并不 存在單位的設置，用戶在輸入單位時若選擇其他單位，則在ANSYS中讀取分析結果時 需要注意應力、應變的單位變化。可加載集中荷載的對象包括模型節點、關鍵點，其中 凡是在Revit模型中可以識別到的點經過模型轉化后在ANSYS中以關鍵點的形式存在，
- 36 - 網格劃分后生成的單元上的各點類型為節點，因此要對模型內部的一點或多點施加集中 荷載時，應選擇加載對象為節點，對模型上角點施加荷載時可選擇加載對象為關鍵點。 其加載對象的選擇與施加約束頁面中約束對象的選擇方式相同，將選擇得到或直接輸入 的坐標從文本框中提取，可實現加載對象的選擇操作，部分核心代碼如下：
string f = cbb2.SelectedItem.ToString();〃獲取加載方向選擇項
//對節點施加集中荷載
if (rb 1 .IsChecked==true)
{
a="N";
〃生成APDL命令流并儲存
PG5.Add("/PREP7" + "\r\n" + a + "SEL,S,LOC,X," +tb2.Text+ "," + tb3.Text +"\r\n" +a+"SEL,R,LOC,Y," +tb7.Text+","+tb8.Text+"\r\n" + a+"SEL,R,LOC,Z," +tb4.Text+ "," + tb5 .Text +"\r\n" + "F,ALL," +f+","+tb1.Text+"\r\n" +"ALLSEL");
}
(5)面荷載施加頁面設計與實現
面荷載加載頁面設計如圖3.16中的b所示，輸入選項設置包括是否設置荷載梯度、 荷載基值、加載對象及加載范圍。當荷載存在梯度時，需要選定梯度的方向并設置斜率 值。若荷載梯度選項設置為無，則代表沒有添加荷載梯度，此時便不需要對梯度方向與 斜率進行設置。面荷載加載的對象包括節點、線、面及單元，分別通過SF、SFL、SFA、 SFE命令對其進行設置。部分核心代碼如下：
//荷載梯度
if(CBB1.SelectedIndex==1)
{
PG6.Add("SFGRAD,PRES,," + CBB2.SelectedItem.ToString() + "," + tb1.Text + "," + tb10.Text+ "\r\n");
}
〃加載對象為節點時，生成并儲存APDL命令
string a = "N";
if (rb 1 .IsChecked == true)
{
PG6.Add("/PREP7" + "\r\n" + a + "SEL,S,LOC,X," + tb2.Text + "," +tb3.Text+
"\r\n" + a + "SEL,R,LOC,Y," +tb7.Text+"," +tb8.Text+"\r\n"+a+"SEL,R,LOC,Z,"
+tb4.Text+ "," + tb5.Text+"\r\n" + "SF,ALL,PRES," + tb1.Text+ "\r\n" + "ALLSEL");
}
- 37 -
(6)體荷載施加頁面設計與實現
體荷載加載頁面如圖3.16中c所示，其加載選項設置包括荷載大小、加載對象及加 載范圍。程序設置通過TextBox控件讀入體荷載大小，并以參數形式傳入到輸出命令中， 加載對象可以選擇節點、關鍵點、單元、線、面、體等六種類型，分別通過BF、BFK、 BFE、 BFL、 BFA、 BFV 命令實現體荷載的加載過程。
(7)慣性荷載施加頁面設計與實現 慣性荷載的施加主要有加速度、角速度和角加速度，但在橋梁結構設計過程中，慣
性荷載主要指加速度荷載，因此本頁面僅針對加速度荷載進行設計，設置選擇包括加速 度的方向和加速度大小。最常用到的重力荷載的施加，便是通過施加加速度荷載來實現 的。
(8)求解控制選項頁面設計與實現 目前的結構分析模塊主要針對靜力分析，因此求解控制選項也是針對靜力分析進行
設計。分析類型默認為 STATIC 類型，控制選項包括大變形效應、預應力效應、激活應 力鋼化效應及時間控制選項。核心代碼如下：
PG3.Add("/SOLU"+"\r\n"+"ANTYPE,STATIC" + "\r\n");〃 分析類型默認為靜力分析 if (rb 1 . IsChecked==true)
{
PG3.Add("NLGEOM,ON" + "\r\n");//打開大變形效應，默認為關
}
if (rb2.IsChecked==true)
{
PG3.Add("PSTRES,ON" + "\r\n");// 打開預應力效應
}
if (rb3 .IsChecked == true)
{
PG3.Add("SSTRF,ON" + "\r\n");// 激活應力鋼化效應
}
PG3 .Add("TIME,"+TB 1 .Text+ "\r\n"+ "NSUBST,"+TB2.Text+","+TB3.Text+","+TB4.Text + "\r\n");// 定義時間及時間步
(9)圖形結果顯示頁面設計與實現 常用的圖形結果顯示功能包括顯示結構變形圖、顯示節點結果圖，顯示單元結果圖
等，這里僅開發最常用的部分功能供用戶選擇，包括顯示結構變形圖、顯示不同方向位 移云圖、顯示各方向應力云圖等。結構變形圖選項通過RadioButton控件設置單選按鈕,
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荷 sag：
面荷載
方向:
選擇
荷載基值：
注“若無荷勖9箕則別&方旬與斜率，
注克：可通乜透Ji樓型中的點
Sfi.面、體自阪鈕標4
單元
(b)面荷載加載頁面
求解控制
分析類型:
STATIC
大變形效應:
° OFF
(默認)ON
孩應力效應:
OFF
激活應力鋼化效應:
時問:
(默認)c0N
子步數:
最小子步數:
最大子步數:
OFF
(默認)ON
(f)圖形顯示結果控制頁面
(e)求解控制頁面
圖 3.16 結構分析模塊各頁面設計
Fig. 3.16 Design of each page of structural analysis module
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位移云圖及應力云圖通常會需要查看多個方向，因此通過CheckBox控件設置多選按鈕。 其部分數據轉換代碼如下：
PG4.Add("/POST1"+ "\r\n"+"PLDISP," + A.ToString() + "\r\n");// 結構變形圖選項 if (CB1.IsChecked==true)
{
PG4.Add("/POST1" + "\r\n" + "PLNSOL,U,X,0,1.0" + "\r\n");//位移云圖 X 向
}
if (CB5.IsChecked == true)
{
PG4.Add("/POST1" + "\r\n" + "PLNSOL,S,X,0,1.0" + "\r\n");//應力云圖 X 向 }
3.6本章小結
本章基于RevitAPI所開發的接口程序，可以實現將斜拉橋BIM模型轉換為包含實 體單元、桿單元的有限元分析模型，為建立精細化結構分析模型提供有效途徑。另外， 開發的數據庫可以儲存桿單元的單元屬性信息及坐標信息，并可進行修改與同步，為施 工過程中構件準確定位及設計過程中信息的共享與交換提供了有利條件。
在實體單元模型轉換的基礎上開發了實體單元加載與求解及部分后處理操作程序， 實現了直接在Revit中對有限元模型進行施加約束、施加荷載、求解、結果顯示等操作, 操作難度大大降低，提高了橋梁結構分析效率。由于ANSYS具有多種結構分析功能， 將所有功能完全開發到Revit軟件中工作量非常大，做到通用難度更大，故本文目前先 開發了靜力分析過程中的基本功能，可在此基礎上根據需要進行更深程度的開發或分 析。通過以上界面的簡單操作，即可實現對橋梁結構基本的力學分析，簡化結構分析操 作流程，能夠進一步提高設計人員工作效率。
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4基于 Revit 的橋梁設計信息管理系統開發
橋梁建設周期長、施工工序繁多，在設計過程中與業主、施工單位、監理單位等協 同工作時會產生大量的數據資料，傳統的人工管理方式不能有效的對資料進行歸類整 理，導致文件數據大量積累而不能夠有效利用，為設計管理工作帶來不便。因此本章將 設計過程中涉及到的所有數據信息集成于同一平臺，基于Revit軟件實現對數據的存儲、 管理與交換，能夠高效管理項目設計過程中各階段的資料，設計單位可通過登錄賬號從 此平臺查閱相關資料，結合數據庫平臺，真正實現項目數據信息的分類、查詢，有助于 設計單位掌握項目當前進展情況，為合理制定下一步工作計劃提供依據。
4.1橋梁信息管理平臺實現原則和總體結構設計
4.1.1平臺實現原則
橋梁設計信息管理平臺為橋梁設計單位中結構、建筑、BIM、給排水設計等各專業 工作人員提供了統一的平臺，基于BIM模型實現信息集成和共享，與橋梁BIM模型設計、 結構模型轉換與分析等聯合使用，使橋梁設計過程中的信息交換更加方便，數據更加集 中統一，為橋梁正向設計過程提供有效技術支持。
橋梁設計過程中，由于要涉及到設計單位與業主、施工單位等多個單位的協同工作， 信息繁多而無序，因此要遵循一定的工作流程，并借助數據庫技術，形成高效的信息管 理機制，確保信息形式統一、完善，做到信息的及時更新，通過完整有序的信息管理使 項目管理者能夠更加清晰明了的了解當前進度，為項目管理提供決策支持。
作為統一的設計信息管理平臺，應對項目設計信息進行科學的結構分解，科學的結 構分解是實現工程項目設計過程精細化管理的前提。通過對設計不同階段出現的不同類 型信息進行科學分類，為橋梁設計提供一種穩定、高效的信息管理方法。
4.1.2橋梁設計信息管理平臺總體結構設計
（1）系統框架結構
系統利用MVC架構和數據庫技術實現平臺信息化管理，MVC模式在界面顯示和用 戶系統交互方面具有突出的表現能力。在系統設計時，MVC框架將應用程序劃分為表現 層、業務邏輯層和數據訪問層共三個層級，MVC框架使程序功能模塊和顯示模塊互相分 離。其三層架構的模式完美體現了“高內聚、低耦合”的編程思想［13］。不同層級之間通 過模型進行雙向數據傳遞，使各層級之間依賴性降低。同時，三層架構結構劃分清晰， 可維護性、可擴展性高，能夠適應多種需求變化。
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（2）平臺總體結構設計 平臺采用三層架構模式進行設計，以一個項目設計周期為單位進行展開，如圖 4.1 所示，為平臺總體結構設計圖，基本功能包括用戶管理、文檔管理、 BIM 模型管理、系 統應用、系統設置等。以文檔信息管理為主線，完善其各類系統功能。系統開發包括用 戶輸入界面開發、數據處理程序開發以及數據庫讀寫與查詢功能開發，整個開發過程中， 數據庫是信息處理的核心平臺。通過橋梁設計信息管理平臺，實現設計信息的結構化、 標準化管理，為項目實施過程中數據的高效傳遞提供便利，為項目決策提供準確的數據 來源。
圖 4.1 平臺總體結構設計圖
Fig. 4.1 Overall structure design of the platform
4.2文檔管理功能模塊的設計與實現
4.2.1文檔類別劃分
隨著橋梁工程項目規模的不斷擴大，不僅橋梁設計難度及復雜程度增加，其在橋梁 設計過程中的組織管理工作難度也不斷增加，面對種類繁多的圖紙和文檔，設計工作人 員在對其進行儲存、查詢和流轉都需要浪費大量的時間與精力。通過對設計過程中文檔 管理功能模塊的開發，可以對設計不同階段的文檔分類并針對性設計其管理頁面，使設 計單位對設計文檔的管理更清晰明確，通過結合應用程序開發與數據庫開發對文檔相關 屬性進行填寫與儲存，可以快速的實現文件的查詢與更改工作，為設計過程中的管理工 作帶來方便。
針對橋梁設計過程中設計文檔的分類如圖4.2所示，按照設計階段文檔類別的不同， 將其劃分為設計任務書、設計方案、初步設計圖紙、施工圖紙、設計聯系單、變更管理
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記錄、變更圖紙、工程洽商記錄、會議通知、會議記錄、技術交底等，針對不同的文檔 類別管理需求，將對其進行分別設計。
圖 4.2 設計文檔類別劃分圖
Fig. 4.2 Design document classification diagram
4.2.2功能設計
根據文檔操作需求，為每一類別下設計文檔創建列表顯示與查詢頁面、文件添加頁 面、文件修改頁面、文件查看頁面共四個頁面。以設計任務書為例，將其分為收到與發 出兩個操作界面，將其常用信息分別儲存到本頁面所對應的數據庫中，并在當前界面中 顯示，其內容包括：項目類別、文件編碼、文件名稱、發件人、收件人、詳細信息、專 業、是否完成、導入文件、創建時間、創建人、更新時間、更新人等。其列表顯示與查 詢頁面如圖 4.3 所示，將整體界面劃分為查詢操作欄，數據顯示欄，并對列表中的行添 加右鍵功能選項。
圖 4.3 設計任務書操作頁面設計
Fig. 4.3 Design ofthe operation page ofthe design task book
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其中查詢操作欄可通過查詢項目、發件人、是否完成、文件創建日期及文件名稱對 文件進行過濾，文件名稱選項可進行模糊查詢操作，無需輸入完整文件名稱。列表顯示 欄能夠以表格的形式顯示當前已添加過的所有文件，并將文件信息按照既定順序顯示在 當前列表中，當用戶通過文件名稱或其他信息找到該文件所在行時，可以通過點擊文件 列所含按鈕直接打開對應文件，并且將鼠標指針放置在文件按鈕上時，若文件存在，將 顯示其所處磁盤位置。右鍵選項功能包括對當前選中行的刪除、查看與修改，右鍵操作 完成后界面隨即自動更新，顯示操作后的數據列表。
由于儲存項目較多時往往容易出現信息讀取錯誤，本系統添加了信息查看頁面，通 過右鍵中的查看選項或雙擊當前行即可調用其對應窗口。通過界面中添加按鈕及右鍵選 項中修改按鈕同樣可分別調用出其對應的窗口，如圖4.4所示，為信息查看與修改文件 頁面，其中信息查看頁面將信息類別名稱與文件信息以不同顏色區分，并將頁面設置為 半透明狀態。修改文件頁面在調用時，會將當前已存在的信息顯示在各項信息對應的文 本框中，用戶可以在此基礎上進行修改并保存。添加文件頁面設計與修改文件頁面大致 相同，其中將項目類別、文件編碼、文件名稱三項設置為必填選項，用戶可通過導入文 件選項對應按鈕在計算機中選擇相關文件，系統將自動讀入并將文件復制到相關文件夾 下。其他文檔類別下的相關頁面設計及功能設置與設計任務書頁面大致相同，這里便不 在贅述。
圖 4.4 信息查看與修改頁面設計
Fig. 4.4 Information viewing and modification page design
4.2.3文檔管理功能實現過程
(1)子窗體與主窗體
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在實現文檔管理的過程中，常常需要關聯多個頁面，通過特定的按鈕實現不同頁面 的調用與操作，這里便需要建立子窗體與主窗體之間的聯系，實現多個子窗體顯示在同 一個主窗體界面中。如果把主窗體比作一個大的容器，那么子窗體就是這個容器里裝的 一個更小的容器，本系統通過Dockpanel控件實現各個子窗體的停靠，其具體過程如下:
①建立主窗體，修改窗體IsMdiContainer屬性為True,將其設置為主窗體。
②添加weiFenLuo.winFormsUI.Docking.dll引用，然后將在工具箱中出現dockPanel 控件，將其添加在主窗體中，并設置其Dock屬性為fillo
③新建需要在界面中顯示的子窗體，然后修改子窗體的繼承關系，使其繼承于 WeifenLuo.WinFormsUI.Docking.DockContent 類。
④點擊子窗體調用按鈕，獲取當前子窗體所對應顯示的主窗體，并將該窗體顯示 在主窗體下的Dockpanel控件中。
（2）菜單欄創建
本系統的菜單欄一共有三個：文檔菜單欄、用戶菜單欄和右鍵菜單欄。其中文檔菜 單欄為與用戶菜單欄為同一類型，需要另外建立窗體進行添加與設置。右鍵菜單欄又名 上下文菜單，即右擊某個控件或窗體時出現的菜單，通過窗體中添ContextMenuStrip控 件實現。菜單欄內容的編寫需要遵循一定的格式要求，具體要求為：菜單欄形式為樹狀 邏輯關系，首層是菜單段，可以在菜單段以下設多個、多級子菜單或者菜單項，其內容 與個數不受限制，但應符合基本包含或并列的邏輯關系。
Tr&eNode編輯器
圖 4.5 TreeNode 屬性設置
Fig. 4.5 TreeNode property settings
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文檔菜單欄與用戶菜單欄的功能主要是通過TreeView控件來實現的。TreeView控 件可顯示多個Node對象，每個Node對象均包含一個標簽和一個可選的位圖，一般用 于顯示文檔，能被有效的分層顯示，如索引、目錄等信息。創建文檔菜單欄或用戶菜單 欄首先要新建菜單欄子窗體，在窗體中添加 TreeView 控件，并設置其 Nodes 屬性，如 圖 4.5 所示，通過添加節點，將所有包含的選項添加到集合中，并根據需要設置其圖形 類型。在通過菜單欄進行選擇時，首先要獲取所選擇項的Text屬性，然后通過switch 語句實現各節點與子窗體的調用。
創建右鍵菜單欄，首先要在窗體中添加 ContextMenuStrip 控件，然后添加相應的列 表內容，本文添加了刪除、查看及修改文件共三項內容，分別為其添加單擊事件并填充 代碼。查看、修改文件等單擊事件發生時會分別調用其對應的窗體，通過窗體操作可再 實現其他命令。刪除事件發生時，程序將再次連接數據庫，借助 SQL 刪除命令語句實 現當前文檔在數據庫中對應信息的刪除操作，并刷新當前頁面。
(3)添加文件功能實現 所有類別文檔管理頁面都包含對文件及信息的添加功能，因此要針對不同類別文 檔，在數據庫中分別建立對應的數據表并與之關聯，實現數據的實時更新。以收到的任 務書文檔管理為例，程序要自動讀取用戶通過窗體輸入的信息，并將其轉化為數據庫可 以讀取并運行的信息，其文件添加頁面中所輸入的信息都要實時的儲存到數據庫中，并 在顯示頁面中更新。其核心代碼如下：
if (YanZheng())〃 驗證非空{
if (Isonlyone()){
String labl = this.kryptonTextBoxl.Text;//項目類別
String lab2 = this.kryptonTextBox2.Text;//文件編碼
String lab3 = this.kryptonTextBox3.Text;//文件名稱
String lab4 = this.kryptonTextBox4.Text;//發件人
String lab5 = this.kryptonTextBox5.Text;//收件人
String lab6 = this.kryptonTextBox6.Text;//詳細信息
String lab7 = this.kryptonTextBox11 .Text;//專業名稱
string lab8="";//是否完成
if (this.kryptonRadioButton1 .Checked == true){
lab8 = "已完成";}
else if (this.kryptonRadioButton2.Checked == true){
lab8 = "未完成";}
- 46 - string lab10 =this.kryptonDateTimePicke門.Value.ToString("yyyy-MM-dd");〃創建時間 string lab11 = this.kryptonTextBox8.Text;〃創建人
string lab12 =this.kryptonDateTimePicker2.Value.ToString("yyyy-MM-dd");//更新時間 string lab13 = this.kryptonTextBox 10.Text;//更新人
string str= "Server=localhost;user id=root;password=1234;port=3306;database=bridge;"; MySqlConnection con = new MySqlConnection(str);//連接數據庫
con.Open();〃打開數據庫
string sql=string.Format("insert into task values({0},'{1}','{2}','{3}','{4}','{5}','{6}','{7}', '{8}','{9}','{10}','{11}','{12}','{13}')", "null", lab1,lab2,lab3,lab4,lab5,lab6,lab7,lab8, Endpath,lab10,lab11,lab12,lab13);〃定義 SQL 語句
MySqlCommand cmd = new MySqlCommand(sql,con); //執行 SQL 語句 Renwushu renwushu = new Renwushu();
renwushu.Findalltask(); //顯示頁面數據刷新}}
File.Copy(FilePath, Tarpath + name, true);//將文件復制到指定路徑
(4)頁面表格顯示與查詢 數據庫中的數據可以通過窗體顯示與查詢，而實現窗體顯示信息與數據庫的聯動要 用到多種控件，如圖4.3所示，為設計任務書文檔管理的頁面設計，該頁面所用到的控 件信息如表4.1所示。
表 4.1 界面開發所用控件
Tab. 4.1 Controls used in interface development
控件 中文名稱
ComboBox 組合框控件
Button 按鈕控件
TimePicker 時間選擇框控件
TextBox 文本框控件
Label 標簽控件
DataGridView 數據表格控件
其中DataGridView控件可以顯示和編輯多種不同類型的數據源所提供的表格數據。 在大多數情況下，設置DataSource屬性即可實現數據的綁定。DataGridView控件具有 極高的可配置性以及可擴展性，該控件提供有豐富的屬性、方法和事件，可以以此來靈 活的定義該控件的外觀和行為。因此本文選擇使用DataGridView控件實現數據的顯示 與控制。
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數據顯示時需要獲取數據庫中的對應表格的數據信息，實現數據庫表格中列與數據 表控件中列的一一對應關系，并在窗體加載時實現數據的填充，其數據填充的方法封裝 如下：
public void Findalltask(){
string str ="Server=localhost;user id=root;password=1234;port=3306;database=bridge;"; MySqlConnection con = new MySqlConnection(str);
con.Open();〃連接數據庫
StringBuilder sb = new StringBuilder();
//原始數據查詢 sb.Append(@"SELECT
' prcject_name','task_code' ,'foder_name','proName','task_addressee' ,'task_details' ,'task_cla ss','yes_no','file」ist','creattime','creatby','modifitime','modifiby','id'FROM
' task' WHERE' foder_name' !='NULL'");
//文件名查詢
if(this.wenjianming.Text != ""){ sb.AppendFormat("and foder_name like '%{0}%'", this.wenjianming.Text);} //目類別查詢
if(Convert.ToInt32(this.kryproject.SelectedValue) !=-1){ sb.AppendFormat("and project_name='{0}'", this.kryproject.Text);}
//發件人查詢 if(Convert.ToInt32(this.kryproName.SelectedValue) !=-1){ sb.AppendFormat("and proName='{0}'", this.kryproName.Text);} //是否完成查詢
if(Convert.ToInt32(this.kryisfinish.SelectedIndex) !=0){ sb.AppendFormat("and yes_no='{0}'", this.kryisfinish.Text);}
//日期查詢 if(t1!=""&&t2!=""){ t1 = kryptonDateTimePicker1.Value.ToString("yyyy-MM-dd");
t2 = kryptonDateTimePicker2.Value.ToString("yyyy-MM-dd"); sb.AppendFormat("and creattime >='{0}' and creattime <= '{1}'", t1, t2);} MySqlDataAdapter sda = new MySqlDataAdapter(sb.ToString(), con); ds = new DataSet();
sda.Fill(ds, "renwushu"); this.kryptonDataGridViewl.DataSource = ds.Tables["renwushu"];}〃 數據源綁定
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在窗體初次加載時，查詢條件下的 IF 語句條件均不成立，用戶可通過窗體控件如
ComboBox控件、TimePicker控件等對其進行選擇，改變條件后通過查詢按鈕重新調用 該方法，即可實現數據的篩選與查詢。其中通過文件名輸入作為條件進行查詢時，結合 SQL語句的模糊查詢方法，實現文件名的模糊查詢，更加符合用戶習慣。
（5）數據表中文件列按鈕功能實現
界面開發結合數據庫開發進行文件信息的儲存與查詢是文檔管理的核心，但本文希 望不僅能夠實現通過條件的選擇找到所需文件，而且能夠直接在頁面中打開文件，使查 詢結果可直接操作，因此本文在不同類型文檔管理界面中都添加了“文件”列，并將該列 ColumnType屬性設置為DataGridViewButtonColumn,在數據表顯示時，該列對應形式 均為按鈕，為此按鈕添加單擊事件，通過單擊此按鈕可直接打開其對應的文件，具體實
圖4.6文件按鈕功能實現流程
Fig. 4.6 The realization process of the file button function
- 49 - 現流程如圖4.6所示，首先通過添加文件頁面對文件信息進行填寫并導入文件，關聯數 據庫儲存文件路徑信息，這一過程用戶也可以選擇暫時不導入文件，此時通過按鈕打開 文件時，系統將顯示文件不存在，并令用戶選擇是否導入文件，再次導入文件后數據庫 將立即更新并刷新當前顯示頁面，可再次點擊按鈕打開文件。其核心代碼如下：
//通過 id 更新數據
int id = Convert.ToInt32(this.kryptonDataGridView1.Rows[rowIndex].Cells["id"].Value);
string str =
"Server=localhost;user id=root;password=1234;port=3306;database=bridge;";
MySqlConnection con = new MySqlConnection(str);
con.Open();
string sql =
string.Format("UPDATE task SET 'file_list'='{0}' where id={1}", Endpath, id);
MySqlCommand cmd = new MySqlCommand(sql, con);
int count = cmd.ExecuteNonQuery();
4.3系統應用功能模塊的開發
為了更好的實現不同應用軟件在設計階段的協同工作，除了基本的信息管理功能， 本系統也在原有基礎上拓展其設計工作中可能用到的其他功能，實現不同軟件間數據的 互通互用，打破傳統設計模式下的“各自為政”的狀態，盡可能地減少或消除“信息孤 島”的問題，從而增加數據信息利用效率。
4.3.1Revit明細表導出程序實現
Revit軟件在建立模型并輸入相關的屬性信息后，可以建立不同類別的明細表，通 過建立明細表對工程量及工程信息進行統計，可以作為建設工程計價的依據，同時也為 后期的施工組織設計提供有效數據來源，因此，明細表的建立對工程項目至關重要o Revit 軟件雖然可以建立各種類型明細表，卻只能夠將明細表儲存在模型文件中，在與其他工 作人員傳遞數據時非常不便，因此本系統增設了明細表導出功能，運行程序可以將明細 表從Revit軟件導出到Excel軟件，并生成對應的的.xls格式文件。
要實現數據從Revit軟件導出到Excel，需要借助于NPOI組件，NPOI是POI項目 的.NET版本，而POI是一個開源的用來讀寫Excel、Word等微軟組件文檔的項目，使 用NPOI組件可以讓開發人員在沒有安裝Office的情況下對Excel文檔進行讀寫，其中 包含了大部分的Excel特性，可以處理xls、xlsx等文件格式，較傳統的訪問Excel方式 更具有優勢，因此本文選擇此組件來實現對Excel表格的讀寫。程序開發過程中類的繼
- 50 -
承關系如圖4.7所示，通過對Revit明細表中數據表頭與主體內容分別讀取并依次寫入 到 Excel 表格中，實現明細表的導出功能。由于明細表導出過程中需要使應用程序與 Revit軟件進行交互，讀取到當前活動文檔，因此該程序建立了外部事件接口，通過外 部事件接口可以實現程序對Revit中數據的訪問，進而將讀取到的數據寫入到Excel文 件中去。
圖 4.7 類的繼承關系圖
Fig. 4.7 Class inheritance diagram
圖 4.8 明細表導出前后對比
Fig. 4.8 Comparison before and after export of schedule
如圖4.8所示，a圖為在Revit軟件中建立的某項目工程量明細表，運行該程序后可
以生成如b圖所示的.xls格式文件，其中包含明細表表頭及所有數據內容，經對比數據
- 51 - 內容無缺失且能夠一一對應。該功能的實現為設計人員對于工程量明細中信息數據的傳 遞提供支持，進一步踐行了 BIM技術實現信息共享的核心價值理念。
4.3.2數據表導入功能實現
在4.2節中講到，文檔信息內容添加時，每次只能添加一個文件信息，即通過點擊 添加按鈕，彈出添加頁面后在頁面中依次錄入文檔信息，在文檔信息過多時往往不能滿 足高效工作的需求。因此，本系統增加了數據表導入功能，即可將Excel表格文件內容 導入到數據庫對應的表格中，然后可以通過信息管理系統界面顯示儲存在數據庫的信 息，該功能不僅可以實現文檔信息內容的快速錄入，也可以將其他類型Excel文件數據 儲存到數據庫中，借助數據庫開發語言實現數據的快速處理。
根據程序需求，操作界面需要具備選擇并讀取文件功能，并且能夠選擇數據庫與數 據表將文件寫入，界面設計如圖4.9所示，通過點擊打開按鈕選擇要導入的.xls格式文 件，程序將自動讀取文件并將表格信息顯示在窗體控件中，輸入數據庫及數據表名稱便 可導入到對應的位置。如果需要新建數據庫或數據表以儲存此文件信息，只需在對應的 文本框中輸入新建名稱即可，程序將自動在數據庫中建立新庫或者新表，數據信息導入 后在數據庫中儲存情況如圖4.10所示。程序具體實現流程如圖4.11所示，在讀取到表 格內容后將其暫存于DataTable數據表中，DataTable是用于臨時儲存數據的虛擬表，具 有行集合與列集合，在編寫程序過程中可以根據需要獨立的創建和使用，在導入數據庫
圖 4.9 導入數據表操作界面
Fig. 4.9 Operation interface for importing data tables
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單擊事件發生時，利用 嵌套循環程序再將其逐個轉換為 SQL 插入語句，并通過 AppendFormat 函數逐個儲存，連接數據庫并執行 SQL 命令使轉換最終完成。
*丄信息寸3信息
犀舉r |齡圉遛畬觀宣圍 I T皴叼限制行第一行：心 二卜行數：］亟—
□ 龔型 林質*名稱 材貢：體和 材質：容宣 合計
□ 0號段 7B ］握凝土 C45 13B 261.57 6B 30.4 kN/m3 11B 4 IB
□ 丄號段 方.混凝土 C45 13B- 142.31 30»4 kN/時 11B 4 丄已
□ 2號段 7B |握凝土 C45 13B 136.82 30.4 kN/in3 11B 4 IE
□ 3號段 7B混凝土 C45 13E- 131.68 6B 30.4 kN/m3 11B 4 IB
□ 4尋段 陽］握凝土 C45 13B 126?82 €B 30»4 kN/in3 11B 4 IB
□ 5號段 7E 混凝土 C45 13B 16.2.00 6B 30.4 kN/吋 11B 4 IB
□ 石號段 7B 混凝土 C45 13B 154.61 6B 30.4 kN/m3 11B 4 IB
□ ■7尋段 7B 混凝土 C45 13B 147.84 6B 30.4 kJST/an3 11B 4 IB
□ S尋段 7B •混凝土 C45 13B 141.76 €B 30.4 kN/m3 11B 4 IB
□ 9號段 7B 混凝土 C45 13B 136.34 6B 30.4 kN/in3 11B 4 IB
□ 丄0號段 3B 混凝土 C45 13B 131.62 6B 30.4 kN/in3 11B 4 IB
□ □號段 8B 混凝土 C45 3B 111.61 6B 30.4 kN/m3 11B 4 IB
□ 丄2號段 8B 打昆凝土 C45 13B 124.18 €B 30.4 kN/m3 11B 4 IS
□ 丄3號段 3B 混凝土 C45 13B 121.€6 €B | 30.4 kN/m3 11B 4 IB
□ 14號段 8B 混凝土 C45 13B 120.31 uB 30„4 kN/m3 11B 4 IB
□ 丄5號段 8B 混凝土 C45 13E 119.97 6B 30..4 kN/in3 11B 4 IB
□ 丄五號段 8B 混凝土 C45 13B 719.97 EE 30.4 kN/iL3 11B 4 IB
1搖庫：Hi血e妄格：長山丸橋明細克
圖 4.10 數據表中儲存的信息
Fig. 4.10 Information stored in the data sheet
圖 4.11 程序實現流程
Fig. 4.11 Implementation process of the program
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4.4數據庫的建立與應用
數據庫在整個信息管理系統開發中起著至關重要的作用，是整個系統存儲與查詢功 能的基礎與核心所在，數據庫系統可以實現整體數據的結構化，使數據之間存在聯系， 通過外部數據庫將數據信息儲存起來，再通過界面屬性添加將其顯示在窗體界面中，使 得 BIM 軟件數據、外部數據等相互聯結，促進數據的共享與集成，能夠完全貫徹 BIM 技術下的協同工作理念。
在C#的編程平臺Visual Studio2019中支持訪問多種類型的數據庫，例如MySQL、 Access、SQL server等類型。MySQL數據庫體積小、存儲速度快且開源免費，因此選擇 MySQL數據庫來進行探索。MySQL具有強大的數據儲存、統計分析能力，利用查詢功 能，可以輕松地進行各類數據匯總、分類等統計，查詢語句豐富，可以靈活的設置查詢 條件。MySQL數據庫單表能夠儲存上千萬條記錄，其儲存量與儲存速度完全能夠滿足 該系統的使用需求。
4.4.1數據庫的建立與數據表開發
數據庫中每一張表的建立都是與系統界面相對應的，如文檔管理功能模塊中，要根 據文檔類別的劃分需求分別建立其對應的數據表格。首先，在MySQL中新建數據庫， 需要明確的是，數據庫只作為存放數據的一個容器，每一個數據庫中可以建立多個表格， 表格才是最終存放數據的載體。
具體的建立方法如下：
（1） 建立數據表，首先根據數據存儲需求劃分存儲的項，每一項都應對應數據表 中的一列，數據表中每列字段名稱都是唯一的。除此之外，還應另外建立id列，并設置 其屬性為主鍵、非空、自增。在數據的查詢過程中，id列數據可作為數據的特殊標志符 使用。
（2） 賦予表格所關聯控件相關的含義，數據庫內容讀寫必須以控件為外在表現形 式。控件與數據的關聯則可以通過相應的函數語句或數據源屬性設置來實現。如通過控 件連接數據庫，執行相關查詢命令，獲取到數據庫中對應信息，數據在界面的顯示則可 以通過自動執行程序語句將控件Text屬性與獲取到的數據進行綁定來實現。
（3） 文檔信息中涉及到多個相同信息，如發件人、收件人、專業類別等相同項， 則可以利用數據庫多表聯合查詢功能，在新建數據表時，為其相同項添加外部鍵，設置 其引用的數據庫、表格以及對應列，為數據信息的相互關聯提供條件。
（4）完成上述步驟后，進行數據傳入與傳出的調試，對數據傳遞的中間載體SQL 語句進行測試與細節的修改，保證對數據庫的成功讀寫。
- 54 -
4.4.2數據庫與界面關聯流程
數據庫在整個二次開發中的作用是對于數據的儲存與處理，相當于整個信息管理系 統的“后臺”，而用戶在進行實際操作中是基于窗體界面進行操作的，因此窗體與數據 庫信息的關聯在開發中起著重要作用，是數據庫與窗體應用程序之間的紐帶。在整個開 發過程中，數據庫對數據的處理分為兩個方向，分別是數據的寫入與數據的讀取，其基 本處理流程如圖4.12 所示。
圖 4.12 數據庫的數據處理流程
Fig. 4.12 Data processing flow of the database
數據寫入時，最常用到的SQL語句為INSERT語句，SQL語句是一種結構化語句, 只需按照既定的格式將需要的信息輸入即可實現相關的數據庫操作，但數據庫對于 SQL 語句的容錯率極小，如果任一句SQL命令出現格式或符號錯誤，其后面的SQL語句將 全部無法執行，因此在開發過程中應對程序多次調試，保證中間數據載體SQL語句的 正確性。
- 55 -
數據查詢與讀取時，最常用到的SQL語句為SELECE語句，其基本格式為:SELECT+ 查詢列表+FROM+表名+WHERE+約束條件，可以同時查詢單個或多個列表信息，通過 條件運算符或者邏輯運算符可以添加多種形式約束條件，且通過AND語句增加條件可 以在原有結果的基礎上進一步進行數據的篩選。
4.5本章小結
本章主要以Revit軟件為開發平臺，結合窗體應用程序開發與數據庫開發，拓展BIM 軟件信息管理功能，為橋梁設計過程中的信息管理提供新的思路，并且通過不斷完善原 有BIM軟件各種功能，可逐漸將設計過程中可能用到的軟件功能集成于同一 BIM平臺 上,不斷踐行BIM技術數據共享與集成核心理念，為數據信息一體化、結構化提供技 術支持。
- 56 -
5BIM 技術在長山大橋中的應用與實踐
本文在第三章介紹了 BIM模型與ANSYS結構分析模型的轉換流程及實現方式，并 開發了基于Revit的結構分析操作程序。本章中依托于長山大橋工程建立其BIM模型并 進行結構分析模型轉換及分析插件程序的驗證。同時利用第四章中所開發的橋梁設計信 息管理系統，實現設計文件及相關信息的集成化管理，通過實證案例對該平臺的實用性 以及使用效果進行評價。
5.1 工程概況
遼寧省長海縣長山大橋為我國最大跨度變截面混凝土矮塔斜拉橋，如圖5.1 所示為 長山大橋實景圖。大橋接線起于大長山島峙蓮線上，在金盆港與西溝港間跨越黃海,終 點位于南蠣養線與西溝港公路交接處，路線全長3.38km,大橋全長1790ml63］。
圖 5.1 長山大橋實景圖
Fig. 5.1 Real view of Changshan Bridge
長山大橋主橋長540m，為雙塔雙索面PC矮塔斜拉橋。主梁采用三跨式布置，中間 跨長260m，兩邊跨各140m對稱布置。主梁采用預應力混凝土單箱三室流線型扁平箱
- 57 - 梁，主橋箱梁中心線處跨中梁高4.5m,根部梁高9.0m,主墩根部57.0m的范圍內梁高 采用二次拋物線形式變換。
梁全寬23.0m,主梁標準梁段長度4.0m,根部局部區域梁段長度3.0m。斜拉索采 用扇形布置，主梁上拉索錨固點的橫向間距為21.6m,標準索距為4.0m,斜拉索在橋塔 上的標準索距為0.8m。拉索共三種規格，自下而上分別為15.2-27型5 根, 15.2-37型5 根， 15.2-61 型7根［64］。主橋索塔采用雙柱型混凝土塔，上塔柱為矩形變截面，下塔柱 為雙薄壁墩，橫截面自上而下逐漸縮小，呈倒花瓶形。本橋結構采用塔墩梁固結的連續 剛構體系，如圖5.2所示為長山大橋主橋布置圖。
圖5.2長山大橋主橋布置圖(mm)
Fig. 5.2 Layout drawing of the main bridge of Changshan Bridge (mm)
5.2長山大橋BIM模型建立
5.2.1變截面箱梁參數化族的建立
對于變截面箱梁的建立有兩種方式，一種是通過以直代曲的方式描述截面的變化， 將變截面梁分成多個梁段，分別建立各個梁段構件模型，然后將其進行對接形成完整的 主梁模型。另一種方式是借助 Dynamo 插件程序化生成變截面梁，通過導入截面輪廓并 為其設置變化曲線可實現變截面梁建立。相較于第二種建模方式，第一種建模方式與 Revit軟件本身的建模過程相同，操作起來更為簡便，且通過建立參數化族，只需在項 目中導入該族并依據設計要求修改相應幾何參數或材質參數即可實現多個構件的創建。 因此本文選擇第一種建立參數化族的方式建立變截面箱梁。通過使用 2.4.2節中所介紹 的參數化建模方法與工具，本文按照箱梁尺寸變化規律，將主梁段分為四種類型，并分 別建立參數化族，如圖5.3所示，包括0號段、 1~2號段、 3~5號段、 6~34號段。其箱 梁族模型及族參數設置情況如圖5.4所示。
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A
名稱 揍改日期 大小
s舞7段 2020/11/27 9:49 Autodesk Revit 族 KB
需1-2號段 2020/11/27 9:54 Autodesk Revit 族 524 KB
需3-5號段 2021/1/7 15:37 Autodesk Revit 族 548 KB
需6-34號段 2021/1/7 15:36 Autodesk Revit 族 532 KB
2016/3/30 21:06 Autodesk Revit 族 240 KB
需觸 2020/12/4 10:08 Autodesk Revit 族 1504 KB
需橋塔 2020/12/4 10:26 Autodesk Revit 族 1.524 KB
圖 5.3 長山大橋族文件
Fig. 5.3 Changshan Bridge family documents
D1、D2——中間箱室下腹板厚度
H1、H2——兩端截面高度
L1、L2——中間箱室下緣寬度
(a)箱梁族模型
圖 5.4 箱梁族模型及族參數設置圖
Fig. 5.4 Box girder family model and family parameter setting diagram
5.2.2其他構件模型的創建
BIM模型是由不同類型構件拼接而成，由于Revit軟件內置族庫中的族模型是針對 于建筑結構配置的，并不適用于橋梁工程結構，因此需要另外建立各構件族。如圖 5.5 所示，依據長山大橋設計文件，本文分別創建了橋塔、橋墩、箱梁、拉索、支座等族模 型。
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圖 5.5 長山大橋族模型
Fig. 5.5 Changshan Bridge Family Model
橋塔、橋墩等采用公制常規模型族樣板進行創建，由于橋塔模型復雜且具有多個異 面，因此橋塔模型創建過程中多次運用空心拉伸及放樣命令對拉伸的實體模型進行“修 剪”。幾何模型創建完成后，按照2.4.2節中參數設置方式添加材質參數并與構件對應 屬性關聯，即可完成橋塔、橋墩等參數化族模型的創建。
本文中斜拉索族是以結構柱族樣板為模板創建的，相比于以公制常規模型樣板創建 該族的方式具有很多優點。首先，如圖5.6所示，通過結構柱族樣板創建的族模型具有 結構分析模型，在后續研究中對斜拉索進行有限元模型轉換時可以直接獲取到分析模型 端點坐標，不需要再通過計算獲得拉索兩端中心點坐標，更有利于基于BIM模型的后 續力學研究。其次，通過該方式創建的拉索模型可直接通過圖中所示的造型操縱柄控制
- 60 - 構件端點位置，以此將端點拖拽到任意位置，在通過拉索族創建實例時更有利于斜拉索 模型在全橋中的定位。
在Revit中將事先建立好的族載入到項目中可創建多個族實例，對同一參數可以賦 予不同的參數值，從而通過參數的改變可以得到不同形式的族構件模型，使得設計修改 更加簡單快捷。
圖 5.6 斜拉索 BIM 模型
Fig. 5.6 BIM model of stay-cables
5.2.3長山大橋主橋BIM模型的創建
在完成一系列族模型的創建后，新建項目文件，在項目中導入族類型并修改族類型 參數，進而創建族實例。其中主梁各梁段幾何參數設置情況如表5.1 所示。主梁各梁段 采用對稱布置，從支點處至梁端共包括0~34號梁段，其中 16~34號梁段為標準梁段， 0 號梁段為支點處梁段，主梁均采用C55混凝土材料。斜拉索采用標準強度為1860MPa 的環氧涂層鋼絞線拉索，橋塔及橋墩采用C50混凝土材料。
參數修改完成后自上而下將所有族實例對照組合，利用參照平面或參照線對實例進 行定位，借助Revit軟件自帶的移動、對齊、復制等命令，快速實現構件實例的創建與 組合。如圖5.7所示，為長山大橋主橋BIM模型。
- 61 -
表5.1主梁各梁段族參數設計值(mm)
Tab. 5.1 The design value of the beam section family parameters of the main beam (mm)
梁段（號段） D1 D2 H1 H2 L1 L2 梁段長度
0 1395 1500 8245 9000 2000 2000 5000
1 1395 1395 7825 8425 2000 2000 3000
2 1395 1315 7431 7825 2000 2000 3000
3 1395 1246 7431 7061 2000 2000 3000
4 1395 1177 7061 6716 2000 2000 3000
5 1395 1109 6719 6295 2000 2000 4000
6 1395 1017 6295 5918 2000 2000 4000
7 1395 927 5918 5586 2000 2000 4000
8 1395 836 5586 5298 2000 2000 4000
9 1395 746 5298 5054 2000 2000 4000
10 1395 656 5054 4855 2000 2000 4000
11 1395 567 4855 4699 2000 2000 3500
12 1395 477 4699 4589 2000 2000 4000
13 1395 389 4589 4522 2000 2000 4000
14 1395 322 4522 4500 2000 2000 4000
15~34 1395 300 4500 4500 2000 2000 4000
圖5.7長山大橋主橋BIM模型
Fig. 5.7 BIM model of the main bridge of Changshan Bridge
5.3BIM模型到有限元模型轉換
本章在上一節中已經完成了對長山大橋Revit模型的建立，本文便直接利用長山大 橋 BIM 模型驗證其轉換效率。首先打開長山大橋項目文件，在窗體菜單欄中選擇附件
- 62 -
圖 5.8 插件程序調用入口
Fig. 5.8 The call entry of the plug-in program
圖 5.9 外部命令程序加載窗口
Fig. 5.9 Load window of external command program
- 63 -
模塊，如圖5.8中①所示，本文為插件程序拓展了新的功能區面板及按鈕控件。除了通 過相關按鈕調用程序，也可通過圖5.8 中②所示外部工具下拉菜單中的 Add-In Manager
(Manual Mode)選項加載外部命令，其中加載窗口如圖5.9所示，通過外部加載命令 插件，可以直接加載并運行所開發的外部命令，并可在Revit軟件不關閉的情況下直接 進行程序修改。
癡足H毛⑥闔血駁丨鋼同ta I y ®
□ id number area strain youngMod dens nuxy force
□ 1 11 0.0048 0.00331410256410256 195000000000 7850 0.3 3102000
□ 2 12 0.0049 0.00326425954997384 195000000000 7850 0.3 3119000
□ 3 13 0.0049 0.00327263212977499 195000000000 7850 0.3 3127000
□ 4 14 0.0049 0.00329879644165358 195000000000 7850 0.3 3152000
□ 5 15 0.0049 0.00330821559392988 195000000000 7850 0.3 3161000
□ € 16 0.0067 0.0029345579793341 195000000000 7850 0.3 3834000
□ 7 17 0.0067 0.0029521622655951 195000000000 7850 0.3 3857000
□ 18 0.0067 0.00299119785€8€95 195000000000 7850 0.3 3908000
□ 9 19 0.0067 0.00299425947187141 195000000000 7850 0.3 3912000
□ 10 20 0.0067 0.00302181400688863 195000000000 7850 0.3 3948000
□ 11 21 0.01107 0.00328909271998703 195000000000 7850 0.3 7100000
□ 12 22 0.01107 0.00330854932480949 195000000000 7850 0.3 7142000
□ 13 23 0.01107 0.00330715956732217 195000000000 7850 0.3 7139000
□ 14 24 0.01107 0.00331966738470804 195000000000 7850 0.3 7166000
□ 15 25 0.01107 0.00333912398953049 195000000000 7850 0.3 7208000
□ 16 26 0.01107 0.00334560952447131 195000000000 7850 0.3 7222000
□ 17 27 0.01107 0.00333263845458967 195000000000 7850 0.3 7194000
圖 5.10 數據庫中的單元屬性信息
Fig. 5.10 Unit attribute information in the database
本文分別通過實體單元轉換程序及LINK單元轉換程序完成了長山大橋主橋有限元 模型的轉換。其中包含橋墩、主梁、橋塔、支座在內的所有結構構件轉換為實體單元有 限元模型。由于模型體量較大，轉換后的結構模型幾何長度單位設置為m,單元類型設 置為SOLID95單元，單元網格劃分大小設置為0.5m。由于長山大橋鋼筋數量較多，本 文未建立其鋼筋BIM模型及結構分析模型，而是通過等效計算的方式將其包含在混凝 土構件中。具體操作是在模型轉換前，在Revit軟件中修改材料物理參數，將計算得到 的等效彈性模量、密度、泊松比等參數填入材料屬性窗體中。
斜拉索作為具有預應力的桿系構件，本文將其轉換為3D僅拉或者僅壓單元 ——LINK10單元。長山大橋斜拉索一共136根，按照其材料屬性及初始應力條件的不 同一共可分為17種。首先選擇需要轉換的斜拉索，運行導出桿單元模型程序，程序彈 出選擇單元類型對話框，這里選擇LINK10單元來模擬斜拉索，然后程序彈出單元轉換 對話框，點擊添加材質按鈕，添加單元材質屬性并保存到數據庫中，如圖5.10所示，程 序將材質編號、截面面積、初始應變、楊氏模量、密度以及初始應力等保存到數據庫中
- 64 -
便于查找與調用，其中初始應變是根據輸入的初始應力與截面面積自動計算得到。通過 為選擇的各構件賦予對應的材料編號，并勾選自動連接到實體，實現了斜拉索轉換為 LINK10 單元并自動約束到實體單元中，如圖5.11所示，轉換后的拉索單元模型兩端節 點與周圍節點準確約束，減少了后面添加約束時的工作量，為后續的分析計算提供基礎。
圖 5.11 桿單元有限元分析模型
Fig. 5.11 Finite element analysis model of rod element
5.4長山大橋在重力荷載下的結構響應分析
運用本文 3.4 節中開發的結構分析模塊對上一節中經過轉換得到的結構分析模型進 行重力荷載作用下的橋梁結構響應分析，對長山大橋結構模型施加了墩底約束與重力荷 載。通過施加約束操作窗口依次選擇了墩底的模型面并設置其約束類型為全約束（約束 X、Y、Z三個方向位移），約束對象為平面。將程序生成的APDL文件導入到ANSYS 中可以得到如圖 5.12 所示的約束模型。
重力荷載是以重力加速度的方式添加的，通過慣性荷載添加操作界面分別設置加速 度方向為Y向，加速度大小為9.8,其單位默認為國際單位。重力荷載施加完成后依次 對求解控制選項及圖形顯示結果進行設置，最終得到靜力荷載作用下結構響應分析結果 如圖 5.13 所示。
- 65 -
圖 5.12 長山大橋約束模型
Fig. 5.12 Constraint model of Changshan Bridge
圖 5.13 重力荷載作用下的位移圖及等效應力圖
Fig. 5.13 Displacement and equivalent stress diagram under gravity load
- 66 -
根據圖5.13中a~c計算結果得到如下結論。其位移圖分布情況符合斜拉橋形變規律, 其中X向位移最大發生在主梁兩端為0.018m, Y向最大位移發生在跨中為0.065m,等 效應力圖分布情況符合斜拉橋受力特點。總體云圖分布情況與長山大橋設計說明書中的 計算結果基本相符，表明在Revit中進行有限元模型轉換并實施受力分析是可行的。
5.5橋梁設計信息管理與應用
在大型橋梁的設計過程中，涉及到多個專業、多個部門的協同配合，一個工程項目 往往會衍生出大量的設計信息與設計文件。本文運用第四章中所開發的橋梁設計信息管 理系統插件對相關信息進行集中儲存與管理。
首先從Revit軟件中通過按鈕進入到系統登錄頁面，首次登錄需要先填寫用戶名、 密碼、個人信息等進行注冊。注冊完成后即可通過登錄頁面輸入賬號密碼進入該系統主 界面，其登錄頁面如圖 5.14 所示。
圖 5.14 系統登錄頁面
Fig. 5.14 System login page
5.5.1文檔信息的添加與儲存
進行文件的儲存時要事先判斷文件所屬類別，然后通過停靠在界面右邊的文檔瀏覽 器選擇相對應的文檔類別，通過界面中的添加文件按鈕可以調用出如圖5.15中a所示的 添加文件頁面，在文件中進行當前文件信息的輸入并保存。本文分別對項目類別、項目 編碼、文件名稱的非空控制選項及文件編碼的唯一性進行了驗證，結果表明其能夠在進
- 67 -
行文件保存時顯示提示文字并取消文件的保存，在將不符合文件儲存要求的信息修改完 成后即可實現相關文件的儲存。
所有文件添加完成后，即可在系統定義的位置處找到所有添加的文件，文件儲存位 置可以根據用戶需求進行設置。該程序自動將所添加的文件復制到指定目錄下，如圖 5.15 中 b 所示，所添加文件格式可以是任意的，能夠適應文檔管理過程中各類文件格式 要求。除此之外，系統將用戶通過添加頁面添加的文檔信息逐一儲存到數據庫對應的數 據表中，其中文件導入后將其信息以該文件對應目錄的形式儲存到數據庫中。具體數據 如圖 5.16 所示。
(a)添加文件窗體頁面
圖 5.15 文件信息的添加
圖 5.16 數據表中儲存的文件信息
Fig. 5.16 File information stored in the data sheet
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5.5.2文檔的查詢與修改
對于相關設計文檔進行規范統一的儲存管理其主要目的就是為了在需要提取該文 件時能夠更加迅速和便利。通過文檔管理瀏覽器選擇文件類別，系統自動彈出如圖 5.17 所示的文件查詢界面。窗體在彈出時將當前類別下儲存的所有文件信息自動讀入到當前 頁面，可以通過每一行中所顯示的文檔信息查找所需文件，并通過文件列對應的按鈕直 接打開當前文件，將指針放置在按鈕上時，也可自動顯示當前文件所在目錄。
當文檔數量較多時，為了能夠更加快速的查找到所需文件，通過查詢操作欄中的條 件設置，可以快速的對文件進行定位。如圖 5.17 所示，對當前頁面設置項目類別、設計 者、文件名稱等查詢條件，可以快速的將符合條件的文件篩選出來。其中項目類別、設 計者是根據數據庫中已有信息直接讀取到下拉菜單里，這里直接選擇即可。對于文件名 稱查詢條件的設置，由于系統應用了模糊查詢的功能，本文可直接輸入部分文字進行查 詢操作，為文檔查詢工作提供了極大的方便。
圖 5.17 文件查詢頁面
Fig. 5.17 File query page
除了查看相關文件，本文也對文檔儲存信息修改功能進行了驗證。本系統在右鍵選 項功能卡中添加了刪除、查看、修改等操作按鈕，為文檔信息管理過程中可能出現的相 關操作提供支持。其中刪除操作可以將數據庫中對應的文件儲存信息及相關文件一并刪 除，并自動刷新當前查詢頁面。查看及修改命令按鈕分別對應其操作窗口，查看窗口相
- 69 - 關信息表現為只讀狀態，不可進行修改。信息修改窗口可以自動讀取數據庫中對應文件 信息并顯示在相應的文本框中，表現為可修改狀態，可基于原有數據進行信息的修改。
5.6本章小結
以大連長山大橋為工程背景，建立了結構核心構件族庫，然后依據長山大橋工程設 計信息修改族參數，并將其按照空間位置進行組合，完成了全橋BIM模型的建立。通 過長山大橋BIM模型，驗證了通過二次開發實現數據交換的可行性，運用本文開發的 插件程序實現從Revit軟件到ANSYS軟件的模型材料信息與幾何信息的提取與轉換， 同時通過結構分析模塊實現對轉換得到長山大橋結構分析模型約束與荷載的施加，并得 到可靠的結構響應分析結果。在此基礎上結合Revit的橋梁設計信息管理插件對設計過 程中的相關信息進行集成化管理，更好的踐行了 BIM技術的核心理念“共享與集成”， 可以大大減少不同專業間在工程建設過程中數據傳遞時數據的重復與丟失，為BIM技 術在橋梁設計過程中的推廣與應用提供了參考。
- 70 -
結論
本文分析了當下橋梁設計階段主要面臨的問題，以及BIM技術在橋梁工程領域的 發展現狀，開展了基于橋梁設計過程中BIM應用的探索。為彌補各個專業之間協同工 作過程中數據交換效率的不足，本文基于Revit二次開發進行了橋梁設計階段不同專業 間數據交互的探究，并得到了如下結論：
（1） 利用BIM設計軟件Revit對基于BIM理念的橋梁工程設計研究進行探討，以 一座矮塔斜拉橋——大連長山大橋為工程背景，通過參數化建模，建立了結構核心構件 族庫。然后依據長山大橋工程設計信息修改族參數，并將其按照空間位置進行組合，建 立了長山大橋全橋BIM模型。相較于傳統設計模式，運用BIM技術可以更好地表達設 計主體，對橋梁設計質量和設計工作效率的提高具有一定的促進作用。同時，BIM設計 軟件包含設計出圖及工程量統計等功能，可一定程度減輕設計人員工作量。
（2） 結合C#語言、參數化設計語言（APDL）、數據庫語言（SQL）等對Revit 軟件進行二次開發，實現了將斜拉橋BIM模型快速轉化為包含不同單元類型的ANSYS 有限元模型。然后基于圖形用戶界面（GUI）開發，在實體單元模型轉換的基礎上開發 了實體單元加載與求解及部分后處理操作程序，實現了直接在Revit中對有限元模型進 行施加約束、施加荷載、求解、結果顯示等操作，操作難度大大降低，提高了橋梁結構 分析效率。通過對斜拉橋結構靜力分析功能的自動化開發，使設計人員可以更加迅速、 有效的進行結構受力分析。
（3） 以Revit軟件為開發平臺，結合窗體應用程序開發與數據庫開發，拓展BIM 軟件信息管理功能，為橋梁設計過程中的信息管理提供了新的思路。根據橋梁設計過程 中BIM信息的構成要素，確定了系統整體框架結構，進行模塊分解與設計，實現了基 于Revit軟件對數據的快速存儲、管理與交換等功能的開發，能夠高效管理項目設計過 程中各階段的資料。同時數據庫平臺的使用，真正意義上實現了項目數據信息的分類儲 存與查詢，為設計過程中不同專業間的信息交換與集成管理提供了便捷，踐行了 BIM 技術數據共享與集成核心理念，為數據信息一體化、結構化提供技術支持。
（4） 依托于工程實例長山大橋對本文開發的結構模型轉換與分析、橋梁設計信息 管理系統等插件進行了驗證。結果表明：其模型轉換與分析插件可以將斜拉橋BIM模 型轉換為包含實體單元、桿單元的有限元分析模型；基于圖形用戶界面開發，實現了直 接在Revit中對模型進行施加約束、施加荷載、求解、結果顯示等操作；通過橋梁設計 信息管理系統插件的開發，實現了對長山大橋設計信息的集成化管理與存儲，能夠快速
- 71 - 的進行設計文件及信息的查詢工作，在提高設計人員工作效率的同時也使得信息的管理 更加的規范化。
- 72 -
展望
本文結合BIM設計平臺Revit進行二次開發，對大型橋梁工程的BIM技術應用進 行探索，在研究過程中雖然取得了一些應用成果，但有以下幾個方面需要仍需要進一步 拓展與加強：
（1） 本研究對于BIM建模軟件與結構分析軟件的數據信息交互模式是從Revit軟 件到ANSYS軟件的單向傳遞，反向的數據傳遞目前未涉及，還可進一步研究從ANSYS 軟件到Revit軟件的數據傳遞方式，從而形成閉環信息流，以此對結構設計模型進行循 環優化。
（2） 在實際工程中對于大型橋梁的有限元分析，通常會綜合應用多種分析單元， 目前僅針對斜拉橋結構設計開發出實體單元及桿單元模型轉換程序，為適應各類復雜的 橋梁模型，還可擴充梁單元、彈簧單元等單元形式結構模型的轉換。
（3） 本研究對于橋梁設計信息管理系統的開發目前主要針對設計單位工作人員， 且信息數據未上傳至大數據庫，僅限于各單位自用。對于不同項目參與方的協同管理及 項目工程全生命周期的信息管理還需要進一步拓展研究。
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