基于BIM技術(shù)的橋梁零號塊設(shè)計優(yōu)化分析

宋滿榮， 金亞東， 何嘉軒

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，大型鐵路橋梁工程項目越來越多，三維及空間形態(tài)越來越復(fù)雜，因此橋梁的設(shè)計人員和施工人員面臨的挑戰(zhàn)也日益嚴峻[1,2]。當(dāng)前，大型復(fù)雜的橋梁項目大部分還是基于CAD的二維設(shè)計，設(shè)計人員依靠空間思維進行合圖來分析設(shè)計過程中發(fā)生的沖突，以致施工方基于設(shè)計方的二維圖紙開展施工時經(jīng)常遇到構(gòu)件沖突等問題[3]。這不僅嚴重拖慢了施工的進度、増加了施工成本，還對施工的安全造成了影響。

為進一步提升鐵路連續(xù)梁施工工藝和施工質(zhì)量管理水平，中國鐵路總公司工管中心于2017年8月14日頒布了《中國鐵路總公司工程管理中心關(guān)于推廣應(yīng)用懸臂澆筑連續(xù)梁相關(guān)施工工藝的指導(dǎo)意見》，明確提出利用BIM技術(shù)，優(yōu)化鋼筋及預(yù)應(yīng)力套管間距，形成由梁面直達底板的豎向振搗通道，解決零號塊等底板混凝土振搗不密實、預(yù)應(yīng)力套管定位不準確等質(zhì)量問題。

連徐鐵路東起連云港西至徐州，正線全長180.03 km，總投資281.7億元，2017年7月全面開工建設(shè)，預(yù)計2020年12月建成通車。連徐鐵路段懸臂澆筑連續(xù)梁橋眾多，設(shè)計施工難度較大，在傳統(tǒng)施工模式下將會不可避免地出現(xiàn)施工質(zhì)量問題、橋梁病害、施工工期拖延等問題。特別是零號塊，作為連續(xù)梁橋的主要承重部分，其結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、構(gòu)件較多，在施工過程中容易出現(xiàn)振搗不密實、預(yù)應(yīng)力套管定位不準確等問題，不僅影響了施工工期，也對施工質(zhì)量造成了不利的影響。

因此，本文運用BIM技術(shù)仿真，對連徐高速鐵路連續(xù)梁零號塊進行精細化建模，包含混凝土模型、普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力套管等內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上利用Navisworks進行了碰撞優(yōu)化分析。

1 BIM參數(shù)化建模原理

運用Revit建模時，參數(shù)化原理是按照邏輯關(guān)系對構(gòu)件進行模型創(chuàng)建，只需通過改變點、線等基礎(chǔ)參量的參數(shù)，就能對整體模型進行更改[4]。

先實現(xiàn)二維輪廓/截面的參數(shù)化，通過拉伸、放樣等方法形成參數(shù)化構(gòu)件，再由構(gòu)件之間的組合、交并、變換或排列等操作形成復(fù)雜的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)。參數(shù)化建模便于用戶進行設(shè)計和后期修改，實現(xiàn)模型的快速創(chuàng)建，提高設(shè)計效率，已成為當(dāng)前BIM建模領(lǐng)域的研究熱點，對BIM的發(fā)展具有推動性意義[5]。

2 參數(shù)化模型的創(chuàng)建

采用Revit軟件作為本項目的BIM核心建模軟件，在該軟件中局部參數(shù)化構(gòu)件又被稱為“族”，依據(jù)橋梁局部構(gòu)件在空間造型上的相似程度將其分類，構(gòu)建成族，并形成族庫以方便模型的存取和使用[6]。橋梁零號塊為單箱單室直腹板截面，但在Revit軟件中只有房屋建筑中常用的結(jié)構(gòu)梁，其屬性和功能不能很好地滿足橋梁構(gòu)件的需求，因此在創(chuàng)建BIM模型時，應(yīng)首先選擇合適的族樣板。本文通過對族樣板進行研究對比，選擇公制結(jié)構(gòu)框架-梁族樣板作為基礎(chǔ)模板來創(chuàng)建梁族。本文首先創(chuàng)建箱型梁族，建立混凝土模型，然后布置普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力套管。梁族基本創(chuàng)建流程如圖1所示。

圖1 梁族創(chuàng)建流程

2.1 混凝土模型的建立

2.1.1 創(chuàng)建單塊模型

(1)打開公制結(jié)構(gòu)框架-梁族樣板，去掉原有樣板的模型線和拉伸模型，添加梁族的左右輪廓邊界約束平面，創(chuàng)建參照平面。

(2)繪制梁的斷面輪廓。選擇中心(前/后)參照平面，使用放樣命令在中心線上繪制放樣路徑，選擇中心(左/右)參照平面為工作平面，根據(jù)梁的斷面結(jié)構(gòu)繪制梁的斷面輪廓。

(3)為梁的斷面輪廓添加控制參數(shù)。在屬性面板里選擇“族類型”按鈕，選擇“添加參數(shù)”進入?yún)?shù)屬性添加面板，根據(jù)參數(shù)類型添加參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.1.2 標注模型尺寸

在梁族類型中添加尺寸標注信息后，模型中自動創(chuàng)建相應(yīng)的標簽，將具體尺寸標注與標簽進行關(guān)聯(lián)，最終形成控制梁斷面輪廓的控制參數(shù)。參數(shù)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 參數(shù)化結(jié)果圖

2.1.3 生成單塊簡支箱并融合

通過拉伸最終生成的單塊簡支箱梁族模型，然后使用放樣融合功能創(chuàng)建，實現(xiàn)連續(xù)梁的整體連接，生成連續(xù)梁的零號塊混凝土部分。零號塊完整混凝土模型如圖3所示。

圖3 零號塊混凝土模型

2.2 布置普通鋼筋

建模前準確把握圖紙信息，校核圖面上設(shè)計尺寸；檢查鋼筋的種類、規(guī)格和數(shù)量；確定各個鋼筋的先后建立順序。

首先創(chuàng)建Revit鋼筋族構(gòu)件，根據(jù)圖紙鋼筋大樣圖以及三維視圖繪制鋼筋并將其精確定位。通過Revit中的自定義族模塊，細化到每一根鋼筋模型的建立。

然后賦予鋼筋參數(shù)，為增加鋼筋族構(gòu)件的靈活性，引入?yún)?shù)，通過調(diào)整參數(shù)的變化而達到模型尺寸的改變。布置好每一根鋼筋之后，再將其賦予材料及截面屬性，以便于后期整體模型的管理。零號塊普通鋼筋布置如圖4所示。

圖4 普通鋼筋布置模型

2.3 布置預(yù)應(yīng)力套管

使用Revit建模軟件建立預(yù)應(yīng)力套管模型，并通過對其模型參數(shù)化處理來快速建立預(yù)應(yīng)力套管族庫。

首先創(chuàng)建預(yù)應(yīng)力套管族構(gòu)件，在族文檔中，使用放樣工具，建立第一個預(yù)應(yīng)力套管。然后進行參數(shù)化處理，將第一個預(yù)應(yīng)力套管參數(shù)化處理，由于預(yù)應(yīng)力套管截面尺寸較為統(tǒng)一，在采用Revit自適應(yīng)公制常規(guī)模型建立預(yù)應(yīng)力套管BIM模型時，應(yīng)采用設(shè)置自適應(yīng)點作為結(jié)構(gòu)線形控制點，并在自適應(yīng)點垂直于線形的平面上以創(chuàng)建主梁參數(shù)化截面的方式來構(gòu)件主梁的參數(shù)化模型。最后利用參數(shù)化建立剩余套管建好第一根預(yù)應(yīng)力套管，其他預(yù)應(yīng)力套管則可以通過在第一根預(yù)應(yīng)力套管基礎(chǔ)上改變參數(shù)來得到。

3 基于Navisworks平臺的碰撞檢查

通過BIM技術(shù)建立模型，將模型導(dǎo)入Navisworks軟件中進行碰撞測試。碰撞結(jié)果可以直觀反映零號塊內(nèi)部不同構(gòu)件碰撞的位置,并且軟件會自動統(tǒng)計、自動定位，篩選符合規(guī)則的碰撞并輸出表格。

3.1 Revit導(dǎo)出Navisworks模型

Revit2016提供.nwc(.nwf)、IFC格式文件導(dǎo)出格式，通常導(dǎo)出的.nwc格式文件直接對接Navisworks2016軟件。其導(dǎo)入至Navisworks后得到的模型如圖5所示。

圖5 零號塊Navisworks模型

3.2 碰撞類型

為了方便各種類型預(yù)應(yīng)力鋼索套管進行碰撞檢測及優(yōu)化，本項目對縱向、橫向和豎向預(yù)應(yīng)力鋼索套管碰撞進行分析。碰撞檢查包括縱向與縱向之間、橫向與橫向之間、豎向與豎向預(yù)應(yīng)力套管之間；縱向、橫向與豎向預(yù)應(yīng)力套管相互之間；預(yù)應(yīng)力鋼索套管與普通鋼筋之間。

3.3 碰撞檢查

3.3.1 公差設(shè)置

在載入Revit模型后，單擊“工具”選項卡下的“Clash Detective”即沖突檢測工具。

在“設(shè)置”選項中的“類型”選項中選擇“硬碰撞”?！坝才鲎病敝钢苯拥膸缀谓佑|，分別設(shè)置“公差”D，檢測碰撞公差可以分別設(shè)為大于1 mm、2 mm、5 mm、10 mm、30 mm或50 mm等。

3.3.2 碰撞結(jié)果展示

(1)縱向、橫向與豎向預(yù)應(yīng)力鋼索套管內(nèi)部無碰撞。

(2)縱向、橫向與豎向預(yù)應(yīng)力鋼索套管相互之間碰撞很少。經(jīng)過分析，只有縱向預(yù)應(yīng)力鋼索套管與豎向預(yù)應(yīng)力鋼索套管螺旋筋之間發(fā)生了1個碰撞公差為1 mm的硬碰撞。碰撞結(jié)果統(tǒng)計見表2。

表2 縱向與豎向預(yù)應(yīng)力套管螺旋筋碰撞統(tǒng)計表

3.3.3 三向預(yù)應(yīng)力套管與普通鋼筋碰撞檢查

通過Navisworks碰撞檢測分析可得，縱向、橫向與豎向預(yù)應(yīng)力套管與普通鋼筋之間發(fā)生了較多的硬碰撞，公差為1 mm的碰撞共有443個,公差為2 mm的碰撞共有436個,公差為5 mm的碰撞共有377個,公差為10 mm的碰撞共有203個,公差為20 mm的碰撞共有26個,公差為30 mm的碰撞共有3個,公差為50 mm的碰撞共有0個。公差為10 mm的碰撞如圖6所示。以縱向預(yù)應(yīng)力套管F1與普通鋼筋碰撞為例，統(tǒng)計不同公差范圍內(nèi)的碰撞，見表3。

圖6 公差為10 mm的碰撞示意圖

表3 縱向預(yù)應(yīng)力套管F1同普通鋼筋硬碰撞統(tǒng)計表

4 深化設(shè)計

碰撞檢查之后生成碰撞報告，對碰撞點進行分析分類，按照級別列出優(yōu)化建議，級別為“現(xiàn)場可調(diào)”說明可進行現(xiàn)場或者預(yù)先調(diào)整，級別為“現(xiàn)場不可調(diào)”說明碰撞較為復(fù)雜，難以通過單純的現(xiàn)場施工進行調(diào)整，需要將碰撞點反饋給專業(yè)設(shè)計人員進行設(shè)計復(fù)核。

根據(jù)碰撞公差的分類，碰撞公差在1～5 mm，雖然碰撞數(shù)量較多，但是碰撞程度很小，基本可以忽略；碰撞公差為10 mm，碰撞程度較小，可在施工現(xiàn)場根據(jù)施工客觀環(huán)境在符合原設(shè)計意圖范圍內(nèi)通過較小的鋼筋偏移來避免碰撞；碰撞公差在20～30 mm，碰撞程度較大，施工現(xiàn)場的調(diào)整可能會影響構(gòu)件施工質(zhì)量，需提醒設(shè)計院，在設(shè)計院無異議的情況下，方可進行現(xiàn)場調(diào)整；若碰撞公差在50 mm以上，碰撞程度非常嚴重，為了不影響施工質(zhì)量，必須請設(shè)計院進行設(shè)計復(fù)核，由專業(yè)設(shè)計人員再對所對應(yīng)位置的CAD圖紙進行深化設(shè)計，然后根據(jù)修改后的圖紙進行建模，再進行碰撞檢查，直到碰撞達到現(xiàn)場可施工的條件[7]。

分別以橫向套管標號和普通鋼筋碰撞公差為10 mm和20 mm為例，根據(jù)碰撞公差大小來給出優(yōu)化建議，見表4。事實證明，在施工前進行優(yōu)化設(shè)計，對后續(xù)高質(zhì)量的準確現(xiàn)場施工可做出可靠的指導(dǎo)。

表4 碰撞結(jié)果優(yōu)化設(shè)計示意表

5 結(jié) 論

本文針對研究需求,借助BIM軟件系統(tǒng)中的Revit軟件和Navisworks軟件的良好的信息化特性，以連續(xù)鐵路連續(xù)梁橋為工程背景，通過合理分塊建立單塊連續(xù)梁零號塊節(jié)段參數(shù)化模型，并通過修改參數(shù)快速建立完整的BIM模型，利用Navisworks軟件碰撞檢測平臺，進行碰撞檢查，及時發(fā)現(xiàn)普通鋼筋與預(yù)應(yīng)力套管沖突碰撞等問題，全面實現(xiàn)了零號塊預(yù)應(yīng)力套管綜合優(yōu)化分析，主要研究成果如下：

(1) 以Revit為研究對象結(jié)合工程實例，研究分析了橋梁工程零號塊BIM建模的流程和方法，并建立了橋梁工程混凝土模型、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力套管等構(gòu)件的參數(shù)化族庫。對比傳統(tǒng)的建模方法，BIM參數(shù)化建模方式更具優(yōu)勢。

(2) 通過對零號塊內(nèi)部構(gòu)件進行靜態(tài)的碰撞檢查，排除了設(shè)計過程中由于預(yù)應(yīng)力筋、預(yù)埋件等構(gòu)件空間關(guān)系復(fù)雜而導(dǎo)致的沖突問題，摒棄傳統(tǒng)工程建設(shè)邊施工邊發(fā)現(xiàn)邊處理問題的方式，及時進行修改調(diào)整，優(yōu)化設(shè)計，減少施工中的返工次數(shù)。