BIM技術在鐵路40 m簡支梁設計中的應用

潘永杰，蘇永華，魏乾坤，賈王育，郭 維

(中國鐵道科學研究院集團有限公司，鐵道建筑研究所,北京 100081)

目前我國高速鐵路橋梁以預制架設的32m預應力混凝土簡支箱梁為主，箱梁設計的標準化、預制的工廠化、運架的機械化等技術為高速鐵路規(guī)?；ㄔO提供了保證。隨著高速鐵路建設的縱深發(fā)展，中西部地區(qū)高速鐵路建設逐年增多，為降低高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)深基礎橋梁的工程造價，在既有成果積累的基礎上，我國開展了40m大跨度預制簡支梁成套技術研究和應用推廣工作[1]。

本文開展了BIM技術在40m簡支梁設計中的研究和應用工作，涉及模型結構[5]分解、精細化BIM模型構建和BIM設計交底系統(tǒng)研發(fā)3個方面，以期為全生命周期BIM模型使用和信息流轉奠定基礎。

1 面向裝配化的模型結構分解

高速鐵路40 m簡支梁具有跨度大、技術含量高等特點，反映到BIM模型上則表現(xiàn)出模型體量大、構成單元多、層級結構復雜的特性，因此制定一套完整、規(guī)范的模型結構至關重要。借鑒制造業(yè)產品生產管理方式，采用“基于BOM(Bill of Material)”模式對40 m簡支梁進行模型結構分解，一方面依據(jù)設計固有表達方式，體現(xiàn)詳細的構造細節(jié)，準確反映設計意圖；另一方面考慮簡支梁制造、運輸、架設乃至運營一體化管理和模型精細度的對應要求，實現(xiàn)設計、制造環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳遞和信息集成的渠道貫通，并為后期運營提供數(shù)據(jù)信息接口，統(tǒng)籌全生命周期的應用需求。

為此，將40 m簡支梁視為裝配化的綜合平臺，實現(xiàn)不同構件層級的裝配化：①充分考慮簡支梁制造需求，提供如預應力自動張拉[6]、管道智能壓漿[7]等施工數(shù)據(jù)匹配的對象實體，將簡支梁主體結構合理拆分，形成面向裝配化的主梁結構；②考慮鐵路不同結構形式的常用跨度簡支梁應用模式，搭載附屬設施(包括線路結構)產品庫，對簡支梁主體結構與附屬設施進行一體化BIM設計，實現(xiàn)兩者的標準化設計和模塊化的靈活組裝。

模型結構分解的具體原則如下：①涵蓋40 m簡支梁綜合平臺的所有組成單元，并賦予唯一編碼標識；②清晰地劃分層級結構和邏輯關系，為不同業(yè)務子系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、集成和追溯提供實體；③作為制造階段計劃編制、物料領用、成本核算等過程管控對象的最小劃分粒度，為精細化管理提供條件。

按照上述原則，將40 m簡支梁分為主梁、支座和附屬設施3大類。根據(jù)具體工程項目采用不同的通用圖靈活組合裝配，輸出40 m簡支梁不同結構形式的整體BIM設計模型。主梁信息模型結構分解如圖1所示。

屬性信息的定義和賦加是設計階段BIM應用的重要環(huán)節(jié)，直接關系到后續(xù)信息流轉和應用效率?；诖_定的模型結構劃分，梳理簡支梁構成單元的設計信息，如表1所示。

圖1 40 m簡支梁主梁信息模型結構分解

構成單元名稱設計信息基本信息技術參數(shù)工程數(shù)量梁體混凝土單元名稱、單元編號、IFD(International Framework for Dictionaries)編碼、梁體長度、橋面寬度、底板寬度、梁體高度材料、強度等級、設計彈性模量梁端防水層單元名稱、單元編號、IFD編碼、防水層厚度材料、設置位置、設計抗拉強度預應力鋼絞線單元名稱、單元編號、IFD編碼、根數(shù)、設計長度、公稱直徑材料、對應二期恒載分級、規(guī)格、公稱直徑、下料長度、工作長度、伸長值、不同張拉階段標識、不同張拉階段順序號、不同階段錨外控制應力、不同階段錨外張拉力設計工程量、單位管道壓漿單元名稱、單元編號、IFD編碼、設計長度材料、強度等級支座預埋件單元名稱、單元編號、IFD編碼、長度、寬度、厚度、材料、防腐措施鋼筋單元名稱、單元編號、IFD編碼、直徑、根數(shù)、長度材料、規(guī)格支座單元名稱、單元編號、IFD編碼、支座板幾何尺寸、支座高度材料、規(guī)格型號、適用動峰值加速度、支座設計豎向承載力、支座設計轉角、支座設計位移(順橋向、橫橋向)

IFD編碼[8]是構成單元的基本信息之一，在分類、統(tǒng)計中發(fā)揮重要作用。橋梁構件模型結構分解一般基于《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》(1.0版)中的53表，按照功能特征對構件進行分類，但對單獨的箱梁梁體不完全適用?？紤]到梁體結構由多種鐵路工程產品構成，結合53表及擴展補充58表的分類，編制完成每一類構成單元的編碼。

2 BIM模型構建

受BIM技術成熟度和管理交付模式所限，BIM正向設計還處于探索階段，目前仍以翻模為主。40 m簡支梁BIM模型構建也是采取此種模式。本文基于CATIA軟件進行建模，涉及模型精度[9]和衍生的產品庫,具體要求為：①按照LOD3.5模型精度[1]對混凝土梁體、普通鋼筋、預應力筋、輕質橋面、近軌矮屏障、無砟軌道等構成單元進行精細化建模，建模過程中開展信息集成、碰撞檢查、方案優(yōu)化、工程量統(tǒng)計等輔助設計工作；②立足裝配化思想，對標準化產品開展參數(shù)化建模，逐漸積累鐵路簡支梁的配套產品庫。

2.1 基于BIM的設計優(yōu)化

通過圖紙審核和模型碰撞實現(xiàn)基于BIM的設計優(yōu)化。首先根據(jù)設計圖紙進行BIM建模，基本原則是保持與二維設計圖紙的一致性，建模過程完成圖紙的校核；然后通過BIM技術進行碰撞檢測，輸出分析報告，反饋至專業(yè)設計人員，由其確定修改方案，進而更新BIM模型，優(yōu)化二維設計圖紙。重復上述過程，直至二維設計圖紙差錯漏碰問題基本解決，誤差在允許范圍內；最后進行設計鋼筋大樣圖輸出及分類工程量統(tǒng)計，形成交付成果。設計流程如圖2所示。

圖2 基于 BIM 的40 m簡支梁輔助優(yōu)化設計流程

基于BIM的設計優(yōu)化包括以下工作重點：

1)圖紙審核

模型創(chuàng)建過程中對圖紙的數(shù)量、標注、空間關系等內容進行校核，實質是二維設計成果的過程審查。

2)碰撞檢查

在二維設計圖紙中，預應力筋與梁體配筋是分開布置的，對于空間出現(xiàn)的碰撞問題無法避免，只能通過施工人員自行調整，這不僅給施工過程帶來困擾，也給設計質量帶來一定的不確定性。

為了避免施工過程中的無序修改，借助BIM技術進行幾何體的碰撞檢查，可深度分析基于二維設計成果中鋼筋、預應力筋與其他零件的空間關系。直觀反饋其中的不合理之處，實現(xiàn)問題前置化，進而提前調整相應單元的空間布置，減少變更及現(xiàn)場返工。

碰撞檢查內容主要包括普通鋼筋與預應力筋管道的碰撞(如圖3所示)、普通鋼筋與梁體的碰撞、預埋件與預應力筋管道的碰撞。

圖3 普通鋼筋與預應力筋管道的碰撞

3)信息精準輸出

40 m簡支梁BIM模型承載了混凝土數(shù)量、預應力筋長度、管道壓漿體積等詳細工程信息，可精準分類、輸出工程量信息，輔助二維設計成果的完善。

以鋼筋為例，結合規(guī)范規(guī)定的彎鉤長度要求對帶肋鋼筋進行準確放樣，自動輸出二維鋼筋大樣圖(如圖4所示，標注需后期調整)，可直接指導現(xiàn)場應用。

圖4 鋼筋大樣輸出圖(單位：mm)

2.2 參數(shù)化建模及產品庫

參數(shù)化是BIM技術的顯著特點之一，考慮40 m簡支梁具有不同的結構類型以及配套的附屬設施，可通過控制多類型參數(shù)調整模型中數(shù)據(jù)關系，實現(xiàn)模型屬性信息對應改變，提高建模效率。

1)梁體及鋼筋

將梁體各項指標(包括長、寬、高等各種幾何尺寸，共計53個)設置為參數(shù)，通過BIM建模軟件以.xls格式導出各項指標，基于.xls格式改變參數(shù)輸入量值，基于參數(shù)驅動實現(xiàn)不同跨度梁體模型的快速調整。

根據(jù)鋼筋彎折角度(135°，90°)繪制模板，將幾何信息(如長度、直徑等)進行參數(shù)化設置，實現(xiàn)模型批量實例化。針對長度隨梁體造型變化的部分鋼筋，根據(jù)其漸變規(guī)律在CATIA中自動計算彎折點后進行鋼筋實例化。

2)鐵路標準產品庫

鐵路簡支梁設計中應用了多種產品，如錨墊板、錨具、支座、防落梁裝置等，這些產品標準化程度高[10]、重復使用率高。因此，可根據(jù)標準產品的幾何尺寸、屬性信息，搭建簡支梁常用配套標準產品庫，方便在不同類型簡支梁設計中調用，從而提高設計效率，實現(xiàn)標準產品的累積和繼承。

通過獲取并存儲相關產品的設計參數(shù)，建立鐵路常用跨度簡支梁所配套的產品模型，借助目錄編輯器模塊逐漸形成標準產品庫。流程如圖5所示。

圖5 標準產品庫的建立流程

3 BIM設計交底系統(tǒng)研究

BIM技術不僅在設計優(yōu)化中發(fā)揮了重要價值，而且為設計交底提供了豐富的展現(xiàn)方式。。考慮簡支梁設計交底內容形式的通用性，泛化了設計交底系統(tǒng)定位：不局限于40 m梁，而是立足不同鐵路等級(高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路以及重載鐵路)、結構形式、設計時速、跨度、線路類型形成的標準簡支梁和常用跨度連續(xù)梁，支持不同BIM設計軟件的三維模型導入、多方式的設計交底與信息傳遞。目的是實現(xiàn)鐵路常用跨度混凝土梁模型可視化，設計信息綜合展示和一致性傳遞，拓展設計方與建設、施工及監(jiān)理方的交流手段，提升設計單位的服務水平。

基于40 m簡支梁全生命周期BIM技術應用規(guī)劃及模型成果，確定了BIM設計交底系統(tǒng)架構，包括展示層、應用層和數(shù)據(jù)層，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)架構

為豐富設計交底內容和形式，設計了梁體模型、附屬設施模型、圖紙查看、三維設計交底、資料管理、模型裝配、模型上傳等功能模塊，如圖7所示。

圖7 設計交底系統(tǒng)主要功能模塊

簡支梁BIM模型包含單元種類多，關系錯綜復雜，通過整體BIM模型很難查看特定元素之間的相互關系。為此，對梁體模型和附屬設施模型模塊的展示內容進行開放式設計，通過靈活定義不同單元的組裝，實現(xiàn)簡支梁不同裝配單元的對應、查看和對比，滿足不同人員對設計模型的使用需求。

以梁體模型裝配為例，通過模型上傳完成梁體混凝土、普通鋼筋、預埋鋼筋、加強鋼筋、預應力鋼筋、錨墊板、支座預埋鋼板等單元輕量化格式的分類存儲，根據(jù)不同需求形成了橋面布置、翼緣板構造、接觸網加強構造、綜合接地、電纜上橋等多個固定組合單元。還可以選擇不同裝配模型結構樹中的子類，實現(xiàn)具體元素組合(如圖8所示)，其組合內容包括空間相對關系及參數(shù)信息。

圖8 不同元素的自由組合設計

4 結語

1)開展了40 m簡支梁信息模型結構分解和設計基本信息定義，為制造、運輸、架設及運營維護關鍵信息的創(chuàng)建、管理和共享奠定了基礎。

2)構建了面向全生命周期的40 m簡支梁設計BIM模型，通過圖紙審核和碰撞檢查輔助二維設計圖紙優(yōu)化，對梁體、普通鋼筋進行了參數(shù)化建模，實現(xiàn)鋼筋大樣圖輸出，構建了錨墊板、支座等簡支梁標準產品庫，提升了鐵路40 m簡支梁二維設計精度和效率。

3)秉承裝配化管理理念，開展了BIM設計交底系統(tǒng)原型設計及研發(fā)，通過對不同裝配單元的自由組合，實現(xiàn)模型的靈活查看及相對空間位置的準確展示，豐富了設計交底表達方式。