基于BIM技術(shù)的整孔預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁精準(zhǔn)架設(shè)模擬

（河北科技學(xué)院 汽車工程學(xué)院,河北 保定 071000）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)的施工現(xiàn)場(chǎng)在整孔預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁的架設(shè)施工階段，通常會(huì)采用現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的方法得到每座橋梁所有成品梁的實(shí)際長(zhǎng)度，然后再與其相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度作比較得出偏差值，由此計(jì)算出每個(gè)梁縫的實(shí)際寬度。對(duì)于實(shí)際寬度與設(shè)計(jì)寬度偏差超過(guò)規(guī)范允許誤差值的梁縫，可以通過(guò)調(diào)整前一跨或多跨成品梁的縱向位置，或調(diào)取其它孔跨符合要求的相同類型成品梁來(lái)消除預(yù)制長(zhǎng)度偏差，從而避免梁縫大小不均或超出規(guī)范允許值的情況出現(xiàn)。但此種方法忽略了支承墊石上錨栓孔的相對(duì)位置關(guān)系，導(dǎo)致在成品梁實(shí)際架設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)落梁時(shí)才發(fā)現(xiàn)支座錨栓無(wú)法順利進(jìn)入錨栓孔的情況，此時(shí)需要重新提梁對(duì)錨栓孔進(jìn)行人工擴(kuò)鑿后再重新落梁，消耗了大量的人力、物力和財(cái)力。因此如何提高架梁精度、加快架梁速度、減少在架梁過(guò)程中因錨栓孔與支座上的錨栓對(duì)接不上而重新落梁的問(wèn)題，是目前困擾鐵路橋梁架設(shè)的一個(gè)難題[1-3]。為解決上述問(wèn)題，本文利用BIM技術(shù)對(duì)整孔預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁精準(zhǔn)架設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了事先模擬，預(yù)先得出所有待架梁體的最優(yōu)架設(shè)順序，提前處理施工階段可能出現(xiàn)的梁縫不均、落梁困難、錨栓孔位置不準(zhǔn)確等各種問(wèn)題，提高架梁施工的工作效率[4]。

1 基于BIM技術(shù)的整孔預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁精準(zhǔn)架設(shè)模擬

1.1 BIM模型建立

為了驗(yàn)證本文中整孔預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁精準(zhǔn)架設(shè)系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性，針對(duì)某高速鐵路客運(yùn)線路中簡(jiǎn)支箱梁橋具有里程長(zhǎng)、橋墩類型不唯一且部分橋墩構(gòu)造較為復(fù)雜的特點(diǎn)，本文應(yīng)用BIM技術(shù)建立了簡(jiǎn)支箱梁橋BIM模型，為后續(xù)應(yīng)用Navisworks軟件進(jìn)行橋梁碰撞檢測(cè)提供BIM模型。

1.1.1 Revit軟件介紹

Autodesk Revit軟件是美國(guó)Autodesk公司旗下的BIM核心建模軟件，主要應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，用戶可以用其強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能構(gòu)建工程項(xiàng)目的BIM模型，而且還可以極為便捷地生成二維的平面施工圖[5-6]。正是由于其強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，使它成為目前為止國(guó)內(nèi)施工最廣泛的三維參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)軟件，成為各設(shè)計(jì)企業(yè)提高設(shè)計(jì)效率的首選。故本文選用Revit軟件進(jìn)行橋梁BIM模型構(gòu)建，應(yīng)用的軟件版本是Autodesk Revit 2017版本。

1.1.2 BIM模型建立流程

在Revit軟件中創(chuàng)建BIM模型時(shí)，要遵循“由整體到局部”的原則，由整體出發(fā)，逐步細(xì)化。在利用Revit軟件構(gòu)建橋梁模型的過(guò)程中，需要添加構(gòu)件參數(shù)，并建立參數(shù)間相互制約關(guān)系。做到改動(dòng)一個(gè)參數(shù)，全局相關(guān)參數(shù)相應(yīng)改變，這就是參數(shù)化建模方式。Revit軟件具有獨(dú)立性和相關(guān)性兼?zhèn)涞奶匦?，即?duì)建筑物中的某個(gè)單元構(gòu)建的屬性參數(shù)進(jìn)行修改時(shí)，BIM模型就會(huì)根據(jù)修改內(nèi)容對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行更新以滿足新的需求[7]。

本文因篇幅有限，僅以簡(jiǎn)支箱梁模型的建造過(guò)程為例，簡(jiǎn)要概述利用Revit軟件構(gòu)建BIM模型的步驟，如下所述：

（1）繪制族輪廓。Autodesk Revit 2017提供了6個(gè)樣板用于創(chuàng)建輪廓族。輪廓族是可用來(lái)生成幾何圖形的二維的閉合形狀，可以單獨(dú)或者組合使用，也可以同時(shí)應(yīng)用于項(xiàng)目環(huán)境或標(biāo)準(zhǔn)族編輯器中。本文中的簡(jiǎn)支箱梁的模型輪廓選擇的樣板是公制輪廓，該樣板用于創(chuàng)建在項(xiàng)目文件中進(jìn)行主體放樣的所有輪廓族。在參照標(biāo)高平面按照截面的尺寸布置好參照平面，將箱梁的截面輪廓按照參照線繪制成形（如圖1），選擇“輪廓用途”為常規(guī)。

圖1 繪制族輪廓

（2）梁截面的參數(shù)設(shè)置。利用BIM軟件構(gòu)建三維模型的一大優(yōu)勢(shì)就是可以對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)對(duì)參照平面的約束添加相應(yīng)的參數(shù)，并將模型線鎖定在參照平面上，設(shè)置好輪廓族的各個(gè)參數(shù)。參數(shù)對(duì)于族來(lái)說(shuō)非常重要，正是有了參數(shù)來(lái)傳遞信息，族才有了強(qiáng)大的生命力。所以，設(shè)置的參數(shù)數(shù)量越多，所建模型的適應(yīng)性也越好，可調(diào)空間也越大，但是考慮到所用計(jì)算機(jī)的硬件水平、各個(gè)構(gòu)件之間復(fù)雜的約束關(guān)系以及工作量，參數(shù)的選取要具有代表性和通用性。本文中對(duì)簡(jiǎn)支箱梁構(gòu)建的過(guò)程中選取的參數(shù)主要有箱梁頂板寬度、厚度、寬度；箱梁底板寬度、厚度、寬度；梁高、梁長(zhǎng)等，如圖2所示。

圖2 梁截面的參數(shù)設(shè)置（單位：mm）

確定好相關(guān)參數(shù)后，接下來(lái)需要建立各參數(shù)間的邏輯關(guān)系，用以實(shí)現(xiàn)三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。在族編輯器中編寫“族語(yǔ)言”，即通過(guò)編寫公式和條件語(yǔ)句的方式，將之前定義的控制單元體的各參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，使單元體隨某一方參數(shù)的改變，與之相對(duì)應(yīng)的其他參數(shù)也隨之發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)參數(shù)的變化驅(qū)動(dòng)輪廓族的變化。最后將輪廓族保存并且載入到新建的公制結(jié)構(gòu)框架-梁和支承族樣板中。

（3）選擇族樣板。Autodesk Revit軟件提供的族樣板從分類、功能、使用角度提供給用戶豐富的選擇。但是，如果選取了不恰當(dāng)?shù)臉影?，也?huì)出現(xiàn)使構(gòu)建步驟變復(fù)雜、功能受限等問(wèn)題。選擇族樣板最重要的一個(gè)原則就是族類別的確定，而簡(jiǎn)支箱梁屬于族類別中的結(jié)構(gòu)框架，且構(gòu)建的簡(jiǎn)支箱梁模型加載到項(xiàng)目中的放置方式屬于間接使用式的特殊放置，即可以通過(guò)指定起始點(diǎn)和終止點(diǎn)來(lái)定義的線性族，所以，要構(gòu)建簡(jiǎn)支箱梁模型最終選擇的族樣板是公制結(jié)構(gòu)框架-梁和支承族樣板（如圖3）。

圖3 選擇族樣板

（4）構(gòu)建簡(jiǎn)支箱梁三維模型。Autodesk Revit提供了五種三維建模方法，分別是拉伸，放樣，旋轉(zhuǎn)，融合以及放樣融合。考慮到已有簡(jiǎn)支箱梁輪廓族，故采用放樣命令進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，即先繪制放樣路徑，再將步驟2中載入的族輪廓添加到放樣路徑中，完成放樣，生成簡(jiǎn)支箱梁的三維模型（如圖4）。

圖4 構(gòu)建簡(jiǎn)支箱梁三維模型（單位：mm）

（5）關(guān)聯(lián)參數(shù)。由于輪廓與梁主體不是在同一個(gè)族環(huán)境繪制的，兩者的參數(shù)無(wú)法直接關(guān)聯(lián)。所以，需要通過(guò)族的嵌套將輪廓的參數(shù)關(guān)聯(lián)到三維模型中，從而實(shí)現(xiàn)修改簡(jiǎn)支箱梁的參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)輪廓的參數(shù)變化（如圖5）。

圖5 關(guān)聯(lián)參數(shù)（單位：mm）

通過(guò)上述步驟，最終構(gòu)建橋梁模型如圖6所示。

圖6 整孔預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁橋BIM三維模型

1.2 應(yīng)用Navisworks軟件進(jìn)行分析和檢測(cè)

為了驗(yàn)證簡(jiǎn)支箱梁架設(shè)優(yōu)化分析結(jié)果，本文在其結(jié)果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用Revit軟件對(duì)某高速鐵路客運(yùn)線路中簡(jiǎn)支箱梁橋部分構(gòu)建了BIM模型，并在Autodesk Navisworks軟件里對(duì)錨栓孔的實(shí)際位置和簡(jiǎn)支箱梁的架設(shè)順序進(jìn)行了碰撞檢查，以BIM技術(shù)提高架梁施工的工作效率。

1.2.1 Autodesk Navisworks簡(jiǎn)介

Autodesk Navisworks軟件是美國(guó)Autodesk公司旗下的一款BIM仿真軟件。此款軟件可以使工程項(xiàng)目的各參與方對(duì)設(shè)計(jì)模型都有一個(gè)清楚、詳細(xì)的掌握，加強(qiáng)了各參與方對(duì)項(xiàng)目成果的控制。Autodesk Navisworks系列軟件共包含Autodesk Navisworks Manage、Autodesk Navisworks Simulate、Autodesk Navisworks Review、Autodesk Navisworks Freedom 四款軟件[8-10]。Autodesk Navisworks Manage軟件主要用于工程項(xiàng)目中BIM模型的分析、施工仿真和對(duì)建筑信息的全面審閱。故本文主要應(yīng)用Autodesk Navisworks Manage軟件進(jìn)行橋梁碰撞檢查，以BIM技術(shù)提高架梁施工的工作效率。

1.2.2 Navisworks碰撞檢查

應(yīng)用Navisworks軟件對(duì)某高速鐵路客運(yùn)線路中簡(jiǎn)支箱梁橋部分的BIM模型進(jìn)行碰撞檢查需要以下幾個(gè)步驟：

（1）導(dǎo)入模型。將整合好的三維模型導(dǎo)入Navisworks軟件中，并建立集合，包括箱梁集合、支座集合以及橋墩集合，如圖7所示。在Navisworks中進(jìn)行沖突檢測(cè)，必須要先創(chuàng)建測(cè)試條目，指定參加沖突檢測(cè)的兩組圖元，然后再設(shè)定沖突檢測(cè)條件，進(jìn)行下一步的檢測(cè)。

圖7 導(dǎo)入模型并創(chuàng)建集合

（2）硬碰撞。在沖突檢測(cè)模塊工具窗口中，添加沖突檢測(cè)項(xiàng)目“錨栓VS錨栓孔”。任何一個(gè)沖突檢測(cè)項(xiàng)目都必須指定兩組參與檢測(cè)的圖元選擇集。如圖8所示，在窗口中顯示的“選擇A”和“選擇B”兩個(gè)選擇樹(shù)的顯示方式由默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方式改成集合方式，并分別在其對(duì)應(yīng)的下拉菜單中選擇橋墩集合和支座集合。然后選擇檢測(cè)類型為“硬碰撞”，此類型的碰撞檢測(cè)是將空間上完全相交的兩組圖元作為碰撞條件。設(shè)置“公差”為0.001 m，表示當(dāng)兩個(gè)圖元碰撞的距離小于該值時(shí)，Navisworks將忽略該碰撞，而此時(shí)設(shè)置它的意義在于忽略掉兩個(gè)圖元相鄰面的相交情況。

圖8 錨栓與錨栓孔的碰撞檢測(cè)

（3）軟碰撞。在沖突檢測(cè)模塊工具窗口中，新添沖突檢測(cè)項(xiàng)目“梁縫VS梁縫”。如圖9所示，在窗口中顯示的“選擇A”和“選擇B”兩個(gè)選擇樹(shù)的顯示方式中選擇集合方式，并分別在其對(duì)應(yīng)的下拉菜單中都選擇箱梁集合。然后選擇檢測(cè)類型為“間隙碰撞”，并設(shè)置公差為0.2m，完成后單擊“運(yùn)行測(cè)試”進(jìn)行沖突檢測(cè)運(yùn)算。

圖9 梁縫的碰撞檢測(cè)

（4）碰撞結(jié)果。通過(guò)上述步驟以后，得到了上述兩次碰撞檢查的結(jié)果，如圖10所示。結(jié)果顯示，兩次檢測(cè)結(jié)果均不存在碰撞的情況，預(yù)先得出所有待架梁體的最優(yōu)架設(shè)順序，提前處理了施工階段可能出現(xiàn)的梁縫不均、落梁困難、錨栓孔位置不準(zhǔn)確等各種問(wèn)題，提高了架梁施工的工作效率。

圖10 沖突檢測(cè)的結(jié)果

2 總結(jié)

傳統(tǒng)的架梁方式一般是通過(guò)人工測(cè)量的方法減少成品梁因預(yù)制誤差產(chǎn)生的梁縫不均問(wèn)題，但此種方法忽略了支承墊石上錨栓孔的相對(duì)位置關(guān)系，導(dǎo)致在成品梁實(shí)際架設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)落梁時(shí)才發(fā)現(xiàn)支座錨栓無(wú)法順利進(jìn)入錨栓孔的情況，此時(shí)必須要重新提梁對(duì)錨栓孔進(jìn)行人工擴(kuò)鑿后再重新落梁，消耗了大量的人力、物力和財(cái)力。針對(duì)此種問(wèn)題，本文提出了基于BIM技術(shù)的整孔預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁精準(zhǔn)架設(shè)模擬，結(jié)合架梁數(shù)據(jù)，利用BIM技術(shù)進(jìn)行了三維建模，并利用Autodesk Navisworks軟件的碰撞檢測(cè)模塊對(duì)架梁數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬及校驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了在簡(jiǎn)支箱梁和橋跨進(jìn)行匹配的同時(shí)，也完成了錨栓孔的位置檢測(cè)，節(jié)省了重新提梁過(guò)程，縮短了施工工期。