基于3DEXPERIENCE平臺(tái)京雄高速跨永定河特大橋參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用

孫永超

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，BIM 技術(shù)在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。BIM 技術(shù)引領(lǐng)了一場從設(shè)計(jì)理念到設(shè)計(jì)手段的信息化革命［1］，帶來了三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的快速發(fā)展。

京雄高速跨永定河特大橋拱肋及風(fēng)撐的設(shè)計(jì)，是大橋的重大設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一，傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)手段，無法完成大橋的設(shè)計(jì)任務(wù)。同時(shí)大橋還存在結(jié)構(gòu)不規(guī)則、異型漸變結(jié)構(gòu)多、局部節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜等諸多技術(shù)難題，采用傳統(tǒng)技術(shù)手段難以解決。鑒于大橋二維設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，基于3DEXPERIENCE平臺(tái)強(qiáng)大的參數(shù)化建模、協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真分析、智能建造等優(yōu)勢，利用BIM技術(shù)對京雄高速跨永定河特大橋進(jìn)行了參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)。

1 項(xiàng)目概況

京雄高速跨永定河特大橋，為北京市最大的建設(shè)中拱橋，由主橋、東引橋、西引橋組成。主橋?yàn)轱w燕式中承系桿拱橋，正立面呈“跨越之虹”造型（圖1），主橋風(fēng)撐造型抽象于中國結(jié)（圖2），寓意北京與雄安聯(lián)結(jié)協(xié)同發(fā)展，大橋細(xì)部設(shè)計(jì)（如路燈、檢修道、濕地景觀等）延續(xù)中國結(jié)這一設(shè)計(jì)元素，使人們無論在橋上行走還是橋下瞭望，都能感受到中國結(jié)所體現(xiàn)的連接象征。大橋全長1620m，主橋跨徑300m，兩側(cè)邊拱跨徑50m，輔助孔跨徑60m，橋梁全長520m。

圖1 大橋鳥瞰圖Fig.1 Aerial view of the bridge

圖2 大橋仰視圖Fig.2 Upward view of the bridge

主橋拱肋分中孔拱肋和邊孔拱肋兩部分，在基座處固結(jié)為一體。其中中孔拱肋跨徑300m，中線矢高75m，橫向傾角73°，在300 年洪水位處分為上拱肋和下拱肋兩部分，上拱肋采用鋼箱結(jié)構(gòu)，下拱肋采用箱形鋼混組合結(jié)構(gòu)；邊拱肋采用鋼骨混凝土箱形結(jié)構(gòu)，下端接基座，上端接輔助墩橫梁。

2 基于3DEXPERIENCE平臺(tái)大橋參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)

2.1 3DEXPERIENCE平臺(tái)簡介

3DEXPERIENCE 平臺(tái)，簡稱3DE 平臺(tái)，是一個(gè)包括設(shè)計(jì)、仿真、分析工具（CATIA、DELMIA、SIMULIA、BIOVIA、VKBE等）、協(xié)同環(huán)境（VPM）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（ENOVIA）、社區(qū)協(xié)作（3DSwym）、大數(shù)據(jù)技術(shù)（EXALEAD）等多種應(yīng)用的一體化平臺(tái)。3DE平臺(tái)為不同角色的使用者提供了協(xié)同的環(huán)境，解決了以往企業(yè)不同平臺(tái)間相互協(xié)作的問題。

CATIA具有強(qiáng)大的曲面建模功能及參數(shù)化能力，為設(shè)計(jì)師提供了豐富的設(shè)計(jì)手段。3DEXPERIENCE（3DE）平臺(tái)作為CATIA V6 版本，集成了CATIA所有功能，并提供并行、修改協(xié)同等功能［2］。在3DEXPERIENCE 平臺(tái)的技術(shù)支持下，設(shè)計(jì)人可協(xié)同開展設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)成果實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)作管理、模型同源、平臺(tái)共享、信息的互聯(lián)互通。

2.2 參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)在京雄高速跨永定河特大橋項(xiàng)目中的應(yīng)用

本項(xiàng)目基于3DEXPERIENCE 平臺(tái)，通過“骨架+模板”技術(shù)進(jìn)行大橋的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)，同時(shí)借助3DEXPERIENCE 平臺(tái)對設(shè)計(jì)成果及項(xiàng)目進(jìn)展進(jìn)行三維審查及項(xiàng)目管理，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜橋梁的正向設(shè)計(jì)，大橋參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。

圖3 參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)流程Fig.3 Parameterized collaborative design process

1.項(xiàng)目策劃及標(biāo)準(zhǔn)編制

為了實(shí)現(xiàn)大橋的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，制定了《京雄高速跨永定河特大橋BIM實(shí)施策劃書》，確定了參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)施目標(biāo)、技術(shù)路線、組織結(jié)構(gòu)、工作組織模式、實(shí)施內(nèi)容、資源需求及進(jìn)度計(jì)劃。

基于大橋結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，本項(xiàng)目編制了《京雄高速跨永定河特大橋BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)》，確定了軟件版本及基本設(shè)置、模型定位規(guī)則、項(xiàng)目目錄結(jié)構(gòu)、配色方案、模型及模板管理方式等內(nèi)容。

為了規(guī)范本項(xiàng)目建筑與土木工程信息模型中信息的分類和編碼，實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目中建筑與土木工程構(gòu)筑物全生命期信息的交換與共享，編制了項(xiàng)目級的《建筑信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》，并依照ISO 12006-2 分類框架標(biāo)準(zhǔn)對建筑與土木工程信息模型信息進(jìn)行了擴(kuò)充，如表1 所示。

表1 建筑與土木工程信息模型信息分類Tab.1 Information classification of building and civil engineering information model

將單個(gè)分類表內(nèi)的分類對象按層次依次分為一級類目“大類”、二級類目“中類”、三級類目“小類”、四級類目“細(xì)類”，并制定了分類對象的編碼結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 編碼結(jié)構(gòu)Fig.4 Coding structure

為規(guī)范項(xiàng)目BIM 設(shè)計(jì)交付，提高BIM 模型信息在工程項(xiàng)目全生命周期中的應(yīng)用效率，編制了《京雄高速跨永定河特大橋BIM 交付標(biāo)準(zhǔn)》，明確了命名規(guī)則、模型細(xì)度及拆分原則、屬性信息、交付協(xié)同等內(nèi)容。

通過項(xiàng)目策劃及標(biāo)準(zhǔn)編制，明確了參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)施內(nèi)容、實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施要求，為大橋參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了有力的保障，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.協(xié)同管理平臺(tái)搭建

基于3DEXPERIENCE 平臺(tái)，搭建項(xiàng)目協(xié)同管理平臺(tái)，將項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行WBS 分解，制定設(shè)計(jì)工作計(jì)劃，形成工作計(jì)劃甘特圖，并對人員權(quán)限、工作任務(wù)、項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，優(yōu)化項(xiàng)目管理方法，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目參與人員的權(quán)限管理、任務(wù)分派管理、風(fēng)險(xiǎn)與問題管理、設(shè)計(jì)校審管理、設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃管理、版本管理、流程管理，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理信息化、BIM設(shè)計(jì)協(xié)同化，大大提升項(xiàng)目管理效率與設(shè)計(jì)品質(zhì)，降低項(xiàng)目實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。項(xiàng)目管理平臺(tái)界面如圖5 所示。

圖5 項(xiàng)目管理平臺(tái)Fig.5 Project management platform

3.模型結(jié)構(gòu)樹及骨架搭建

在進(jìn)行骨架設(shè)計(jì)時(shí)，要具有全局性、統(tǒng)籌性思維，搭建骨架初期應(yīng)對全橋構(gòu)件進(jìn)行分解，明確設(shè)計(jì)內(nèi)容（建模內(nèi)容）、設(shè)計(jì)深度（模型細(xì)度）、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)參數(shù)等信息，并根據(jù)項(xiàng)目級《BIM實(shí)施策劃書》、《BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)》、《BIM 模型交付標(biāo)準(zhǔn)》、《分類及編碼標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)，搭建大橋參數(shù)化設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)樹，將整個(gè)結(jié)構(gòu)樹向下細(xì)分，并根據(jù)編碼對其進(jìn)行命名，確保構(gòu)件的唯一性，模型結(jié)構(gòu)樹如圖6 所示。

圖6 參數(shù)化設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)樹Fig.6 Structure tree of parametric design model

根據(jù)景觀設(shè)計(jì)方案、道路條件，搭建模型骨架線，利用骨架線對整體橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行宏觀控制，驅(qū)動(dòng)依附之上的橋梁構(gòu)件模板自適應(yīng)調(diào)整，達(dá)到實(shí)時(shí)參數(shù)化控制與修改。大橋參數(shù)化設(shè)計(jì)骨架包含幾何要素和非幾何要素，幾何要素主要是道路平曲線、豎曲線、道路邊線、拱軸線、拱角線、吊桿定位線等，非幾何要素主要包含設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)表、數(shù)據(jù)編碼等，大橋參數(shù)化設(shè)計(jì)骨架如圖7 所示。

圖7 大橋參數(shù)化設(shè)計(jì)骨架Fig.7 Parametric design skeleton of bridge

大橋骨架一般采用常規(guī)方法搭建，對于重復(fù)、有規(guī)律、數(shù)量較多的幾何元素（如吊桿定位線）也可通過VBA宏編程方法進(jìn)行創(chuàng)建，見圖8。為實(shí)現(xiàn)通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)骨架的調(diào)整，創(chuàng)建骨架線時(shí)應(yīng)通過參數(shù)創(chuàng)建命令創(chuàng)建參數(shù)并做好各參數(shù)間的有序關(guān)聯(lián)。骨架線搭建完成應(yīng)根據(jù)編碼及命名原則對骨架進(jìn)行命名并將其發(fā)布，以便后續(xù)各專業(yè)設(shè)計(jì)人對其引用，并基于此進(jìn)行各專業(yè)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

圖8 批量創(chuàng)建吊桿定位線部分代碼Fig.8 Part code of create boom location lines in batch

4.參數(shù)化設(shè)計(jì)

本橋設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)在于空間扭曲板的參數(shù)化設(shè)計(jì)，以拱肋設(shè)計(jì)為例，拱肋造型為傾斜的空間懸鏈線，拱肋由底部的矩形漸變到頂部的不規(guī)則五邊型，使拱肋壁板呈空間扭曲形態(tài)，采用傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法難以完成。如何不改變建筑師設(shè)計(jì)的空間扭曲面，確保設(shè)計(jì)構(gòu)件可以加工制造并滿足設(shè)計(jì)要求，是本橋設(shè)計(jì)需要解決的重大難題。

3DEXPERIENCE平臺(tái)有強(qiáng)大的曲面建模功能及參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)能力［3］，恰恰為解決這一設(shè)計(jì)難題提供了便利條件。在進(jìn)行拱肋壁板設(shè)計(jì)時(shí)，將脊線作為控制條件，通過兩條引導(dǎo)線，利用直紋掃掠功能即可生成高斯曲率較優(yōu)的曲面［4］。

根據(jù)整體計(jì)算結(jié)果，通過參數(shù)創(chuàng)建建立拱肋設(shè)計(jì)控制參數(shù)，如壁板厚度、壁板坡比、加勁肋厚度、加勁肋高厚比、加勁肋開孔尺寸等參數(shù)，如圖9 所示。

圖9 拱肋部分設(shè)計(jì)參數(shù)Fig.9 Arch rib part design parameters

根據(jù)設(shè)計(jì)深度、部件位置，建立不同細(xì)度、不同形式（UDF、Powercopy、工程模板）的模板：拱肋壁板內(nèi)表面模板、壁板加勁肋通過孔模板、壁板加勁肋模板、橫隔板加勁肋通過孔模板、橫隔板加勁肋模板、橫隔板模板。通過“骨架+模板”方法［5］進(jìn)行拱肋壁板、壁板加勁肋、橫隔板及橫隔板加勁肋的設(shè)計(jì)，如圖10 所示。

圖10 拱肋參數(shù)化設(shè)計(jì)Fig.10 Parametric design of arch rib

5.協(xié)同設(shè)計(jì)

基于3DEXPERIENCE 平臺(tái)，設(shè)計(jì)成果實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)共享。各專業(yè)、各設(shè)計(jì)人基于大橋參數(shù)化設(shè)計(jì)骨架同步開展參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成果即可同步實(shí)時(shí)更新。以本橋?yàn)槔?，在設(shè)計(jì)初期就將模型部件進(jìn)行分解，將整個(gè)主橋分成了南側(cè)東邊拱肋、南側(cè)主拱肋、南側(cè)西邊拱肋、北側(cè)東邊拱肋、北側(cè)主拱肋、北側(cè)西邊拱肋、拱頂風(fēng)撐、東側(cè)主梁鋼梁段、中跨主梁鋼梁段、西側(cè)主梁鋼梁段、南側(cè)拱肋吊桿、北側(cè)拱肋吊桿等多個(gè)部件。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，各設(shè)計(jì)人在對應(yīng)的部件下基于參數(shù)化設(shè)計(jì)骨架開展設(shè)計(jì)即可，協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，無需進(jìn)行設(shè)計(jì)成果整合，通過更新命令便可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)其他設(shè)計(jì)人設(shè)計(jì)成果的同步、瀏覽、查看、校核，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)，避免了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中的“錯(cuò)、漏、碰、缺”問題，提升了整體設(shè)計(jì)水平，降低了實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，參數(shù)化設(shè)計(jì)成果見圖11。

圖11 參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)成果Fig.11 Parametric collaborative design results

6.參數(shù)化分析

京雄高速跨永定河特大橋，由于拱肋截面呈空間扭曲形態(tài)，吊桿錨區(qū)與拱肋錨腹板間關(guān)系異常復(fù)雜，與常規(guī)拱橋錨區(qū)差異較大，在進(jìn)行橋梁整體計(jì)算或局部計(jì)算時(shí)，采用傳統(tǒng)仿真分析方法不僅截面建模工作量巨大且難以完成。

為了進(jìn)一步研究拱肋錨區(qū)的受力特征，本項(xiàng)目利用3DEXPERIENCE 平臺(tái)下的通用計(jì)算分析平臺(tái)，對參數(shù)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了計(jì)算分析，分析內(nèi)容涵蓋吊桿錨區(qū)受力分析、鋼拱肋畸變翹曲分析等，吊桿錨區(qū)受力分析如圖12 所示。與傳統(tǒng)的計(jì)算分析相比，3DEXPERIENCE平臺(tái)提供了計(jì)算分析APP，基于原有參數(shù)化設(shè)計(jì)模型即可進(jìn)行材料定義、網(wǎng)格劃分、荷載施加、計(jì)算分析，避免了二次建模、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化等繁瑣的過程，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)模型和計(jì)算分析模型的數(shù)據(jù)同源，原有參數(shù)化設(shè)計(jì)模型改變時(shí)，有限元模型可同步更新已創(chuàng)建的有限元網(wǎng)格及邊界條件，可以很方便地進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，大大提升了局部模型的計(jì)算分析效率。

圖12 吊桿錨區(qū)受力分析Fig.12 Stress analysis of derrick anchor zone

7.三維校審

鑒于京雄高速跨永定河特大橋采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)方法開展設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目引入三維校審方法對設(shè)計(jì)成果進(jìn)行校審。三維校審有兩種模式，一種是基于ENOVIA項(xiàng)目管理平臺(tái)的三維校審，一種是基于CATIA模塊的三維校審?；贓NOVIA的三維校審偏于管理，基于CATIA模塊的三維校審偏于深入應(yīng)用及協(xié)同設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)更高效率、更深層次的三維校審，本項(xiàng)目提出了一種新的三維校審方法，將三維校審劃分為如下幾個(gè)階段：自校階段、校核階段、審核階段、審定階段。

在自校階段，設(shè)計(jì)人對設(shè)計(jì)成果的完整性進(jìn)行自校，通過瀏覽和觀察模型及其他設(shè)計(jì)成果（圖紙、計(jì)算書）進(jìn)行目錄樹、功能元素、內(nèi)部元素的完整性檢查，通過剖切、漫游等工具檢查模型內(nèi)部空間和細(xì)部構(gòu)造，確保設(shè)計(jì)成果完整并滿足規(guī)范要求。

在校核階段，校核人基于CATIA模塊design review APP對設(shè)計(jì)人提交的設(shè)計(jì)成果的合理性進(jìn)行校核，檢查模型是否滿足設(shè)計(jì)技術(shù)（技術(shù)要求、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范）的規(guī)定，其次在滿足設(shè)計(jì)控制性要求的前提下，綜合檢查模型與模型（空間布置、功能邏輯、技術(shù)銜接）之間對接的合理性；最后通過對模型和設(shè)計(jì)技術(shù)的綜合考察，探索設(shè)計(jì)技術(shù)（包括模型）是否有優(yōu)化的空間，基座設(shè)計(jì)的校核如圖13 所示。

圖13 基座審查Fig.13 Base review

在審核階段，審核人基于ENOVIA對設(shè)計(jì)成果（設(shè)計(jì)模型、計(jì)算書、輸出的圖紙等）進(jìn)行審核，主要審核設(shè)計(jì)是否符合《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文》、設(shè)計(jì)采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是否恰當(dāng)，審核計(jì)算書中的計(jì)算原則、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程數(shù)量、重要計(jì)算公式和計(jì)算方法、重要結(jié)構(gòu)計(jì)算模式、計(jì)算軟件的選用是否正確，審核設(shè)計(jì)模型及輸出圖紙的主要尺寸是否齊全、控制性尺寸是否正確等內(nèi)容。

在審定階段，審定人基于ENOVIA對設(shè)計(jì)成果（設(shè)計(jì)模型、計(jì)算書、輸出的圖紙等）、項(xiàng)目建議書等內(nèi)容進(jìn)行審定，主要審定設(shè)計(jì)是否符合《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文》、設(shè)計(jì)方案是否合理、設(shè)計(jì)依據(jù)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否齊全正確、關(guān)鍵部位及薄弱環(huán)節(jié)的計(jì)算是否合理，及時(shí)解決技術(shù)問題及技術(shù)分歧等。

通過三維審核，解決了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)成果的審核問題，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)與項(xiàng)目管理的結(jié)合，為三維數(shù)字化精細(xì)設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

為了解決京雄高速跨永定河特大橋項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難題，本項(xiàng)目基于3DEXPERIENCE 平臺(tái)對大橋進(jìn)行了參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)，通過應(yīng)用得到如下認(rèn)知：

1.基于3DEXPERIENCE 平臺(tái)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法打破了傳統(tǒng)異型曲面二維設(shè)計(jì)模式，解決了扭曲曲面設(shè)計(jì)難題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，提升了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。

2.不同專業(yè)不同設(shè)計(jì)人基于同一平臺(tái)開展設(shè)計(jì)工作，模型可實(shí)時(shí)瀏覽、查看、修改、更新與校核，避免了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中的“錯(cuò)、漏、碰、缺”問題，解決了不同平臺(tái)間相互協(xié)作的問題，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的協(xié)同設(shè)計(jì)，大大提升了整體設(shè)計(jì)水平。

3.基于BIM模型進(jìn)行計(jì)算分析，打破了傳統(tǒng)計(jì)算分析模式，實(shí)現(xiàn)了BIM模型與計(jì)算分析模型的數(shù)據(jù)同源、實(shí)時(shí)更新，避免了重復(fù)建模、模型轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)缺失等問題，大大提升了計(jì)算分析效率。

4.基于3DEXPERIENCE 平臺(tái)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，解決了本項(xiàng)目異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及三維數(shù)字化設(shè)計(jì)成果的審核等難題，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)與項(xiàng)目管理的結(jié)合，為項(xiàng)目后續(xù)施工、運(yùn)維提供了精細(xì)的數(shù)據(jù)模型，為BIM技術(shù)在本項(xiàng)目的深入應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)，后續(xù)將不斷應(yīng)用并及時(shí)總結(jié)，以期提供更多的成果與經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)的工程提供借鑒。