高桩码头BIM孪生建模及有限元模型转换方法研究.pdf
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1、2023 年 9 月水运工程Sep.2023第 9 期 总第 614 期Port&Waterway EngineeringNo.9 Serial No.614信息技术高桩码头 BIM 孪生建模及有限元模型转换方法研究潘新颖1,2,费华平1,史宏达1,2,赵鸿鸣2(1.中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266100;2.山东省海洋工程重点实验室,山东 青岛 266100)摘要:在智慧港口建设的背景下,BIM 技术对港口数字化转型的推动作用愈发显著,建立码头基础设施的数据底盘,以此为载体实现码头基础设施数字孪生多维应用。为探究高桩码头数字化管理及孪生应用的有效方法,基于 Revit 软件及其二次
2、开发技术,根据高桩码头结构特点,提出衔接 BIM 模型和有限元模型的孪生建模方法,建立高桩码头 BIM 模型;开发高效的模型转换程序,准确生成高桩码头有限元模型,并通过案例应用,验证了建模方法及转换过程的合理性和正确性。关键词:BIM;高桩码头;孪生建模;模型转换中图分类号:U656.1+13文献标志码:A文章编号:1002-4972(2023)09-0165-06BIM twin modeling and finite element model conversion method of high-piled wharf PAN Xinying1 2 FEI Huaping1 SHI Hon
3、gda1 2 ZHAO Hongming2 1.College of Engineering Ocean University of China Qingdao 266100 China 2.Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering Qingdao 266100 China Abstract In the background of smart port construction building information modeling BIM technology plays an increasingly signif
4、icant role in promoting the digital transformation of ports and the data chassis of wharf infrastructure is built as a carrier to realize the multi-dimensional application of digital twins of wharf infrastructure.To explore the effective method of digital management and twin application of a high-pi
5、led wharf based on Revit and its secondary development technology and according to the structural characteristics of the high-piled wharf this paper proposes a twinning modeling method connecting the BIM model and finite element model to build the BIM model of the high-piled wharf.The paper also dev
6、elops an efficient model conversion program to accurately generate the finite element model of a high-piled wharf and verifies the correctness and rationality of the modeling method and conversion process by case application.Keywords BIM high-piled wharf twin modeling model conversion收稿日期:2022-12-09
7、基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFB2601100)作者简介:潘新颖(1976),女,博士,副教授,从事海岸动力学工程应用及港口工程结构分析。随着科学技术的进步和港口管理水平的发展,各种新技术、新理论、新观念交叉融合应用,大幅推动了智慧港口的建设发展。BIM 技术作为一项推进数字化的重要技术,在智慧港口建设中发挥越来越重要的作用。现阶段,建筑信息模型(building information modeling,BIM)技术在港口工程尤其是在码头的应用大多依托于各类工程建设,与具体工程密切相水 运 工 程2023 年关,在高桩码头全生命周期各个阶段都存在巨大应用价值 1。蔡波 2 在高
8、桩码头设计时,提出BIM 技术参数化设计、标准化出图等应用点,大幅提高了表达的准确性和设计效率;陈静等 3 基于 BIM 技术建立某高桩码头的三维模型及数据库,集成传感器监测数据,提高了码头信息化水平;李薇等 4、原媛等 5 基于 BIM 技术,对高桩码头施工过程中的计划模拟、进度管理进行实践,优化了施工进度;于海涛等 6 通过搭建基于 BIM 的码头运维管理系统,建立三维模型,输入检查维修信息,提高码头智能化运维水平。根据已有研究可知,BIM 技术在码头工程中的应用多集中在数字模型构建、施工组织管理和管理平台搭建等单一方面,并不能满足码头孪生模型多维应用的要求。高桩码头三维受力复杂、敏感,拓
9、展高桩码头 BIM 模型的力学分析功能,可进一步发挥码头数字孪生体的应用价值。目前,利用 BIM 技术对码头结构进行力学分析的研究尚少,现有 BIM 软件中的力学分析功能,在计算求解、结果分析等方面有很大的局限性,相比专业有限元软件仍有较大差距7。由于高桩码头构件较多、结构形式复杂,在有限元软件中建立精细化模型难度较大、花费时间较长。因此,实现 BIM 模型向有限元分析模型转换是十分必要的。模型转换通常有 2 种方式:1)通过 IFC 标准格式的中间文件进行间接转换;2)通过提取 BIM模型的几何信息和物理属性等信息,将其直接转换为力学模型建模语言格式,在有限元软件中生成有限元模型8。直接提取
10、的方式可根据高桩码头结构形式和建设使用特点灵活设计,获取有限元模型生成的必要信息。1 开发环境与思路1.1 高桩码头 BIM 建模与有限元分析原理Revit 软件在三维建模和信息集成方面,十分贴合高桩码头的 BIM 建模需求,具有添加模型参数、定义材料属性、补充施工信息等功能,可导出 ACIS、IFC 等多种格式。通过 Revit 二次开发技术,可根据不同需求利用丰富的接口提取模型各类数据,用作其他软件或项目的信息输入。高桩码头荷载情况复杂、构件数量庞大,结构传力难以计算和模拟,可选用有限元法进行力学特性分析。有限元分析的基本思想是利用有限多个离散的单元组合体近似替代原有的连续结构,然后分别对
11、组合体进行力学分析,最后整体分析原连续结构的力学特性。本文将高桩码头整体简化假定为理想弹性体,采用线弹性模型对码头进行静力分析,符合广义胡克定律:x=1Ex-(y+z)y=1Ey-(x+z)z=1Ez-(x+y)(1)xy=xyGyz=yzGzx=zxG(2)式中:x、y、z分别为 x、y、z方向叠加的累计应变;E 为弹性模量;为泊松比;x、y、z分别为 x、y、z方向的正应力;xy、yz、zx分别为 xOy、yOz、zOx 平面的剪应变;xy、yz、zx分别为 xOy、yOz、zOx 平面的剪应力;G 为剪切弹性模量,满足:G=E2(1+)(3)有限元分析的技术载体是有限元软件,本文选取 A
12、NSYS 软件进行高桩码头有限元分析。形如高桩码头这类复杂的几何模型,在 ANSYS 中直接构建较为困难,可选择软件支持的 ACIS 文件格式,从其他数据源导入几何模型文件。661 第 9 期潘新颖,等:高桩码头 BIM 孪生建模及有限元模型转换方法研究1.2 BIM 模型转换有限元模型方法与思路目前,BIM 模型向有限元模型主要有 2 种方式:1)基于 IFC 标准进行信息传递,但由于高桩码头模型的 IFC 标准尚不完善,转换时容易导致信息丢失现象;2)基于软件的二次开发提取有限元模型生成所需的几何特性、物理信息、网格特征、约束荷载信息等。转换过程须满足信息完整性、准确性、可调节性的要求。本
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