摘要
运输基础设施工程中，建筑信息模型（BIM）几何模型与有限元方法（FEM）分析模型之间的数据孤岛和拓扑不兼容性是阻碍实时数字孪生分析和行业智能化转型的关键瓶颈。通过对现有BIM到FEM转换方法及其局限性的深入研究，本研究提出了一种“BIM-FEM”无缝转换和动态孪生映射方法，该方法将参数化建模与有限元网格划分相结合，将建模和修复时间从16小时缩短至3小时，并将最大元素长宽比从84.78提高到16.59。在几何拓扑方面，我们提出了一种协同构建方法，其中有限元六面体网格划分规则反向指导BIM参数化建模。通过规范线性交通结构的轴线和截面特征点的分解并优化其拓扑结构，实现了无拓扑误差的完全自动化六面体网格划分。在机械分析方面，提出了一种“离线预处理、在线叠加”的计算顺序简化模型，该方法将动态交通荷载的高维全范围有限元求解简化为影响线矩阵与实时荷载向量之间的点积运算，从而在高并发动态交通条件下实现亚秒级计算响应——具体而言，单点映射时间不到0.27毫秒，增量更新控制在0.2秒以内。在时空映射和系统应用方面，建立了一种基于逆向等参变换和AABB（轴对齐边界框）空间索引的高保真“FEM-BIM”映射机制，支持在网站上实时渲染3D云图并应用于工程领域的数字孪生技术。将该方法应用于实际桥梁工程的数字孪生系统，证明了其能够自动进行结构安全性评估和健康状况预测，总体计算时间比传统方法减少了约73%。这弥补了传统结构健康监测方法（侧重于基于传感器的识别而非机械评估）的不足，为交通基础设施在其整个生命周期内的智能化、精确化管理与维护提供了可行路径。
