地鐵高架橋梁BIM應(yīng)用研究

■ 楊詠漪 劉發(fā)明 孫大力

地鐵高架橋梁往往在城市內(nèi)穿越，結(jié)構(gòu)物與市政道路、地下管網(wǎng)和周邊建筑物的關(guān)系非常復(fù)雜，在三維空間內(nèi)建立地鐵高架橋BIM模型進(jìn)行碰撞檢查、環(huán)境評(píng)價(jià)及后期運(yùn)維管理有很大意義。

目前，二維圖紙是橋梁專(zhuān)業(yè)的習(xí)慣交付成果，二維出圖方式與建筑業(yè)相比更為復(fù)雜，加之橋梁設(shè)計(jì)與線(xiàn)路、地形和地質(zhì)結(jié)合緊密，很多地方二維圖紙表達(dá)方式更為明晰。如何利用二維和三維程序的優(yōu)勢(shì)并將二者有機(jī)結(jié)合在一起是一個(gè)值得探索的問(wèn)題。以深圳地鐵6號(hào)線(xiàn)高架橋梁為背景，針對(duì)橋梁梁片曲線(xiàn)布置的特點(diǎn)，分別以AutoCAD和CATIA為平臺(tái)編寫(xiě)二次開(kāi)發(fā)程序，實(shí)現(xiàn)了快速的二維設(shè)計(jì)和三維建模功能，程序之間通過(guò)共享數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1 線(xiàn)路平曲線(xiàn)

地鐵中心線(xiàn)是一條空間線(xiàn)，其在平面上的投影稱(chēng)為平面線(xiàn)。平面線(xiàn)通常由三部分組成：直線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)、圓曲線(xiàn)。圓曲線(xiàn)是具有一定曲率半徑的圓?。痪徍颓€(xiàn)是在直線(xiàn)與圓曲線(xiàn)之間設(shè)置的曲率連續(xù)變化的曲線(xiàn)。在我國(guó)地鐵中一般采用三次拋物線(xiàn)來(lái)設(shè)置緩和曲線(xiàn)（見(jiàn)圖1）。

圖1中，JD為線(xiàn)路交點(diǎn)；HZ、ZH、HY、QZ、YH、HZ為曲線(xiàn)主點(diǎn)。JD即為鐵路兩直線(xiàn)相交的點(diǎn)；ZH是直緩點(diǎn)，是按線(xiàn)路前進(jìn)方向由直線(xiàn)進(jìn)入緩和曲線(xiàn)的分界點(diǎn)；HY是緩圓點(diǎn)，是按線(xiàn)路前進(jìn)方向由緩和曲線(xiàn)進(jìn)入圓曲線(xiàn)的分界點(diǎn)；QZ是曲中點(diǎn)；YH是圓緩點(diǎn)，是按線(xiàn)路前進(jìn)方向由圓曲線(xiàn)進(jìn)入緩和曲線(xiàn)的分界點(diǎn)；HZ是緩直點(diǎn)，是按線(xiàn)路前進(jìn)方向由緩和曲線(xiàn)進(jìn)入直線(xiàn)的分界點(diǎn)。

1.1 直線(xiàn)段坐標(biāo)計(jì)算

直線(xiàn)段中樁坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

圖1 線(xiàn)路平曲線(xiàn)要素

式中：Ai-1，i為路線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)JDi-1至JDi的坐標(biāo)方位角；Di為樁點(diǎn)至HZi-1點(diǎn)的距離，即樁點(diǎn)里程與HZi-1點(diǎn)里程之差；XHZi-1、YHZi-1為HZi-1點(diǎn)的坐標(biāo)；XJDi-1、YJDi-1為JDi-1點(diǎn)的坐標(biāo)；THi-1為切線(xiàn)長(zhǎng)。

1.2 緩和曲線(xiàn)段坐標(biāo)計(jì)算

帶對(duì)稱(chēng)緩和曲線(xiàn)段（見(jiàn)圖2）中樁坐標(biāo)計(jì)算如下。

曲線(xiàn)測(cè)設(shè)元素算式[1]：

緩和曲線(xiàn)段切線(xiàn)支距坐標(biāo)算式（兩段緩和曲線(xiàn)分別以ZH、HZ點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)）[2]：

緩和曲線(xiàn)段統(tǒng)一坐標(biāo)算式：

1.3 圓曲線(xiàn)段坐標(biāo)計(jì)算

圓曲線(xiàn)段切線(xiàn)支距坐標(biāo)算式[3]：

圓曲線(xiàn)段統(tǒng)一坐標(biāo)算式：

2 線(xiàn)路豎曲線(xiàn)

沿著線(xiàn)路中線(xiàn)豎直剖切得到的剖面即為縱斷面。縱斷面設(shè)計(jì)線(xiàn)主要由直線(xiàn)和豎曲線(xiàn)組成（見(jiàn)圖3）。

2.1 直線(xiàn)段高程計(jì)算

直線(xiàn)段高程計(jì)算公式比較簡(jiǎn)單，可以通過(guò)坡度和里程之間的關(guān)系來(lái)計(jì)算。

2.2 豎曲線(xiàn)段高程計(jì)算

圖3中，坡度轉(zhuǎn)折角ω1=i1-i2，ω1為正時(shí)表示凸形豎曲線(xiàn)，ω1為負(fù)時(shí)表示凹形豎曲線(xiàn)。像平面曲線(xiàn)一樣，豎曲線(xiàn)測(cè)設(shè)元素（見(jiàn)圖4）計(jì)算公式如下。

（1）豎曲線(xiàn)幾何要素計(jì)算：

圖2 帶對(duì)稱(chēng)緩和曲線(xiàn)的圓曲線(xiàn)

圖3 豎曲線(xiàn)示意

圖4 豎曲線(xiàn)幾何要素

ω=i1-i2，L=Rω，

（3）豎曲線(xiàn)上任意點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)高的計(jì)算。

①計(jì)算切線(xiàn)高程：H1。

②計(jì)算設(shè)計(jì)標(biāo)高：H=H1±y。

3 基于AutoCAD的二次開(kāi)發(fā)程序

地鐵高架橋梁片平面布置與大鐵梁片平面布置原則有較大區(qū)別。首先以曲線(xiàn)里程確定梁縫中心里程，并且相鄰梁片保持等梁縫，這樣《橋梁設(shè)計(jì)通用資料》上的梁片曲線(xiàn)布置方法不再適用?；谧鴺?biāo)法推導(dǎo)了地鐵高架橋梁布置算法，算法基于以下原則：（1）梁片工作線(xiàn)平分曲線(xiàn)中矢（采用二分法確定）；（2）同一橋墩上兩孔梁梁端偏距E取大值；（3）橋墩中心線(xiàn)向曲線(xiàn)外側(cè)偏移E值。

A u t o C A D在二維繪圖方面有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，以AutoCAD 2012為平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言在VS2010環(huán)境下編寫(xiě)了二次開(kāi)發(fā)程序。該程序直接讀取中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司線(xiàn)路數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)原則，利用數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)確定梁型、墩形、墩高及基礎(chǔ)形式。二維設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖5。

3.1 程序界面

程序基于Framework.net 4.0框架編寫(xiě)，界面友好便于輸入和查看各種橋墩和梁片幾何信息（見(jiàn)圖6）。

3.2 程序成果

程序主要用于繪制施工圖必不可少的橋梁總體布置圖、梁片平面布置圖、樁位坐標(biāo)表和梁片平面布置表。

4 基于CATIA的二次開(kāi)發(fā)程序

由于梁體、橋墩都需要空間定位，手工創(chuàng)建高架橋的三維模型工作非常繁瑣，鑒于二維程序已經(jīng)生成了高架橋梁各種參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，嘗試通過(guò)三維程序的二次開(kāi)發(fā)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)資料快速建立三維模型。

4.1 建立各種構(gòu)件模板庫(kù)

CATIA產(chǎn)品知識(shí)樣板系統(tǒng)為用戶(hù)提供了一種快速建模工具，可以將已經(jīng)定義好的、不管是簡(jiǎn)單還是復(fù)雜的模型特征通過(guò)交互的方法按新條件重新再現(xiàn)出來(lái)。定義的模板不僅包含幾何信息，還將相關(guān)參數(shù)、關(guān)系、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和知識(shí)庫(kù)包含進(jìn)去[4]。根據(jù)高架橋的特點(diǎn)創(chuàng)建了U形梁、橋墩和基礎(chǔ)模板（見(jiàn)圖7）。

圖5 二維設(shè)計(jì)流程

圖6 二維設(shè)計(jì)程序界面

圖7 高架橋構(gòu)件模板

4.2 CAA二次開(kāi)發(fā)

Component Application Architecture（CAA）組件應(yīng)用架構(gòu)是Dassault Systemes產(chǎn)品擴(kuò)展和客戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的強(qiáng)力工具。CAA采用組件對(duì)象模型（COM）和對(duì)象的連接與嵌入（OLE）技術(shù)。COM作為一種軟件架構(gòu)具備了更好的模塊獨(dú)立性、可擴(kuò)展性，使CAA的程序設(shè)計(jì)更加容易且趨于標(biāo)準(zhǔn)化，而且程序的代碼更加簡(jiǎn)潔明了。在CAA架構(gòu)的支撐下，Dassault Systemes系統(tǒng)可以像搭積木一樣建立起來(lái)，非常有利于系統(tǒng)的壯大和發(fā)展[5]。

地鐵高架橋三維建模程序與二維程序共享數(shù)據(jù)庫(kù)，程序讀取二維設(shè)計(jì)成果，數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)在三維空間內(nèi)進(jìn)行模板的實(shí)例化并通過(guò)發(fā)布的參數(shù)在構(gòu)件間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。用戶(hù)可以在三維空間內(nèi)方便地調(diào)整橋墩尺寸、基礎(chǔ)布置形式和進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，并將新的模型反饋到成果數(shù)據(jù)庫(kù)中供二維設(shè)計(jì)程序使用，從而實(shí)現(xiàn)二維和三維的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。三維建模流程、三維程序界面和成果見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 三維建模流程

圖9 三維程序界面和成果

5 結(jié)論

針對(duì)地鐵高架橋的特點(diǎn)，分別基于AutoCAD和CATIA編寫(xiě)了二次開(kāi)發(fā)程序，采用共享數(shù)據(jù)庫(kù)的方式實(shí)現(xiàn)了地鐵高架橋梁的二維和三維關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：（1）傳統(tǒng)二維圖紙對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的幾何尺寸表達(dá)更為直接明了，是必不可少的，通過(guò)AutoCAD二次開(kāi)發(fā)可以極大提高設(shè)計(jì)效率；（2）三維模型是BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)，通過(guò)CATIA二次開(kāi)發(fā)可以快速構(gòu)建三維模型；（3）二維和三維程序各有優(yōu)勢(shì)，必須相結(jié)合才能更好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。

[1] 李遠(yuǎn)富．線(xiàn)路勘測(cè)設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2004．

[2] 何景華．公路勘測(cè)設(shè)計(jì)[M]．北京：人民交通出版社，1985．

[3] 張志清．道路勘測(cè)設(shè)計(jì)[M]．北京：科學(xué)出版社，2005．

[4] 張?jiān)平埽瓹ATIA V5 R20高級(jí)應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2011．

[5] Dassault Systems．CAA V5 Encyclopedia，2011．