福廈鐵路泉州灣特大橋工程BIM技術(shù)應(yīng)用研究

李沅璋，趙月悅

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

建筑信息模型（BIM）作為一種多維模型信息技術(shù)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和業(yè)界的普遍關(guān)注。在建筑行業(yè)，BIM技術(shù)的應(yīng)用已趨于成熟，逐漸從單一建模使用發(fā)展到運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段的應(yīng)用。

目前，越來(lái)越多的業(yè)主和建設(shè)部門(mén)提出應(yīng)用BIM技術(shù)的要求。BIM技術(shù)已在橋梁工程的設(shè)計(jì)和施工中廣泛應(yīng)用，并逐步向全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期邁進(jìn)[1]。與橋梁工點(diǎn)相比，鐵路橋梁BIM設(shè)計(jì)存在模型體量大、橋梁類(lèi)型多、線(xiàn)路里程長(zhǎng)等難點(diǎn)，促使鐵路橋梁BIM設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化方法以提高建模效率。

1 鐵路橋梁BIM技術(shù)發(fā)展概況

隨著鐵路技術(shù)的發(fā)展和BIM技術(shù)的應(yīng)用，鐵路橋梁的BIM設(shè)計(jì)已經(jīng)積累了一定經(jīng)驗(yàn)。在武襄十鐵路BIM設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通過(guò)采用模型拆分和組裝的設(shè)計(jì)思路，減少了工作量，為后續(xù)鐵路橋梁BIM設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)[2]。

在深茂鐵路潭江特大橋BIM設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員采用達(dá)索平臺(tái)多種設(shè)計(jì)軟件分項(xiàng)建立、交互整合全橋BIM模型，將BIM技術(shù)應(yīng)用在鐵路橋梁的正向設(shè)計(jì)中，為鐵路橋梁BIM正向設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)[3]。

以福廈鐵路泉州灣特大橋BIM設(shè)計(jì)為依托，結(jié)合既有鐵路橋梁的BIM設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用CATIA平臺(tái)，建立全橋結(jié)構(gòu)的BIM模型，并對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題提出解決方案，為后續(xù)鐵路橋梁BIM設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

2.1 線(xiàn)位走向

福廈鐵路北起福州市，接入京福高鐵，南至漳州市，銜接廈深鐵路，途經(jīng)福清、莆田、泉州、廈門(mén)，線(xiàn)路全長(zhǎng)277 km。

福廈鐵路泉州灣特大橋位于福建省泉州市，始于臺(tái)商投資區(qū)，跨越泉州灣后進(jìn)入晉江市，止于石獅市境內(nèi)，橋梁全長(zhǎng)20.3 km。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)形式

泉州灣特大橋橋址跨越多條市區(qū)道路、高等級(jí)航道，立交情況復(fù)雜。因此全橋設(shè)立多種大跨度結(jié)構(gòu)及特殊結(jié)構(gòu)以保證立交、通航需求。

泉州灣特大橋上部結(jié)構(gòu)主要有：32、24 m標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁，主跨400 m雙塔雙索面鋼-混結(jié)合梁斜拉橋、（76+160+76）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)拱、（94+168+94）m連續(xù)梁、（3×70）m多聯(lián)無(wú)支座連續(xù)剛構(gòu)。此外，全橋采用的梁型還包括30.1、29.6 m非標(biāo)簡(jiǎn)支梁，（40+64+40）m連續(xù)梁、（60+100+60）m連續(xù)梁等數(shù)十種常用跨度連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。

泉州灣特大橋橋墩結(jié)構(gòu)包括圓端型實(shí)體橋墩（3～24 m）、圓端型空心橋墩（24～35m）、雙薄壁墩、門(mén)式墩，橋臺(tái)結(jié)構(gòu)類(lèi)型包括矩形填方橋臺(tái)、矩形挖方橋臺(tái)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括8×Φ1.0 m、10×Φ1.0 m、24×Φ2.8m等數(shù)十種布置形式。

3 BIM設(shè)計(jì)流程

3.1 設(shè)計(jì)思路及流程

泉州灣特大橋中，32、24 m標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁占橋全長(zhǎng)的70%，為減少重復(fù)建模，以梁部結(jié)構(gòu)、橋墩、基礎(chǔ)、附屬結(jié)構(gòu)為對(duì)象，分別建立模型庫(kù)，在模型組裝過(guò)程中使用參數(shù)調(diào)用模型，完成全橋結(jié)構(gòu)模型組裝。

結(jié)合已有鐵路橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及項(xiàng)目實(shí)際情況，確定了泉州灣特大橋BIM設(shè)計(jì)流程：（1）明確泉州灣特大橋BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范；（2）創(chuàng)建零件庫(kù)；（3）建立可更新的參數(shù)化模型；（4）特殊梁型工點(diǎn)化設(shè)計(jì)；（5）批量模型參數(shù)化裝配；（6）全橋結(jié)構(gòu)裝配；（7）模型的反饋調(diào)試與碰撞檢查；（8）工程結(jié)構(gòu)算量及出圖。

3.2 建立參數(shù)化模型

參數(shù)化模型中參數(shù)的選取需要依據(jù)模型結(jié)構(gòu)的邊界條件確立。對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)或坐標(biāo)參數(shù)變化的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，可以在建立完整結(jié)構(gòu)模型的同時(shí)設(shè)立坐標(biāo)參數(shù)，后期調(diào)用時(shí)通過(guò)變化參數(shù)來(lái)達(dá)到適用工點(diǎn)的目的。

位于直線(xiàn)線(xiàn)路上的簡(jiǎn)支梁及常規(guī)跨度連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，由于其模型重復(fù)使用率高，因此采用圖紙中的梁部尺寸直接進(jìn)行零件庫(kù)建模（見(jiàn)圖1）。在零件組裝之后的模型結(jié)構(gòu)中設(shè)立局部坐標(biāo)系預(yù)留對(duì)外接口，保證對(duì)外參數(shù)化裝配條件。

對(duì)于結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜、模型參數(shù)較多、無(wú)法使用模型參數(shù)表示的情況，需將整體模型拆分、細(xì)化，提取細(xì)化后的模型變量作為參數(shù)。將拆分后的模型作為基本構(gòu)件，通過(guò)在工點(diǎn)處使用構(gòu)件直接進(jìn)行模型裝配，完成工點(diǎn)的全橋BIM模型設(shè)計(jì)。

位于曲線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)的梁部結(jié)構(gòu)，由于模型泛用性低，因此采用逐個(gè)工點(diǎn)建模的思路。以變截面梁段為基礎(chǔ)，在BIM軟件中建立梁段的超級(jí)副本，形成工點(diǎn)梁的節(jié)段參數(shù)化模型（見(jiàn)圖2），再根據(jù)實(shí)際工程位置進(jìn)行裝配建模。

橋梁下部結(jié)構(gòu)橋墩、基礎(chǔ)在建模時(shí)，對(duì)各零件高度及控制截面尺寸等數(shù)據(jù)設(shè)定參數(shù)，建立模型（見(jiàn)圖3）。由于下部結(jié)構(gòu)種類(lèi)較多，因此采用以結(jié)構(gòu)名稱(chēng)為參數(shù)的建模思路，將模型形式以參數(shù)化表達(dá)。設(shè)立局部坐標(biāo)系預(yù)留對(duì)外接口，保證參數(shù)化裝配條件。

3.3 全橋裝配

圖1 32m標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁模型

圖2 以變截面梁段為超級(jí)副本組裝的工點(diǎn)梁模型

圖3 橋墩、基礎(chǔ)參數(shù)化模型庫(kù)

鐵路橋梁結(jié)構(gòu)裝配過(guò)程需要依托鐵路線(xiàn)位建立與各梁部、橋墩所適配的坐標(biāo)系。在各坐標(biāo)系調(diào)用庫(kù)中的參數(shù)化模型，完成庫(kù)中模型的定位。修改模型尺寸參數(shù)以適用工點(diǎn)，完成裝配。

梁部模型在裝配時(shí)，首先需在模型庫(kù)中通過(guò)設(shè)立局部坐標(biāo)系預(yù)留對(duì)外接口，保證對(duì)外參數(shù)化裝配條件，并在全橋裝配模型中建立與之對(duì)應(yīng)的定位坐標(biāo)系。在插入模型后選取模型陣列定義實(shí)例化的部件，通過(guò)坐標(biāo)系定位，完成梁部模型的批量裝配（見(jiàn)圖4）。

橋梁下部結(jié)構(gòu)裝配不同于梁部結(jié)構(gòu)的裝配。下部結(jié)構(gòu)參數(shù)化內(nèi)容不僅涵蓋結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)信息，還涵蓋結(jié)構(gòu)類(lèi)型信息。相比梁部裝配，下部結(jié)構(gòu)裝配所使用的參數(shù)信息量更大。因此需要通過(guò)外部表格對(duì)下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與整理，使其與平臺(tái)資源表所設(shè)立的參數(shù)模板適配。通過(guò)利用平臺(tái)資源表和知識(shí)工程二次開(kāi)發(fā)批量調(diào)用各橋墩、基礎(chǔ)模板，從而實(shí)現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)的批量裝配（見(jiàn)圖5）。

4 BIM設(shè)計(jì)成果

4.1 全橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目以線(xiàn)位資料為依托，以坐標(biāo)系定位梁部、橋墩、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，通過(guò)模型庫(kù)進(jìn)行全橋裝配，完成福廈鐵路泉州灣特大橋全橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖6）。

圖4 梁部模型批量裝配

圖5 橋梁下部結(jié)構(gòu)批量裝配

圖6 福廈鐵路泉州灣特大橋BIM模型

4.2 專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

通過(guò)自動(dòng)裝配的插件，基于線(xiàn)路快速生成接觸網(wǎng)BIM模型（見(jiàn)圖7），并與線(xiàn)路坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)。通過(guò)鏈接接觸網(wǎng)模型，基于接觸網(wǎng)的定位孔信息，完成預(yù)埋件的設(shè)計(jì)工作。

圖7 接觸網(wǎng)BIM模型

5 結(jié)束語(yǔ)

以泉州灣特大橋?yàn)橐劳?，通過(guò)CATIA平臺(tái)，確立標(biāo)準(zhǔn)化和參數(shù)化的建模、裝配思路，完成全橋BIM模型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于CATIA平臺(tái)的各專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，可為其他鐵路橋梁BIM設(shè)計(jì)及各專(zhuān)業(yè)協(xié)同工作提供參考與借鑒。福廈鐵路泉州灣特大橋整體模型依托線(xiàn)路骨架，各部件參數(shù)均可批量更新，為鐵路橋梁BIM的正向設(shè)計(jì)提供了思路。