橋梁工程施工BIM技術(shù)建模方法研究

張宏敏

【摘 要】BIM技術(shù)涵蓋了在建筑工程的設(shè)計(jì)、施工、安裝、操作乃至整個(gè)生命周期與服務(wù)項(xiàng)目相關(guān)的大量信息。通過建立BIM模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)，可以在提高生產(chǎn)方面發(fā)揮巨大作用，有著保證生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)約成本、縮短工期及其他優(yōu)點(diǎn)。在橋梁工程背景的基礎(chǔ)上，本文介紹了CATIA軟件的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，討論了三維的基本思想橋梁工程施工階段模型，分析了建模過程中的關(guān)鍵和難點(diǎn)問題并提出解決方案。通過BIM三維建模，該項(xiàng)目在施工方面更清楚地掌握了具體情況，而且建立BIM模型將直接滿足施工管理的需要。

【關(guān)鍵詞】橋梁施工；BIM；CATIA；三維建模

中圖分類號(hào)：O319.56 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

一、引言

建筑信息模型（BIM）被用作創(chuàng)新工具和生產(chǎn)方法已引發(fā)歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的巨大變化，是針對(duì)性的作為包括建設(shè)項(xiàng)目在內(nèi)的相關(guān)信息和基于三維的數(shù)據(jù)模型，是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的整個(gè)生命周期進(jìn)行全方位的管理和協(xié)同工作，是建構(gòu)的物理特征、功能特征、數(shù)字軸承和視覺表達(dá)。[1]隨著經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，大型橋梁建設(shè)項(xiàng)目發(fā)展不斷增加，人們對(duì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性、安全性、施工效率以及橋梁質(zhì)量、預(yù)期壽命、景觀效應(yīng)的要求也逐漸提高。依靠傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)的施工方法已不能滿足人們對(duì)目前橋梁高標(biāo)準(zhǔn)要求和期望，信息技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)日益迫切且必要。[2]

過去，主要探討B(tài)IM技術(shù)在橋梁工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，和在理論層面上將BIM技術(shù)與橋梁工程項(xiàng)目的各個(gè)階段相結(jié)合，還有利用BIM軟件在工程建設(shè)階段進(jìn)行實(shí)際建模研究以減少預(yù)算。

本文以橋梁工程為工程背景，探討橋梁工程在應(yīng)用CATIA軟件對(duì)橋梁的施工階段進(jìn)行三維建模的具體過程，并提出建立合理有效的三維模型的方法和建議。合理有效的三維模型是BIM的應(yīng)用技術(shù)在建設(shè)過程中各方面的科學(xué)指導(dǎo)，建立合理有效的三維模型可以確保施工質(zhì)量和施工效率，合理分析工程質(zhì)量和安全并有助于施工監(jiān)控，合理有效的三維模型已成為如何建立最大經(jīng)濟(jì)效益的前提。

二、CATIA軟件介紹

CATIA軟件是DassaultSystèmes的先驅(qū)，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面處于世界領(lǐng)先地位。CATIA軟件擁有統(tǒng)一的用戶界面、數(shù)據(jù)管理與兼容、數(shù)據(jù)庫(kù)與應(yīng)用程序接口、以及創(chuàng)新解決方案的一眾優(yōu)點(diǎn)。由于它具有豐富的智能知識(shí)、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、有限元分析、NC編程、數(shù)字虛擬原型及可以在其他領(lǐng)域廣泛使用的強(qiáng)大功能模塊，它受到來(lái)自航空、汽車和其他諸多領(lǐng)域的用戶的青睞。

目前，大多數(shù)CAD/CAM軟件都具有參數(shù)化建模的功能，但有些需要通過軟件接口編程實(shí)現(xiàn)，這需要開發(fā)人員具有很高的編程水平；其中一些不能通過可視化的操作，就需要用戶掌握好軟件和操作。而CATIA能讓用戶通過樹的視覺特性，使用各種視覺工具來(lái)有效地進(jìn)行三維參數(shù)化建模。[3，4]

本文基于橋梁工程施工階段的建模實(shí)踐，重點(diǎn)介紹適用于橋梁工程的CATIA軟件的三維建模方法。

三、項(xiàng)目的建模方案

合理的橋梁工程三維模型是橋梁工程的基礎(chǔ)和前提，其將應(yīng)用于BIM技術(shù)指導(dǎo)、數(shù)字信息化建設(shè)、建設(shè)計(jì)劃、施工方法與進(jìn)度的優(yōu)化及橋梁施工過程中資源的動(dòng)態(tài)管理。合理的橋梁工程三維模型的建立需要以下步驟。

（一）地形地質(zhì)建模

地形地質(zhì)模型是基于地形點(diǎn)云，通過處理與優(yōu)化地形點(diǎn)云，生成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，再通過處理三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后形成地形實(shí)體模型。得到地形實(shí)體模型后，不同角度之間的切換可以清楚地顯示地面波動(dòng)[5]。這一步的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)AutoCAD信息數(shù)據(jù)和CATIA數(shù)據(jù)的交換。為了解決這個(gè)問題，該項(xiàng)目開發(fā)了一個(gè)CATIA軟件數(shù)據(jù)接口，并開發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換插件以實(shí)現(xiàn)AutoCAD和CATIA的數(shù)據(jù)交換。立體的地形地質(zhì)模型將適用于BIM應(yīng)用的后期，可滿足獲取地質(zhì)開挖面、切割地質(zhì)開挖體、計(jì)算開挖和開挖挖掘側(cè)的數(shù)據(jù)，及切割地質(zhì)剖面的垂直和水平部分的需要。

（二）橋梁模型的總體設(shè)計(jì)

CATIA不僅具有系統(tǒng)定義的參數(shù)，還具有用戶定義的參數(shù)。設(shè)計(jì)師可以通過以下方式輕松自定義如荷載、約束等各種參數(shù)和公式，也可以自定義用戶定義的參數(shù)和公式。其中，用戶定義的公式是建立在聯(lián)系系統(tǒng)參數(shù)和CATIA中的用戶參數(shù)之間的。在定義用戶參數(shù)之后，設(shè)計(jì)人員可以為相應(yīng)的特征參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的公式的3D模型，以便通過用戶參數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，然后控制圖的實(shí)際大小[4]。通過該方案可以很容易地解決使用CAD軟件建立偏斜30°T梁難的橋梁設(shè)計(jì)問題。為了確定模型建?；A(chǔ)的正確，需要通過真正的橋梁結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確地對(duì)接坐標(biāo)，確保模型信息和施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。也可以使用CAD軟件的三維曲面建模功能，以實(shí)現(xiàn)曲線外緣的邊緣光束寬度隨邊緣線的變化而變化。根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則來(lái)建立模型，一方面可以提高模型的準(zhǔn)確性，另一方面可以由用戶直接查詢模型坐標(biāo)來(lái)指導(dǎo)施工。

（三）組件設(shè)計(jì)

橋梁工程中的主要構(gòu)件一般包括有主梁、連接構(gòu)件、支撐、基礎(chǔ)、連接節(jié)點(diǎn)、橋面板、及輔助設(shè)備等。因此，在BIM建模之前，橋梁的主要結(jié)構(gòu)需要與橋梁施工方法相結(jié)合，橋梁的主要組成部分都要根據(jù)設(shè)計(jì)組件的圖紙進(jìn)行建模。雖然CATIA軟件有匯編功能，但它以現(xiàn)有匯編功能對(duì)橋梁組件之間的相對(duì)位置關(guān)系定位還是非常不方便的。對(duì)橋梁組件之間的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行定位，首先需要對(duì)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)橋梁線的控制信息及空間的控制點(diǎn)進(jìn)行確定，然后參考這個(gè)信息進(jìn)行建模，最后直接組合成整個(gè)結(jié)構(gòu)。

在深入熟悉設(shè)計(jì)圖紙后，本文重點(diǎn)介紹具有簡(jiǎn)單支撐的傾斜梁的T梁的結(jié)構(gòu)的建模。在橋梁工程中超級(jí)副本的高效快速建模過程中，大多數(shù)組件都是結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而且大多數(shù)構(gòu)件也都不是標(biāo)準(zhǔn)組件。所以，在特定的橋梁項(xiàng)目中，通常會(huì)出現(xiàn)較大的差異并且還具有一定子元素的變化。[5]因此，在建模項(xiàng)目中，進(jìn)行分析組件的類似結(jié)構(gòu)特征，提前將零件嵌入這些組件中，然后通過提取相關(guān)裝配信息，在裝配過程中使用相同類型的組件時(shí)，就可以通過創(chuàng)建模板進(jìn)行超級(jí)復(fù)制，并選擇instantiation命令，用于創(chuàng)建相同類型的其他組件，以實(shí)現(xiàn)裝配關(guān)系重復(fù)定義，這樣可以確保建模準(zhǔn)確性并提高建模效率。

四、結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究了基于CATIA軟件進(jìn)行構(gòu)建三維模型的一般思路，和探究了在CATIA軟件中知識(shí)工程模塊中可使用的可視化工具及方法。其中，劃分和建立BIM的組件的方法決定了它的便利性，同時(shí)也取決于項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。所建模型要與后續(xù)施工階段的進(jìn)展一致，對(duì)質(zhì)量和安全問題需要更加準(zhǔn)確的跟蹤。只有一個(gè)符合施工過程的合理模型，才能對(duì)施工階段的后續(xù)進(jìn)展，和質(zhì)量安全問題進(jìn)行更加合理的跟蹤和準(zhǔn)確的監(jiān)控，所以通過正確的建模方法，結(jié)合相關(guān)理論進(jìn)行建模對(duì)于BIM的實(shí)際應(yīng)用及擴(kuò)展研發(fā)都意義重大。

【參考文獻(xiàn)】

[1] Gao Jing-jing， Zou Jun-zhen， Zhang Jin-yue. Application of BIM Technology in Bridge Construction[J]. Western China Communications Science & Technology， 2016（1）.

[2] Wang Bin. Research On The Application Of Building Information Modeling In Bridge Engineering[D]. Nanjing， Southeast University， 2015.

[3] Huang Jun-xuan， Zhang Lei， Ye Yi. 3D Modeling Method of Large Bridge based on CATIA[J].Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture， 2012（4）：51-55.

[4] Chen Jing-xin，Xu Jing，Lu Guo-min， et al. Three dimensional parametric modeling method based on CATIA and its application[J]. Journal of Machine Design， 2003， 20（8）：48-50.

[5] Du Xiao， Ren You-feng， Shang Anfan. Application of 3D CATIA in Design of Cable-stayed Bridge with Unequal Span[J].Northwest Hydropower， 2016（3）