鐵路橋涵BIM正向設計應用

劉彥明，朱肖，崔鳴

（1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室（中鐵一院），陜西 西安 710043；2.中國鐵建BIM工程實驗室（中鐵一院），陜西 西安 710043）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等五大特點，基于BIM技術可實現(xiàn)項目的全生命周期管理［1］。近年來，BIM技術在鐵路行業(yè)發(fā)展迅速，對BIM正向設計的研究探索也越來越多。楊海濤等［2］提出一種BIM正向設計出圖方案，通過中間數(shù)據(jù)文件，在CAD軟件下對由三維模型信息轉換而來的二維圖形信息進行處理，形成施工圖；馬潤平等［3］依托滬通長江大橋項目進行BIM正向設計應用，在無圖紙情況下，由設計人員按照設計理念直接建立BIM模型，并生成可交付的施工圖；劉沛［4］以三維設計為核心，對Bentley OpenRail Designer軟件進行二次開發(fā)，設計并建立鐵路站場場坪高精度BIM模型，推動了鐵路站場場坪的數(shù)字化三維正向設計。

以上文獻雖對BIM正向設計表述不同，但均認為正向設計是基于三維信息模型創(chuàng)建二維設計圖紙的過程模式。該模式難以保證二、三維表達的一致性、完整性，導致項目設計、施工、運維過程中的信息流通不暢，難以滿足日益精細化的建造管理需求［5-7］。為了解決鐵路BIM技術發(fā)展困境，依托某重大鐵路橋涵工程開展BIM正向設計實踐，規(guī)范了三維環(huán)境中橋涵設計上游專業(yè)接口，并通過以數(shù)據(jù)為核心的二、三維同源的設計路線，有效提高了鐵路橋涵項目的設計效率和質(zhì)量。

1 實施目標和平臺選擇

某特大橋為雙線無砟軌道橋梁，線間距4.40 m，孔跨布置為：24-32 m簡支梁，橋長798.10 m，海拔4 300～4 400 m，橋址區(qū)域地勢平坦。該橋涵采用矩形實體橋臺、圓端形實體橋墩、鉆孔灌注樁基礎，樁徑為100 cm。某涵洞中心里程：DK922+460.00，為1-6 m框架箱涵，為排水兼牦牛通道而設，凈高5.3 m，正交設計，全長21.10 m。以該橋涵為例，對鐵路開展正向設計的技術路線、實施過程、成果總結進行具體說明。

1.1 實施目標

利用測繪、線路、地質(zhì)等上游專業(yè)的基礎數(shù)據(jù)，開展基于BIM技術的橋涵專業(yè)正向設計，探索建立適合鐵路站前工程正向設計的新模式。

1.2 平臺選擇

Bentley軟件二、三維表達基于統(tǒng)一的dgn格式，共享效率高，不僅有良好的操作性和開放性，提供豐富的應用程序編程接口，而且對鐵路長大帶狀模型具有較強的承載能力，便于二次開發(fā)解決模型創(chuàng)建和應用過程中的難點［8-10］，因此選擇Bentley MicroStation作為鐵路橋涵正向設計程序開發(fā)的基礎平臺。

2 設計提資

在橋涵BIM正向設計中，為滿足上游專業(yè)所需的文件數(shù)據(jù)需要，以及三維環(huán)境中的接口需要，分專業(yè)提出以下具體要求：

（1）測繪專業(yè)。

①地形BIM文件必須采用Bentley CE版本系列軟件支持的dgn格式。

②地形數(shù)據(jù)采用規(guī)定的空間坐標系統(tǒng)，位置準確。

③地形數(shù)據(jù)精度不得低于傳統(tǒng)dwg工點平面圖的精度。

（2）線路專業(yè)。

①線路BIM文件必須采用Bentley CE版本系列軟件支持的dgn格式。

②線路數(shù)據(jù)采用規(guī)定的空間坐標系統(tǒng)，滿足空間定位（里程、高程）需求。

③包含線路空間線條、圖形元素。

④提供mdb格式線路數(shù)據(jù)庫文件，包含平、縱曲線要素信息，線路控制交點序號，每個交點的平面坐標N、E。

（3）地質(zhì)專業(yè)。

①地質(zhì)BIM文件必須采用Bentley CE版本系列軟件支持的dgn格式。

②地質(zhì)數(shù)據(jù)采用規(guī)定的空間坐標系統(tǒng)，位置準確。

③屬性中必須包含設計所需的關鍵信息：巖土名稱、密實程度、土石等級、基本承載力等，關鍵信息必須與所屬土層體匹配。

3 橋梁BIM正向設計

橋梁BIM正向設計流程：

（1）輸入橋梁總體設計信息。采用交互的方式輸入橋梁設計參數(shù)，如項目參數(shù)（荷載標準、梁部參考圖、墩臺參考圖、基礎參考圖）、工點參數(shù)（橋梁中心里程、孔跨布置、基礎形式、地震參數(shù)）等（見圖1）。

圖1 橋梁總體信息輸入界面

（2）線路數(shù)據(jù)輸入。讀取mdb格式線路數(shù)據(jù)庫文件，自動導入線路平、縱斷面設計信息。

（3）在平臺中參考引入地形、地質(zhì)BIM模型文件。

（4）初步生成橋梁BIM模型。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)，計算橋梁曲線布置、軌面高程等；根據(jù)地形模型、線路縱坡、承臺埋深等，自動初步擬定橋墩高度，生成橋梁BIM模型（見圖2），并參考線路BIM線條進行核對。

圖2 橋梁BIM模型

（5）調(diào)整模型。結合橋梁BIM模型和地形模型，核查孔跨布置、墩高（承臺埋深）等，提供承臺與地面360°方向相互關系功能，設計人員可手動調(diào)整墩高、承臺位置等參數(shù)；根據(jù)調(diào)整后參數(shù)，重新生成橋梁BIM模型。

（6）地質(zhì)參數(shù)自動獲取。根據(jù)地質(zhì)BIM模型及橋梁相關參數(shù)，自動獲取墩臺位置處地層物理力學參數(shù)，作為橋梁下部結構設計參數(shù)（見圖3）。

圖3 獲取地質(zhì)參數(shù)

（7）下部結構檢算。根據(jù)提取的土層參數(shù)、結構外部荷載、基礎布置形式，通過橋梁輔助設計系統(tǒng)不斷迭代進行下部結構檢算，直至計算結果全部滿足規(guī)范要求；計算結果以交互方式呈現(xiàn)，若設計人員對計算結果不滿意，可調(diào)整設計參數(shù)，根據(jù)調(diào)整后的參數(shù)，由程序重新執(zhí)行下部結構檢算；根據(jù)最終計算結果，重新生成橋梁BIM模型。

（8）吊籃模型。根據(jù)頂帽托盤參數(shù)，輸入吊籃相關設計數(shù)據(jù)，參數(shù)化生成三維模型并準確定位（見圖4）。

圖4 吊籃模型

（9）鋼筋模型。根據(jù)項目參考圖，確定結構配筋方式；統(tǒng)一鋼筋數(shù)據(jù)，生成鋼筋模型（見圖5）。

圖5 鋼筋模型

（10）空心墩檢查設施。通過設定空心墩內(nèi)檢查設施參數(shù)（檢查平臺間距；墩底距平臺的最小距離；檢查平臺、墩內(nèi)檢查梯、墩頂進出梁部爬梯的細部構件尺寸），能夠快速生成空心墩內(nèi)檢查設施及預埋件的BIM模型（見圖6），驗證預留孔洞和預埋件的完整性、合理性，指導現(xiàn)場施工，規(guī)避工期延誤風險和質(zhì)量隱患。

圖6 空心墩預埋件模型

（11）刷方設計?；诘匦文Ｐ瓦M行橋墩基礎的地形開挖、橋臺的刷方設計（見圖7），并生成CAD平面刷方圖，準確統(tǒng)計挖方、刷方工程量。

圖7 刷方設計

（12）出圖。依托自主開發(fā)完成的橋梁輔助BIM設計系統(tǒng)，直接調(diào)取中心數(shù)據(jù)庫，完成二維全橋總布置圖創(chuàng)建（見圖8）。通過二、三維設計數(shù)據(jù)同源，實現(xiàn)三維模型與二維設計圖紙關聯(lián)，保證二、三維表達方式的一致性和準確性。同時，可根據(jù)《鐵路工程設計信息表達標準》和設計相關要求，將BIM全橋模型生成常規(guī)二維剖面圖［11］，并將其放置于標準的圖框中。

圖8 二維全橋總布置圖

（13）工程量統(tǒng)計。對于有BIM實體模型構件，直接從BIM模型提取工程數(shù)量［12-13］；對于沒有BIM實體模型構件的，可依托橋梁輔助BIM設計系統(tǒng)，從中心數(shù)據(jù)庫提取工程數(shù)量。

4 涵洞BIM正向設計

涵洞BIM正向設計流程：

（1）輸入涵洞總體設計信息。采用交互的方式輸入涵洞設計參數(shù)，如線路參數(shù)（軌底標高、線間距、線路坡度）、工點參數(shù)（涵洞中心里程、孔徑、凈高、基礎信息、上下游信息）等（見圖9）。

圖9 涵洞總體信息輸入界面

（2）生成BIM模型。程序讀取設計參數(shù)創(chuàng)建涵洞BIM模型［14］（見圖10）；若對設計結果不滿意，可調(diào)整設計參數(shù)，根據(jù)調(diào)整后參數(shù)重新執(zhí)行涵洞計算生成涵洞BIM模型；達到設計要求后，根據(jù)設計參數(shù)創(chuàng)建涵洞BIM鋼筋模型（見圖11）。

圖10 涵洞BIM模型

圖11 涵洞BIM鋼筋模型

（3）出圖和工程量統(tǒng)計。二、三維設計數(shù)據(jù)同源，利用涵洞輔助BIM設計系統(tǒng)調(diào)取中心數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，完成涵洞平立面布置圖的創(chuàng)建（見圖12）。涵洞數(shù)量計算統(tǒng)計原理和大中橋梁相同。

圖12 二維圖紙生成

5 正向設計成果

在橋涵專業(yè)正向設計中，集合以往設計經(jīng)驗和BIM技術，取得了以下成果：

（1）橋梁BIM模型構件的創(chuàng)建全部由程序自動完成，包括橋面系、梁部、橋墩、橋臺、基礎、橋墩附屬吊籃、空心墩檢查設施等，均有實體模型與之對應。

（2）對于承臺埋深、樁長，提供與橋梁BIM模型交互操作的模式。即選擇構件后，直接通過輸入數(shù)據(jù)，調(diào)整承臺埋深、樁長；修改后的構件模型隨之發(fā)生改變，實現(xiàn)BIM模型“所見即所得”，并根據(jù)修改后的結果，自動修改二、三維同源設計數(shù)據(jù)。

（3）參數(shù)化自動生成橋墩、基礎的鋼筋模型。

（4）根據(jù)基礎信息，自動從地質(zhì)模型中提取橋梁下部結構計算需要的土層參數(shù)，再與其外部荷載結合，實現(xiàn)下部結構自動計算。

（5）自動從地形模型中提取數(shù)據(jù)，計算基礎開挖數(shù)量；根據(jù)規(guī)則自動對地形模型進行修改，計算橋臺刷方量。

（6）整個設計過程中，設計人員只需要在交互界面操作，無需手動創(chuàng)建任何BIM模型。

6 結論

隨著BIM技術的快速發(fā)展，開啟了改造傳統(tǒng)設計手段的進程。結合2017年中國國家鐵路集團有限公司《鐵路信息化總體規(guī)劃》要求和部署，利用BIM技術開展正向設計，系統(tǒng)化解決專業(yè)存在的各項問題，達到BIM成果交付目標，探索站前工程設計標準流程。主要實踐結論歸納如下：

（1）采用二、三維數(shù)據(jù)同源的設計模式，通過數(shù)據(jù)間的有效融合，快速創(chuàng)建三維信息模型，生成二維圖紙和工程數(shù)量表，有效提高設計效率，保證BIM模型與二維圖紙的一致性、準確性，具有創(chuàng)新性強、實用水平高等特點。

（2）通過大量的程序開發(fā)，參數(shù)化快速生成橋涵檢查設施及預埋件、鋼筋、刷方等BIM模型，可驗證預留孔洞和預埋件的完整性、合理性，以及工程數(shù)量的準確性，提高了設計質(zhì)量，有效指導了現(xiàn)場施工，并規(guī)避了工期延誤風險和質(zhì)量隱患。

（3）對三維環(huán)境下橋涵設計上游專業(yè)的數(shù)據(jù)接口內(nèi)容及格式進行了規(guī)范，為后續(xù)鐵路項目開展BIM正向設計工作奠定了基礎。