東平水道特大橋BIM設(shè)計(jì)及應(yīng)用

齊成龍

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 土建院，天津 300308）

BIM 技術(shù)憑借其精細(xì)化、可視化、易協(xié)同等優(yōu)勢(shì)被越來越多的工程從業(yè)人員接受和采用。與民建工程相比，鐵路工程體量更大、工藝更為復(fù)雜、專業(yè)更多，對(duì)BIM 技術(shù)的需求也更加迫切，因此，雖然起步較晚，但是鐵路工程BIM技術(shù)在近年的發(fā)展更為迅速[1]。BIM 技術(shù)的廣泛應(yīng)用能夠提升鐵路工程建設(shè)技術(shù)水平以及信息管理的能力,也是工程建設(shè)信息化的核心和方向,對(duì)鐵路工程建設(shè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值[2]。

東平水道特大橋位于佛山市南海區(qū)，為新型公共交通跨越東平水道而設(shè)，主橋范圍內(nèi)新交通和公路同層布置，引橋采用分幅橋與主橋順接。主橋采用獨(dú)塔雙索面鋼–混混合梁斜拉橋，跨徑組成為（35.0+260.0+51.5+66.0+62.5）m，主橋長(zhǎng)475.0 m；橋面布置包括：雙向6車道公路，2線軌道交通及兩側(cè)人行道，總橋面寬46.5 m。

鋼主梁采用分離式流線形扁平鋼箱梁，混凝土主梁采用分離式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。索塔橫橋向采用“A”字形混凝土塔。為了提升該橋的設(shè)計(jì)水平和成品質(zhì)量，對(duì)其開展BIM設(shè)計(jì)，從而使該橋成為國(guó)內(nèi)第一座采用BIM設(shè)計(jì)的公軌兩用斜拉橋。

本橋在進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)時(shí)，采用了達(dá)索和TEKLA兩種軟件，而達(dá)索作為一個(gè)平臺(tái)型軟件，又包括了SIMULIA、ENOVIA、CATIA等多個(gè)專業(yè)化的分支軟件。

文章將從BIM設(shè)計(jì)和應(yīng)用兩個(gè)方面對(duì)該橋進(jìn)行介紹。

1 BIM設(shè)計(jì)

1.1 模型精細(xì)度

在設(shè)計(jì)過程中，模型精度等級(jí)符合《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》中LOD3.5級(jí)的要求，與施工圖設(shè)計(jì)階段相對(duì)應(yīng)，創(chuàng)建全橋精細(xì)化BIM模型，包括主橋、引橋、橋塔、鋼箱梁、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋等構(gòu)件。

1.2 BIM協(xié)同設(shè)計(jì)

達(dá)索軟件所具備的公有服務(wù)器存儲(chǔ)模式，使得本項(xiàng)目在BIM設(shè)計(jì)過程中，充分發(fā)揮其協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)成為可能。具體包括專業(yè)間協(xié)同、專業(yè)內(nèi)協(xié)同和軟件之間的協(xié)同[3]。

（1）專業(yè)間協(xié)同方面，測(cè)繪專業(yè)、線路專業(yè)分別完成地形曲面、空間線位的BIM設(shè)計(jì)，橋梁專業(yè)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行橋梁專業(yè)BIM設(shè)計(jì)，軌道專業(yè)在橋梁專業(yè)成果基礎(chǔ)上開展橋面設(shè)施的BIM設(shè)計(jì)。

（2）專業(yè)內(nèi)協(xié)同方面。橋梁專業(yè)BIM參與人員分為骨架設(shè)計(jì)師、模板設(shè)計(jì)師、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師等多個(gè)不同角色，這些不同角色的參與人員在同一軟件平臺(tái)上對(duì)同一工程對(duì)象開展工作，分工明確，最終完成全橋從初步設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)不同階段的工作。

（3）軟件協(xié)同方面。達(dá)索作為一個(gè)以公有服務(wù)器為存儲(chǔ)模式、且源于機(jī)械航空領(lǐng)域的綜合軟件平臺(tái)，包含多個(gè)不同功能的模塊，在模型管理、協(xié)同設(shè)計(jì)及空間幾何造型上獨(dú)具優(yōu)勢(shì)；TEKLA軟件擅長(zhǎng)處理鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的二維出圖和鋼筋數(shù)量統(tǒng)計(jì)方面也很有優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目以達(dá)索軟件作為基礎(chǔ)平臺(tái)，取各軟件之長(zhǎng)，以CATIA軟件為核心建模工具，分別使用TEKLA軟件和SIMULIA軟件進(jìn)行鋼筋設(shè)計(jì)和有限元計(jì)算，使用ENOVIA軟件進(jìn)行人員工作安排，從而實(shí)時(shí)掌握工作任務(wù)完成情況，把握設(shè)計(jì)進(jìn)度。

1.3 骨架設(shè)計(jì)

采用“骨架–模板”的方法創(chuàng)建全橋模型，在這種方法中，“骨架”既是模型構(gòu)件的定位基準(zhǔn)，也作為其幾何組成，在本項(xiàng)目中，骨架以空間坐標(biāo)系群的方式存在。全橋定位骨架和鋼箱梁定位骨架的創(chuàng)建方法有所不同，后者是骨架設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

在全橋骨架設(shè)計(jì)過程中，同時(shí)發(fā)揮了專業(yè)間和專業(yè)內(nèi)協(xié)同的優(yōu)勢(shì)，線路專業(yè)成功創(chuàng)建空間線位后，橋梁骨架工程師以此為基礎(chǔ)，在CATIA軟件上借助EKL腳本語(yǔ)言，使用其Knowledge Pattern功能，依次循環(huán)讀取表格中存儲(chǔ)的橋梁構(gòu)件定位數(shù)據(jù)，批量生成空間坐標(biāo)系，完成骨架模型的創(chuàng)建。橋梁工程師將以此骨架為輸入條件實(shí)例化各類橋梁構(gòu)件的模板，完成全橋BIM建模。

鋼箱梁骨架設(shè)計(jì)是全橋骨架設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。由于本橋所在空間線位具有豎曲線，對(duì)于具有豎彎線型的鋼結(jié)構(gòu)，為了保證鋼板厚度順暢過渡，相鄰節(jié)段的分界面不是豎直的，而是相鄰節(jié)段頂緣面的角平分面，這樣才能保證相同厚度鋼板被此面分隔后的交界尺寸相等，也就不會(huì)出現(xiàn)板件相錯(cuò)的情況。

鋼箱梁骨架坐標(biāo)系的yz平面即是相鄰鋼箱節(jié)段的分界面，為了使鋼箱梁骨架坐標(biāo)系符合上述相鄰節(jié)段分界面的空間位置要求，使用空間解析幾何的方法，以V1，V2，V3向量為輸入條件，研究出下式所描述的鋼箱梁骨架坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣：

由于V1、V2向量是通過節(jié)段頂點(diǎn)連線生成，V3是已知的水平向量，因此，能夠使用節(jié)段端點(diǎn)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，借助骨架坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，生成足以保證相鄰鋼板厚度均勻過渡的骨架定位坐標(biāo)系。

EKL腳本程序根據(jù)上述規(guī)則批量生成的鋼箱骨架坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 鋼箱梁骨架設(shè)計(jì)

1.4 引橋BIM設(shè)計(jì)

作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在BIM設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)引橋各類構(gòu)件的幾何特點(diǎn)，分別創(chuàng)建了梁體、橋墩、橋臺(tái)、基礎(chǔ)的通用性模板。

在CATIA軟件上借助EKL腳本語(yǔ)言，使用其action功能，依次循環(huán)讀取設(shè)計(jì)表格中存儲(chǔ)的橋梁構(gòu)件定位數(shù)據(jù)及模板參數(shù)數(shù)據(jù)，在引橋骨架上批量實(shí)例化各類構(gòu)件的模板，從而完成引橋BIM建模，引橋BIM模型，如圖2所示。

1.5 鋼箱梁設(shè)計(jì)

主橋鋼箱梁BIM設(shè)計(jì)采用CATIA軟件鋼結(jié)構(gòu)模塊完成。對(duì)于每一個(gè)鋼箱節(jié)段，遵循從初步設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的原則，兩個(gè)設(shè)計(jì)階段分別在結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)（SFD）和結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)（SDD）模塊下完成。

如圖3所示，對(duì)于通過SFD模塊創(chuàng)建的初步設(shè)計(jì)模型，每一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件以特征形式存儲(chǔ)，板件不顯示厚度，梁體或加緊肋僅顯示簡(jiǎn)化截面，并省略其他一些細(xì)節(jié)處理操作，占用內(nèi)存較小，能夠適應(yīng)初步設(shè)計(jì)階段頻繁變更的情況。

圖3 鋼箱梁SFD模型

如圖4所示，對(duì)于通過SDD模塊創(chuàng)建的詳細(xì)設(shè)計(jì)模型，每一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件以零件形式存儲(chǔ)，模型完整表現(xiàn)其設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，占用較大內(nèi)存，適用于局部范圍內(nèi)存在變更的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

根據(jù)幾何特點(diǎn)及重用性，將全橋鋼箱梁節(jié)段分為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段、鋼混結(jié)合段等8種類型。模板工程師依次使用SFD、SDD模塊創(chuàng)建這8種類型的節(jié)段模板并存儲(chǔ)于模板庫(kù)后，橋梁工程師在CATIA軟件上借助EKL腳本語(yǔ)言，使用其Action功能，讀取設(shè)計(jì)表格的內(nèi)容，從模板庫(kù)選擇不同類型的鋼箱節(jié)段模板實(shí)例化到相應(yīng)的骨架位置，完成全橋鋼箱梁BIM設(shè)計(jì)。

圖4 鋼箱梁SDD模型

模板工程師創(chuàng)建梁、墩、臺(tái)、基礎(chǔ)等橋梁構(gòu)件模板，橋梁工程師將這些模板在骨架上實(shí)例化，與已經(jīng)成功實(shí)例化的鋼箱梁模型一起，組成了如圖5所示的全橋BIM模型。

圖5 全橋BIM模型

1.6 鋼束BIM設(shè)計(jì)

綜合運(yùn)用用戶定義特征（UDF）和Knowledge Pattern功能，使用達(dá)索內(nèi)嵌EKL語(yǔ)言通過二次開發(fā)建立單根鋼束BIM模板，將全橋鋼束平彎及豎彎尺寸信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)表格。使用其Action功能，編制EKL語(yǔ)言程序循環(huán)讀取設(shè)計(jì)表格內(nèi)的鋼束尺寸和定位信息，調(diào)用并實(shí)例化鋼束BIM模板，最終建立如圖6所示的全橋三維鋼束模型。

采用此模板生成的鋼束BIM模型能夠適應(yīng)橋梁所在空間線位在平面和縱斷面內(nèi)的彎曲。

1.7 鋼筋BIM協(xié)同設(shè)計(jì)

使用TEKLA軟件創(chuàng)建索塔上塔柱鋼筋模型并輸出工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）格式的文件，達(dá)索作為支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM軟件，讀入TEKLA模型輸出的IFC文件后，在達(dá)索軟件同時(shí)存儲(chǔ)了混凝土主體結(jié)構(gòu)和鋼筋模型，如圖7所示。充分利用兩種BIM平臺(tái)的各自優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了基于軟件間協(xié)同的鋼筋BIM設(shè)計(jì)。

圖6 主橋部分鋼束BIM模型

圖7 鋼筋BIM協(xié)同設(shè)計(jì)

2 BIM應(yīng)用

2.1 用鋼量統(tǒng)計(jì)

SDD模塊下的鋼結(jié)構(gòu)模型中，每一種鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都包含有材料信息及幾何信息，與面向?qū)ο蟪绦蜷_發(fā)語(yǔ)言中類和屬性的關(guān)系相似，每一種構(gòu)件作為一個(gè)類，材料和幾何信息是這個(gè)類的屬性，每一個(gè)具體的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件就是類實(shí)例化出來的對(duì)象[4]。達(dá)索軟件向用戶提供了個(gè)性化編制鋼結(jié)構(gòu)工程數(shù)量報(bào)表的方法，用戶可以選擇需要統(tǒng)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型以及其屬性，同時(shí)，用戶還能自定義輸出報(bào)表的格式，從而實(shí)現(xiàn)用鋼量統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果以Excel表格的形式輸出，表格中包含鋼板厚度、結(jié)構(gòu)材料及鋼材重量等內(nèi)容[5]。

同一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程數(shù)量報(bào)表模板可用于輸出不同BIM模型的鋼材用量，因此，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果發(fā)生變化時(shí)，使用相同的工程數(shù)量報(bào)表模板，能自動(dòng)輸出不同設(shè)計(jì)階段的工程數(shù)量表。與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)手段相比，效率有很大提升[6]。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)出圖

在SDD模塊下生成了鋼結(jié)構(gòu)詳細(xì)BIM模型，借助達(dá)索軟件出圖功能以這些詳細(xì)BIM模型為基礎(chǔ)，創(chuàng)建，鋼箱梁二維圖紙，包括斷面圖、大樣圖及其尺寸標(biāo)注。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段下，設(shè)計(jì)變更導(dǎo)致的出圖工作量是非常巨大的。在東平水道特大橋BIM設(shè)計(jì)過程中，三維模型發(fā)生變化時(shí)，二維圖紙內(nèi)容隨之同步更新。因此，在達(dá)索軟件下進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)二維出圖，效率和穩(wěn)定性都有很大程度提高。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證

鐵路BIM聯(lián)盟于2015年初啟動(dòng)了鐵路工程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)制定工作[7]，在IFC4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，遵循固有模式，通過動(dòng)態(tài)和靜態(tài)擴(kuò)展相結(jié)合的方式，增加鐵路工程領(lǐng)域概念的表達(dá)能力。由于東平水道特大橋包含的構(gòu)件類型非常豐富，因此，依托東平水道特大橋BIM設(shè)計(jì)，對(duì)橋梁工程信息模型實(shí)體類擴(kuò)展進(jìn)行了研究。

鐵路IFC標(biāo)準(zhǔn)中，橋梁實(shí)體類(IfcBridge)既可以表示橋梁工程的一個(gè)同時(shí)包含多座特殊結(jié)構(gòu)橋梁和普通簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋的橋梁工點(diǎn)，也可以表示單一特殊結(jié)構(gòu)橋梁，二者通過CompositionType屬性的取值進(jìn)行區(qū)分。前者使用屬性值COMPLEX，后者使用屬性值ELEMENT。以東平水道特大橋?yàn)槔鳂?、引橋共同?gòu)成一個(gè)橋梁工點(diǎn)，可以用“CompositionType屬性值=COMPLEX”的IfcBridge對(duì)象表示。獨(dú)塔鋼混斜拉橋主橋作為一個(gè)單一特殊結(jié)構(gòu)，可以用“CompositionType屬性值=ELEMENT”的IfcBridge對(duì)象表示。

橋梁結(jié)構(gòu)組成實(shí)體類（IfcBridgePart），指的是橋梁實(shí)體類（IfCBridge）包含的主梁、橋墩、基礎(chǔ)、橋臺(tái)等組成部分，IfcBridgePart通過預(yù)定義類型屬性進(jìn)一步細(xì)分。

圖8所示為橋梁空間結(jié)構(gòu)單元之間的繼承層次關(guān)系，圖9所示為東平水道特大橋主橋空間結(jié)構(gòu)分解示意圖，此圖表達(dá)了橋梁實(shí)體類和橋梁結(jié)構(gòu)組成實(shí)體類之間的相互關(guān)系。

2.4 有限元分析

作為達(dá)索軟件的兩個(gè)分支，SIMULIA和CATIA分別具有有限元計(jì)算和三維建模的功能，本項(xiàng)目借助這兩個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了BIM設(shè)計(jì)和有限元計(jì)算的一體化應(yīng)用[8]。

有限元計(jì)算通過SIMULIA實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)分析人員將BIM模型從SFD模塊切換至SIMULIA后，為結(jié)構(gòu)材料指定容重、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等力學(xué)特性值。劃分網(wǎng)格、施加邊界條件及外荷載，即可開展有限元計(jì)算。

從SIMULIA切換至CATIA后，修改BIM設(shè)計(jì)模型，再切換至SIMULIA，有限元計(jì)算模型可隨設(shè)計(jì)模型自動(dòng)更新，用戶再根據(jù)最新計(jì)算模型重新進(jìn)行力學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)了建模、分析的一體化操作。

圖8 橋梁空間結(jié)構(gòu)單元Express-G圖

圖9 橋梁空間結(jié)構(gòu)分解示意圖

2.5 鋼筋二維出圖

使用C#語(yǔ)言對(duì)TEKLA軟件進(jìn)行二次開發(fā)，使其具備輸出符合行業(yè)特定要求鋼筋圖的功能，利用二次開發(fā)成果，讀取TEKLA中的鋼筋BIM模型，自動(dòng)輸出二維鋼筋圖，該圖紙包括鋼筋尺寸標(biāo)注及其數(shù)量表。

三維BIM模型修改后，二維鋼筋圖及其數(shù)量表可隨之更新，不需手動(dòng)修改，從而提高了設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)了建模、出圖的一體化操作。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了提升東平水道特大橋的設(shè)計(jì)水平和成品質(zhì)量，以達(dá)索軟件和TEKLA軟件為主要工具，開展東平水道特大橋的BIM設(shè)計(jì)。

在BIM設(shè)計(jì)過程中，主要采用“骨架–模板”的建模方法，利用達(dá)索軟件的多模塊數(shù)據(jù)庫(kù)共用特性、借助IFC通用數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)內(nèi)協(xié)同、專業(yè)間協(xié)同及軟件協(xié)同設(shè)計(jì)。經(jīng)過空間解析幾何的研究并結(jié)合EKL腳本程序開發(fā)，批量創(chuàng)建符合要求的橋梁各部件骨架，為模型實(shí)例化創(chuàng)造了有利條件。使用達(dá)索鋼結(jié)構(gòu)模塊，完成了從初步到詳細(xì)的鋼箱梁BIM設(shè)計(jì)。同時(shí)，本項(xiàng)目還實(shí)現(xiàn)了鋼筋和鋼束的BIM設(shè)計(jì)。

BIM應(yīng)用方面，用鋼量統(tǒng)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)出圖、有限元分析這3種BIM應(yīng)用都是在達(dá)索軟件內(nèi)部不同模塊下實(shí)現(xiàn)，鋼筋二維出圖是在TEKLA軟件中完成的。這些應(yīng)用都實(shí)現(xiàn)了一體化的操作流程，當(dāng)BIM模型發(fā)生變化時(shí)，工程數(shù)量表、二維圖紙、有限元模型隨之同步更新，與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)手段相比，顯著提高了設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，依托本項(xiàng)目，對(duì)鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。