基于BIM软件的有限元计算数据集成研究

基于BIM软件的有限元计算数据集成研究摘要：本文主要阐述了BIM软件和ANSYS有限元计算软件数据交互和集成展示的研究和应用，通过基于BIM软件的有限元计算结果的集成，可以方便的实现在BIM设计软件上对结构位移、应力、应变结果进行分析，进行不同工况下的结果对比，配筋计算和生成计算书等成果应用，达到基于BIM软件的结构设计和计算一体化应用的目的。关键词：BIM；有限元计算；数据集成；应用在工程建设领域，CAD（计算机辅助设计）和CAE(计算机辅助工程)都发挥了各自的优势，相比之下两者之间的数据集成技术相对比较薄弱。特别是近年随着BIM技术在工程设计中的广泛应用，使得CAD/CAE集成技术在工程行业的重要性更为突出。所谓CAD/CAE集成技术，主要是指集合两大体系的优势，完成对产品设计优化的整个过程，其核心是数值计算和体型优化。虽然经过多年来数据集成技术的发展应用，形成了若干集成途径，并在各领域得到了不同程度的应用【1-3】，但距离预期两大体系的“无缝”融合目标还存在较大差距。CAE软件的核心为有限元理论和数值计算方法，本文以BentleyBIM软件为例，阐述与ANSYS有限元计算数据的集成技术的研究与应用探索。1研究思路在工程建设实际需要的基础上，借助于软件开发将BIM软件与ANSYS有限元计算软件有效的结合，进而提高设计效率、优化结构方案【4】。系统基于Bentley公司的BIM软件，完成与有限元计算的数据集成，并在BIM软件上实现预处理、数据互通、成果分析处理及成果应用等功能。目前大型通用计算软件均有着相似的软件体系，包括前处理、计算、后处理模块。集成软件研究首先立足于保留各计算软件的核心功能，主要包括单元的划分和计算过程。因此本项目主要研究对前处理和后处理尝试过程的简化，数据在ANSYS软件及BentleyBIM平台上的之间转换，计算成果在BIM软件的展示及处理等。利用参数化等建模技术在BIM软件中快速建立三维实体模型，然后通过数据接口导入到ANSYS系统中进行有限元分析，分析处理后将分析结果导入到BIM软件中，通过云图、等值线图等展示方式及时反馈给工程人员，指导修改、优化设计方案。图1BIM软件与ANSYS一体化应用架构图2数据双向转换的实现数据转换主要解决BIM软件和ANSYS软件中的数据交互，打通一体化应用流程。（1）BIM模型导出。BentleyBIM软件没有提供ANAYS支持的直接格式,但提供了其他同类绘图软件的模型格式和一些中间标准格式。用户建好模型之后,选取一个或多个元素,通过模型导出界面导出图形格式文件【5】。（2）模型导入ANSYS。打开ANSYS计算软件在原有接口的基础上通过接口开发实现模型导入和优化,同样也满足模型导出的个性功能要求,包括对模型的无损失转换,坐标习惯的自动转换,以及模型导入后的修改功能。图2模型在BIM软件和ANSYS软件中的对比（3）AYSYS计算成果导出。有限元计算成果需进行一定数据格式的处理才能提供给BIM软件,包括网格模型,计算边界条件,计算材料力学参数,单元及节点信息,应变信息,应力信息和其他成果信息。ANSYS接口程序输出文件包括网格模型文件和分析结果文件。网格模型文件中有网格的节点、单元拓扑、单元类型等数据信息,分析结果文件中主要包括分析结果类型和分析结果数据。（4）计算成果导入BIM软件。将ANSYS软件中导出的分析结果数据导入到BIM软件中加载和分析。支持网格模型及数据文件的分别导入,支持数据结果在笛卡尔直角坐标系和柱坐标系下的坐标转换。BIM软件不能直接导入它们,必须将它们转换成标准的数据库数据。通过数据库中的数据表,BIM软件能够结合自身的扩展元素无缝地表达有限元对象并存储各类数据，包括笛卡尔直角坐标系下x、y、z三个方向的正应力和位移，xy/xz/yz三个方向剪应力、总位移、最大主应力、中间主应力、最小主应力。柱坐标系下径向正应力、环向正应力、轴向正应力、径轴向剪应力、环轴向剪应力、径环向剪应力、径向位移、环向位移、轴向位移、次主应力。图3计算成果导出及导入3计算成果云图展示技术（1）模型成果的云图展示。BIM有限元分析结果展示主要是以云图、等值线图等手段展示模型的ANSYS有限元计算分析结果。首先计算出模型的所有外表面,外表面的计算原理是一个面如果没有其他的面与它共面,这个面就是外表面；再对每一个外表面进行遍历,求得每一个面上的所有等值点,再通过设置好的颜色等值带,求得每一个等值点上对应的颜色值,计算出所有等值点之间的等值线,再计算出等值线之间的填充区域和填充颜色,将颜色填充到对应区域,即可得到模型的云图。图4计算结果在BIM软件和ANSYS软件中的对比（2）任意剖切截面的云图展示。通过对CAE求解模型进行任意面剖切，使用云图、等值线图、矢量图等表现方式让设计人员轻松、准确地理解并表达复杂的仿真计算结果。首先通过直线拉伸成Mesh面去与被切割的模型做运算;第一步获取Mesh面与模型相交的实体;第二步计算Mesh面与所有相交实体的交点,对交点排序后用来生成新的Mesh面,即最终截面。最终利用云图计算方法获得任意截面的计算成果云图。图5BIM软件中展示的X方向位移云图和等值线图4成果在设计中的应用（1）不同工况不同方案的计算对比.支持两组数据之间的对比,支持两个模型之间同一工况下的计算成果对比,也支持同一模型不同工况下的计算成果对比。图6不同工况条件下的计算结果对比（2）配筋参数计算。根据各向同性线弹性材料本构模型,计算得到结构内部弹性应力场。在BIM软件中选取高应力区应力最大断面的典型路径,进行应力路径积分。根据弹性应力图形拉正压负的特点,积分曲线峰值即单位宽度结构的弹性总拉力。同理,选取应力小于材料抗拉强度的节点进行积分,可得混凝土承担的弹性总拉力。对于拉应力集中的区域,可在后处理中读取受拉区节点总拉力。然后根据内力结果应用到非杆件钢筋混凝土的配筋计算公式中,包括配筋面积、钢筋直径和配筋根数建议值，为结构配筋提供依据。图7结构配筋计算（3）计算书的自动生成。根据软件设置的计算书模板,自动生成结构有限元计算书,包括计算模型、计算工况描述、有限元计算结果、配筋参数表。同时自动生成的计算书基本框架，包括计算目的、设计依据、计算原则及假定、其他水位资料等需要进行后期补充，大大提高了设计人员工作效率。5结语在工程行业中BIM技术逐步普及应用的同时，通过程序开发研究分析BIM软件和ANSYS有限元计算软件的数据集成一体化应用,打造了功能强大的CAD/CAE集成设计系统。实现在BIM平台实现模型预处理、数据互通、成果分析处理及展示查询功能、结构配筋计算功能、计算书生成等功能，系统目前也已作为企业工程数字设计平台的重要组成部分。系统开发完成后，经过了数个实际工程的测试和应用，程序使用方便，计算成果可靠，可大大提高技术人员工作效率，可在各工程行业中推广应用。参考文献：[1]朱恒山，艾志久，邓家提.CAD与CAE集成的研究[J].计算机工程与设计.2002，23（9）：22-25.[2]宁晓旭，李健刚，王磊，杨冰，王雪剑.基于BIM设计的有限元模型转化计算方法研究[J].公路.2020，（9）：107-112.[3]邹新，林焯铭，杨旭杰，彭修宁.基于BIM的精细化有限元模型转换方法[J].