CN111611634A - 基于bim-fem的桥梁健康评估系统和健康评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于BIM‑FEM的桥梁健康评估系统和健康评估方法，包括：BIM桥梁运维管理模块，用于分类和储存桥梁运维养护过程中产生的相关信息；ANSYS桥梁有限元安全计算模块，用于对桥梁的受力状态进行计算；信息转接模块，用于实现BIM桥梁运维管理模块与桥梁有限元安全计算模块之间的信息互馈；信息查看模块，用于查看桥梁的运维管理信息和结构应力变形状态；信息录入模块，用于输入桥梁的基本工程数据和运维管理信息。本发明可以解决桥梁运维过程中BIM信息模型缺少有效结构安全分析的问题，将BIM技术可视化、协调性、模拟性的优势与有限元分析软件的计算优势相结合，为桥梁的运维提供可靠的桥梁安全评定功能与便捷的可视化体验。
Description
技术领域
本发明专利主要应用于桥梁健康监测技术领域，涉及桥梁在运维过程中的快速结构安全评估，尤其是一种基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统和健康评估方法。
背景技术
BIM(Building Informatica Modeling)建筑信息模型，该技术以计算机技术为基础，结合整个建筑工程各种项目信息，构建三维可视的建筑信息模型，在工程项目的全生命周期中发挥其相应的作用。桥梁运维在整个桥梁生命周期中与规划设计施工相比时间最长，在运维阶段更能发挥BIM的作用。基于BIM的桥梁管理系统可以有效地管理运维阶段的检查和评定信息，使养护管理工作科学规范，减少重复工作，降低养护管理成本，已成为目前桥梁管养的发展趋势。
然而，现阶段主流桥梁BIM管理系统仅停留在桥梁运维数据的写入和导出的层面上，不能有效利用已有的桥梁BIM模型数据和运维信息开展有限元分析工作，以进一步了解桥梁内部的应力变形状态并对发展趋势做预测，导致桥梁的养护工作总是处于信息滞后的状态，这不利于及时制定有效的加固维修计划。为此，提出一种基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统和评估方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统和健康评估方法，本发明要解决的问题是：现阶段主流桥梁BIM管理系统不能有效利用已有的桥梁BIM模型数据和运维信息开展有限元分析工作，以进一步了解桥梁内部的应力变形状态并对发展趋势做预测，需要提供一种BIM与有限元分析相结合的方案，来满足桥梁健康评估预测的需要。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统，包括：运行在服务端的BIM桥梁运维管理模块、ANSYS桥梁有限元安全计算模块和信息转接模块，以及运行在客户端的信息查看模块和信息录入模块；
所述BIM桥梁运维管理模块，用于分类和储存桥梁运维养护过程中产生的运维管理信息，该运维管理信息以自动化和格式化的表达方式储存在服务端的数据库中，并与桥梁BIM三维模型建立关联，供使用人员进行可视化的调用；
所述ANSYS桥梁有限元安全计算模块，用于对桥梁的受力状态进行计算分析，通过桥梁BIM模型中对应桥梁的主要构件的BIM模型信息，建立桥梁有限元模型并求解分析，并将前处理与后处理步骤信息以命令流的方式导出到inp文件中，将求解分析的结果数据导出到ANSYS特有的rst文件中；
所述信息转接模块，用于实现BIM桥梁运维管理模块与ANSYS桥梁有限元安全计算模块之间的信息互馈，并建立两者之间的数据交换通道，实现桥梁BIM模型信息与ANSYS有限元模型信息的同步化；
所述信息查看模块，用于查看储存在BIM桥梁运维管理模块中的运维管理信息和结构应力变形状态，并根据所调取信息的类型，生成自动化和格式化的报表，或者依附于三维模型进行可视化的展示；
所述信息录入模块，用于输入桥梁的基本工程数据和运维管理信息，供BIM桥梁运维管理模块存储。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的运维管理信息包括结构信息、检查信息、评定信息、决策信息和维修信息。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的BIM模型信息包括几何信息、拓扑信息、荷载信息、材料信息和检查信息。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的信息录入模块输入的桥梁的基本工程数据包括有关桥梁结构力学性能参数的变化信息，变化信息包括构件材料属性变动信息、桥面荷载变化信息和新增裂缝病害信息。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统的桥梁健康评估方法，包括如下步骤：
步骤一：BIM桥梁运维管理模块中桥梁BIM三维信息模型的建立：
a、优选的，采用Autodesk Inventor作为桥梁的BIM建模软件，首先建立桥梁所包含的所有构件模型，统一所有的构件为零件文件；
b、采用个别添加与批量添加相结合的方式，按类型为构件添加基本工程数据和运维管理信息；
c、根据各构件之间的约束关系和层级关系，依次将构件拼装构件类型模型、部件类型模型、分部结构模型、跨模型、方向模型和整桥模型，最终形成桥梁BIM三维信息模型；
d、将桥梁BIM三维信息模型上传至服务端的BIM桥梁运维管理模块进行信息的分类和整合；
步骤二：ANSYS桥梁有限元安全计算模块中有限元模型的建立：
e、在Autodesk Inventor中把桥梁模型文件导出为ANSYS所支持的文件格式，将上述建立的桥梁BIM三维信息模型中的几何信息和拓扑信息提取并转化为有限元分析软件中的三维模型信息；
f、对形成的有限元模型中的非结构构件进行删除，仅保留主要结构构件进入接下来的力学分析步骤；
g、根据桥梁建设工程资料，为有限元模型添加单元类型、材料属性、边界条件、接触条件和荷载条件，然后进行模型求解分析；
h、将上述从模型导入到求解结束过程中输入的信息通过ANSYS内置的命令流导出功能将信息导出至inp文件中，求解结果则以rst文件的形式保留，并将上述两个文件作为初始求解文件上传至服务端的ANSYS桥梁有限元安全计算模块中；
步骤三：信息转接模块在BIM桥梁运维管理模块和ANSYS桥梁有限元安全计算模块之间行使信息互馈功能：
i、通过以上步骤，将BIM桥梁运维管理模块中的初始BIM模型信息与ANSYS桥梁有限元安全计算模块的中的初始有限元模型计算信息设定完成后，信息转接模块读取并收集在rst文件中的有限元模型各单元节点的坐标信息、应力信息和变形信息，并根据节点的坐标信息在BIM桥梁运维管理模块的三维模型中进行重建和数据映射，以色域变化的形式对桥梁各个节点的应力和变形情况进行可视化展示，供用户使用客户端的信息查看模块查看储存在BIM桥梁运维管理模块中的运维管理信息和结构应力变形状态，并根据所调取信息的类型，生成自动化和格式化的报表，或者依附于三维模型进行可视化的展示；
j、用户可根据实际桥梁运维数据的变化，通过信息录入模块更新BIM桥梁运维管理模块中存储的桥梁的基本工程数据和运维管理信息，信息转接模块实时监测BIM桥梁运维管理模块中储存的有关桥梁结构力学性能参数的变化信息，并将这些变化信息转化为相应的命令流更新到上述ANSYS桥梁有限元安全计算模块生成的inp文件中；
k、当检测到inp文件中命令流信息出现了更新，信息转接模块通过调用ANSYS桥梁有限元安全计算模块的批处理功能，读取更新后的inp文件并自动在后台进行有限元分析，求解结果则以rst文件的形式保留，并覆盖上一次分析产生的rst文件；
l、信息转接模块重复步骤i中所执行的功能，读取并收集在新rst文件中的有限元模型各单元节点的坐标信息、应力信息和变形信息，并根据节点的坐标信息在BIM桥梁运维管理模块的三维模型中进行重建和数据映射，以色域变化对桥梁各个节点的应力和变形情况进行可视化展示，以实现桥梁运维信息与有限元计算结果的同步更新。
本发明的有益效果为：本发明可以有效利用桥梁BIM模型数据和运维信息开展有限元分析工作，以进一步了解桥梁内部的应力变形状态并对发展趋势做预测，来满足桥梁健康评估的需要。
附图说明
图1为一种实施方式的基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统的架构示意图。
图2为本发明所述实施例桥梁结构层级化BIM模型。
图3为本发明所述实施例桥梁有限元分析变形云图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利，但不以任何形式限制本发明。应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统，包括：运行在服务端的BIM桥梁运维管理模块、ANSYS桥梁有限元安全计算模块和信息转接模块，以及运行在客户端的信息查看模块和信息录入模块；
所述BIM桥梁运维管理模块，用于分类和储存桥梁运维养护过程中产生的运维管理信息，如结构、检查、评定、决策和维修等信息，该运维管理信息以自动化和格式化的表达方式储存在服务端的数据库中，并与桥梁BIM三维模型建立关联，供使用人员进行可视化的调用；
所述ANSYS桥梁有限元安全计算模块，用于对桥梁的受力状态进行计算分析，通过桥梁BIM模型中对应桥梁的主要构件的BIM模型信息(例如几何信息、拓扑信息、荷载信息、材料信息、检查信息等实际工程数据)，建立桥梁有限元模型并求解分析，并将前处理与后处理步骤信息以命令流的方式导出到inp文件中，将求解分析的结果数据导出到ANSYS特有的rst文件中；
所述信息转接模块，用于实现BIM桥梁运维管理模块与ANSYS桥梁有限元安全计算模块之间的信息互馈，并建立两者之间的数据交换通道，实现桥梁BIM模型信息与ANSYS有限元模型信息的同步化；
所述信息查看模块，用于查看储存在BIM桥梁运维管理模块中的运维管理信息和结构应力变形状态，并根据所调取信息的类型，生成自动化和格式化的报表，或者依附于三维模型进行可视化的展示；
所述信息录入模块，用于输入桥梁的基本工程数据和运维管理信息，其中，运维管理信息包含结构、检查、评定、决策和维修等运维过程中产生的信息，基本工程数据包含有关桥梁结构力学性能参数信息和可能产生的变化信息，例如构件材料属性变动、桥面荷载变化、新增裂缝病害等，供BIM桥梁运维管理模块存储。
结合BIM模型对于桥梁展开有限元分析工作，主要是为了分析桥梁在当前荷载条件和病害影响的条件下各个部分的应力和变形情况，帮助运维人员及时排查出容易出现破坏的部位方便维修加固工作的进行。目前大型桥梁的健康监测以斜拉桥居多，此处便以斜拉桥为例，提供一种基于BIM-FEM的桥梁健康评估方法。
基于BIM-FEM的桥梁健康评估方法，包括如下步骤一至步骤三。
步骤一：BIM桥梁运维管理模块中桥梁BIM三维信息模型的建立，包括：
a、优选的，采用Autodesk Inventor作为桥梁的BIM建模软件，首先建立桥梁所包含的所有构件模型，包括主梁、索塔、拉索、墩身、支座等，统一所有的构件为零件文件；
b、采用个别添加与批量添加相结合的方式，按类型为构件添加基本工程数据和运维管理信息；
c、根据各构件之间的约束关系和层级关系，依次将构件拼装构件类型模型、部件类型模型、分部结构模型、跨模型、方向模型、整桥模型，形成最终的桥梁BIM三维信息模型，最终形成的桥梁结构层级化BIM模型如图2所示；
d、将桥梁BIM三维信息模型上传至服务端的BIM桥梁运维管理模块进行信息的分类和整合；
所述BIM桥梁运维管理模块采用一种基于BIM的信息管理系统，使用目前主流的浏览器/服务器(Browser/Server)网络数据结构与客户端进行数据交换，系统框架分为数据层、模型层和功能层三个部分，其中数据层用于储存桥梁运维阶段的各类静态信息和动态信息，模型层用于储存集成了桥梁设计施工阶段信息的实体三维模型，功能层则用于结合数据层与模型层的信息以展示桥梁的实际运行状态信息。
步骤二：ANSYS桥梁有限元安全计算模块中有限元模型的建立，包括：
e、在Autodesk Inventor中把桥梁模型文件导出为ANSYS所支持的文件格式，将上述建立的桥梁BIM三维信息模型中的几何信息和拓扑信息提取并转化为有限元分析软件中的三维模型信息；
f、对形成的有限元模型中的非结构构件进行删除，仅保留主要结构构件进入接下来的力学分析步骤；
g、根据桥梁建设工程资料，为模型构件添加单元类型、材料属性、边界条件、接触条件和荷载条件，然后进行模型求解分析，桥梁某跨在车道荷载作用下的变形云图如图3所示；
h、将上述从模型导入到求解结束过程中输入的信息通过ANSYS内置的命令流导出功能将信息导出至inp文件中，求解结果则以rst文件的形式保留，并将上述两个文件作为初始求解文件上传至服务端的ANSYS桥梁有限元安全计算模块中。
步骤三：信息转接模块在BIM桥梁运维管理模块和ANSYS桥梁有限元安全计算模块之间行使信息互馈功能，包括：
i、通过以上步骤，将BIM桥梁运维管理模块中的初始BIM模型信息与ANSYS桥梁有限元安全计算模块的中的初始有限元模型计算信息设定完成后，信息转接模块读取并收集在rst文件中的有限元模型各单元节点的坐标信息、应力信息和变形信息，并根据节点的坐标信息在BIM桥梁运维管理模块的三维模型中进行重建和数据映射，以色域变化的形式对桥梁各个节点的应力和变形情况进行可视化展示，供用户使用客户端的信息查看模块查看储存在BIM桥梁运维管理模块中的运维管理信息和结构应力变形状态，并根据所调取信息的类型，生成自动化和格式化的报表，或者依附于三维模型进行可视化的展示；
j、用户可根据实际桥梁运维数据的变化，通过信息录入模块更新BIM桥梁运维管理模块中存储的桥梁的基本工程数据和运维管理信息，信息转接模块实时监测BIM桥梁运维管理模块中储存的有关桥梁结构力学性能参数的变动，例如构件材料属性变动、桥面荷载变化、新增裂缝病害等，并将这些变动转化为相应的命令流更新到上述ANSYS桥梁有限元安全计算模块生成的inp文件中；
k、当检测到inp文件中命令流信息出现了更新，信息转接模块通过调用ANSYS桥梁有限元安全计算模块的批处理功能，读取更新后的inp文件并自动在后台进行有限元分析，求解结果则以rst文件的形式保留，并覆盖上一次分析产生的rst文件；
l、信息转接模块重复步骤i中所执行的功能，读取并收集在新rst文件中的有限元模型各单元节点的坐标信息、应力信息和变形信息，并根据节点的坐标信息在BIM桥梁运维管理模块的三维模型中进行重建和数据映射，以色域变化对桥梁各个节点的应力和变形情况进行可视化展示，以实现桥梁运维信息与有限元计算结果的同步更新。
信息转接模块将信息录入模块输入到BIM桥梁运维管理模块中的关于桥梁结构力学性能参数的变动信息，转化为相应的命令流信息，主要是为了进行病害的有限元模拟从而达到桥梁健康评估的目的，桥梁的病害主要包括永久变形、材质老化、几何缺损等三方面，而这些信息则可以分别采用强制位移、弹模修正、刚度折减等参数化命令流指令在inp文件中进行映射，从而达到有限元分析模型与实际桥梁状态相一致的效果，来保证有限元分析的准确合理性。
综上所述，本发明主要具有以下有益效果：
本发明可以有效利用桥梁BIM模型数据和运维信息开展有限元分析工作，以进一步了解桥梁内部的应力变形状态并对发展趋势做预测，来满足桥梁健康评估的需要。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统，其特征在于，包括：运行在服务端的BIM桥梁运维管理模块、ANSYS桥梁有限元安全计算模块和信息转接模块，以及运行在客户端的信息查看模块和信息录入模块；
所述BIM桥梁运维管理模块，用于分类和储存桥梁运维养护过程中产生的运维管理信息，该运维管理信息以自动化和格式化的表达方式储存在服务端的数据库中，并与桥梁BIM三维模型建立关联，供使用人员进行可视化的调用；
所述ANSYS桥梁有限元安全计算模块，用于对桥梁的受力状态进行计算分析，通过桥梁BIM模型中对应桥梁的主要构件的BIM模型信息，建立桥梁有限元模型并求解分析，并将前处理与后处理步骤信息以命令流的方式导出到inp文件中，将求解分析的结果数据导出到ANSYS特有的rst文件中；
所述信息转接模块，用于实现BIM桥梁运维管理模块与ANSYS桥梁有限元安全计算模块之间的信息互馈，并建立两者之间的数据交换通道，实现桥梁BIM模型信息与ANSYS有限元模型信息的同步化；
所述信息查看模块，用于查看储存在BIM桥梁运维管理模块中的运维管理信息和结构应力变形状态，并根据所调取信息的类型，生成自动化和格式化的报表，或者依附于三维模型进行可视化的展示；
所述信息录入模块，用于输入桥梁的基本工程数据和运维管理信息，供BIM桥梁运维管理模块存储。
2.根据权利要求1所述的基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统，其特征在于：所述的运维管理信息包括结构信息、检查信息、评定信息、决策信息和维修信息。
3.根据权利要求1所述的基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统，其特征在于：所述的BIM模型信息包括几何信息、拓扑信息、荷载信息、材料信息和检查信息。
4.根据权利要求1所述的基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统，其特征在于：所述的信息录入模块输入的桥梁的基本工程数据包括有关桥梁结构力学性能参数的变化信息，变化信息包括构件材料属性变动信息、桥面荷载变化信息和新增裂缝病害信息。
5.一种根据权利要求1所述的基于BIM-FEM的桥梁健康评估系统的桥梁健康评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：BIM桥梁运维管理模块中桥梁BIM三维信息模型的建立：
a、首先在BIM建模软件中建立桥梁所包含的所有构件模型，统一所有的构件为零件文件；
b、采用个别添加与批量添加相结合的方式，按类型为构件添加基本工程数据和运维管理信息；
c、根据各构件之间的约束关系和层级关系，依次将构件拼装构件类型模型、部件类型模型、分部结构模型、跨模型、方向模型和整桥模型，最终形成桥梁BIM三维信息模型；
d、将桥梁BIM三维信息模型上传至服务端的BIM桥梁运维管理模块进行信息的分类和整合；
步骤二：ANSYS桥梁有限元安全计算模块中有限元模型的建立：
e、在BIM建模软件中把桥梁模型文件导出为ANSYS所支持的文件格式，将上述建立的桥梁BIM三维信息模型中的几何信息和拓扑信息提取并转化为有限元分析软件中的三维模型信息；
f、对形成的有限元模型中的非结构构件进行删除，仅保留主要结构构件进入接下来的力学分析步骤；
g、根据桥梁建设工程资料，为有限元模型添加单元类型、材料属性、边界条件、接触条件和荷载条件，然后进行模型求解分析；
h、将上述从模型导入到求解结束过程中输入的信息通过ANSYS内置的命令流导出功能将信息导出至inp文件中，求解结果则以rst文件的形式保留，并将上述两个文件作为初始求解文件上传至服务端的ANSYS桥梁有限元安全计算模块中；
步骤三：信息转接模块在BIM桥梁运维管理模块和ANSYS桥梁有限元安全计算模块之间行使信息互馈功能：
i、通过以上步骤，将BIM桥梁运维管理模块中的初始BIM模型信息与ANSYS桥梁有限元安全计算模块的中的初始有限元模型计算信息设定完成后，信息转接模块读取并收集在rst文件中的有限元模型各单元节点的坐标信息、应力信息和变形信息，并根据节点的坐标信息在BIM桥梁运维管理模块的三维模型中进行重建和数据映射，以色域变化的形式对桥梁各个节点的应力和变形情况进行可视化展示，供用户使用客户端的信息查看模块查看储存在BIM桥梁运维管理模块中的运维管理信息和结构应力变形状态，并根据所调取信息的类型，生成自动化和格式化的报表，或者依附于三维模型进行可视化的展示；
j、用户可根据实际桥梁运维数据的变化，通过信息录入模块更新BIM桥梁运维管理模块中存储的桥梁的基本工程数据和运维管理信息，信息转接模块实时监测BIM桥梁运维管理模块中储存的有关桥梁结构力学性能参数的变化信息，并将这些变化信息转化为相应的命令流更新到上述ANSYS桥梁有限元安全计算模块生成的inp文件中；
k、当检测到inp文件中命令流信息出现了更新，信息转接模块通过调用ANSYS桥梁有限元安全计算模块的批处理功能，读取更新后的inp文件并自动在后台进行有限元分析，求解结果则以rst文件的形式保留，并覆盖上一次分析产生的rst文件；
l、信息转接模块重复步骤i中所执行的功能，读取并收集在新rst文件中的有限元模型各单元节点的坐标信息、应力信息和变形信息，并根据节点的坐标信息在BIM桥梁运维管理模块的三维模型中进行重建和数据映射，以色域变化对桥梁各个节点的应力和变形情况进行可视化展示，以实现桥梁运维信息与有限元计算结果的同步更新。
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