基于BIM 的鋼箱拱橋參數化建模及應用

王成WANG Cheng

（中鐵九橋工程有限公司，九江 332000）

0 引言

大規(guī)模的鐵路及公路建設為人民的出行帶來了極大的便利，橋梁在鐵路和公路的建設中起著極其重要的紐帶作用。但是目前二維設計模式對于橋梁建設的數字化發(fā)展方向有很大的制約。

近年來，建筑信息模型的發(fā)展為橋梁精細化設計提供了有效的手段。與傳統(tǒng)手段不同，BIM 技術將更先進的數字化技術與三維精細模型進行融合，在提高設計文件表達力的同時，BIM 模型也作為公路工程全生命期的數字底座，完成數據傳遞和信息整合，全面提升公路工程全生命期的信息化與智能化水平[1]。然而，目前橋梁BIM 模型族庫較為缺少，并且可復用性不強，對于不同項目進行單獨建模時間周期長，且不易修改。為此本文以來安至全椒段一級公路襄河大橋為工程背景，建立了一種基于BIM 的鋼箱拱橋快速參數化建模方法，并依托BIM 模型進行圖紙會審、深化出圖、安裝工序模擬、數字化加工及二維碼應用研究，成果可為橋梁數字化發(fā)展作為參考。

1 鋼箱拱橋參數化建模技術

為縮短建模周期，方便模型快速化修改，通過對鋼箱系桿拱橋進行分項參數化建模，形成了一種基于BIM 的鋼箱拱橋快速參數化建模方法。參數化建模就是將復雜橋梁進行逐步分解為點、線、面，由基礎點、線、面依據一定規(guī)則及約束生成參數可調節(jié)的控制參數化構件，將同一種邏輯關系的構件作為參數化模板并對其進行封裝，再依據不同數據合理調用軟件提供的類、庫的屬性和方法以及二次開發(fā)函數，快速生成同種類型的所有構件，其技術路線如圖1 所示[2]，通過對每個部件的參數化實現整體橋梁的參數化[3]?；贐IM 的鋼箱拱橋快速參數化建模主要步驟包括：①建立參數化道路中心線+拱軸線模板，明確道路中心線與拱軸線之間的空間關系及控制變量；②建立拱肋、風撐、梁拱、橫梁、吊桿等部件參數化模板；③制定通用BIM數據信息文件承載模型設計數據；④通過道路中心線、拱軸線、參數化模板及設計數據進行批量化拱肋、風撐、梁拱、橫梁、吊桿等模型生成；⑤手動建立非參數化模型，完成橋梁模型如圖2 所示。

圖2 鋼箱拱橋快速參數化建模流程

2 工程實例

2.1 工程概況

來安至全椒段襄河大橋為下承式鋼箱系桿拱橋（主跨120 米異型拱橋），全長約2.445 公里。主橋為梁拱組合體系橋梁，拱圈及縱梁均采用鋼箱結構，系桿為剛性系桿，風撐為異性空間結構，襄河大橋主橋橋型布置如圖3 所示。

圖3 襄河大橋主橋橋型布置圖

2.2 鋼箱拱橋參數化族

2.2.1 參數化道路中心線+拱軸線

下承式鋼箱系桿拱橋道路中心線及拱軸線作為橋面系及拱肋控制線決定著橋梁的總體空間位置，道路中心線與拱軸線的相對空間關系決定著橋梁模型的準確性?；贐IM 進行參數化道路中心線+拱軸線模板建立，能夠根據類VB 語言自動讀取承載模型設計數據的數據表格中的模型信息進行參數化建模，并能根據后續(xù)設計變更，快速修改道路中心線+拱軸線模型，避免因設計變更造成的重復建模。主要步驟包括：①建立參數化道路平曲線及道路縱曲線，將平縱曲線擬合成未加預拱線的參數化道路中心線；②根據設計要求增加預拱線，根據橋面數據得到拱軸定位點；③依據設計要求使用類VB 語言生成參數化拱軸線，如圖4 所示。

圖4 參數化道路中心線+拱軸線構建

2.2.2 參數化鋼箱拱

鋼箱拱分為多個節(jié)段，除梁拱結合處與其余節(jié)段存在較大結構差異外，其余節(jié)段僅在厚度、隔板數量等方面存在不同。因此，梁拱結合處進行手動建立非參數化模型，其余節(jié)段建立參數化鋼箱拱模型。主要包括建立參數化頂底板構件、參數化腹板構件、參數化A 型隔板構件、參數化B型隔板構件等如圖5 所示。并根據類VB 語言調用數據表格中的數據對參數化構件進行賦值實例，得到依據設計數據進行分段的參數化鋼箱拱模型，如圖6 所示。主要步驟包括：①定義拱軸分段位置，確定基本輸入曲線；②繪制參數化構件基本框架圖，定義關鍵部位變量，形成各參數化構件庫；③設置所需參數值，包括頂底板板厚、腹板板厚、參數化隔板類型、定位里程點等；④使用類VB 語言讀取數據信息文件中的數據自動生成按設計分段的鋼箱拱模型。

圖5 參數化A 型隔板構件

圖6 已分段參數化鋼箱拱模型

2.2.3 參數化風撐

風撐為空間異形結構，在建模過程中耗時占比多，建立參數化風撐族庫有助于減少后期模型修改時間。本方法采用整體+局部式參數化方式，將風撐頂底腹板作為整體進行參數化構件建立，將加勁、隔板及腹板部分建立單獨參數化構件，依托各單獨構件在整體中的相對位置進行批量參數化建模，如圖7 所示。主要步驟包括：①建立參數化投影曲線，生成整體參數化風撐頂底腹板構件；②建立加勁、隔板及腹板基本框架圖，定義關鍵部位變量，形成各單獨參數化構件；③根據投影曲線、風撐頂底腹板構件、定位位置、尺寸等參數快速生成參數化風撐局部模型，如圖8 所示。

圖7 參數化風撐頂底腹板

圖8 風撐局部模型

2.2.4 參數化鋼箱梁

不同鋼箱梁節(jié)段的區(qū)別在于其包含吊桿橫隔梁、普通橫隔梁的類型、數量及厚度等參數的變化、縱梁頂底腹板厚度變化以及梁拱結合段的特有結構區(qū)別。同理，對于梁拱結合段鋼箱梁進行手動建立模型，其他節(jié)段通過參數化橫隔梁構件進行模型建立，如圖9 所示。主要步驟包括：①繪制節(jié)段頂底腹板基本框架，生成頂底腹板模型；②繪制節(jié)段橫隔梁基本框架，生成橫隔梁模型，并定義關鍵部位變量設為輸入參數；③根據各階段類型、其相對于道路中心線的位置、各關鍵參數（長、寬、高、厚度等）批量進行不同橫梁節(jié)段自動快速參數化生成，如圖10 所示。

圖9 參數化橫梁B 構件

圖10 批量實例化模型

2.2.5 參數化系桿

參數化系桿構件主要包括吊桿、耳板、耳板加勁等部件，將吊桿位置及傾斜度作為構件控制變量，依據頂板傾斜度控制耳板加勁具體尺寸數據，快速建立系桿三維模型，如圖11 所示。

圖11 參數化系桿模型

3 BIM 技術應用

3.1 基于BIM 模型的圖紙會審

對建立完成的BIM 橋梁模型進行碰撞檢查如圖12所示，發(fā)現圖紙設計過程中碰撞問題、設計錯漏碰缺、施工可行性等幾個方面的問題進行基于BIM 模型的圖紙會審，提前發(fā)現施工可行性的問題，在設計階段進行解決，提高了設計方案的施工可行性，減少了后期變更和返工，確保了施工質量，節(jié)省施工工期、降低成本和消除安全隱患。

圖12 碰撞檢查

3.2 基于BIM 模型的深化出圖

基于BIM 模型的深化出圖區(qū)別于二維工藝深化，進行工藝出圖，避免工程存在部分缺陷或施工不合理性，優(yōu)化各構件的設計，提高功能實用性。其主要步驟為：①依據制造廠的生產條件和現場施工條件，并考慮運輸要求、焊接工藝要求以及零件間的連接方式等因素，根據已建立的模型及設計院反饋意見，對已完成橋梁BIM 模型進行修改；②并依據已深化BIM 模型，導出DWG 白圖；③對導出的DWG 圖紙進行圖紙標注、審核。如圖13 所示。

圖13 深化出圖流程

3.3 基于BIM 模型的安裝工序模擬

依據BIM 模型及橋梁專項施工方案進行橋梁安裝工序模擬，將施工總進度計劃的每一道工序與工序內每一個構件進行掛接最終形成施工總進度計劃模擬，其可展示總進度計劃時間內任意時間點的施工狀態(tài)，并對其進行三維可視化展示。主要步驟包括：①根據安裝方案及施工總進度計劃對模型進行拆分；②根據方案確定解說腳本，生成配音及字幕文件；③將BIM 模型轉化為fbx 格式，導入動畫模擬軟件中，按先后順序逐個插入工序任務或導入已編寫好的施工進度計劃表。設置每一個工序的起止時間，并將該工序對應的模型構件綁定到該任務中。直至全部工序均綁定模型構件；④將所有工序任務逐個設置動畫形式（編輯動畫）。包括：生長、水平移動、豎直移動、旋轉、靜止、方向等動作，輸出視頻文件；⑤在視頻剪輯軟件中將視頻文件，配音文件及字幕文件進行整合、剪輯、后期制作?；贐IM 的安裝工序模擬能夠準確直觀地展示安裝細節(jié)及總進度流程，能夠提高交底質量，減少返工，對進度計劃的合理性和適宜性進行分析和優(yōu)化，如圖14 所示。

圖14 安裝工序模擬

3.4 基于BIM 模型的數字化加工

基于BIM 模型的數字化加工能夠保證從構件設計到制造的一致性，主要步驟包括：①根據構件生產方式、施工工藝及安裝方式等原則對深化完成的模型進行拆分、編號；②根據編號對所述異形構件的不同部分的構件信息進行存儲，其中，所述不同部分的構件信息包括：構件尺寸信息、構件外型信息、構件立面信息、構件平面信息、構件剖面信息、構件材質信息。然后利用BIM 技術的可出圖性結合拆分構件BIM 信息，導出構件平面圖、立面圖、剖面圖、節(jié)點大樣圖、三維示意圖，并依據BIM 環(huán)境及BIM 構件生成現場放線圖；③依據已有BIM 構件的深化圖紙及數字化模型，提取信息化模型中所包含的構件信息，通過數字化機床、3D 打印機等數字化生產設備，對拆分構件進行精準生產加工，如圖15 所示。

圖15 數字化加工

3.5 二維碼應用

基于BIM 模型信息生成二維碼粘貼在實際構件上，借助二維碼掃描手段，幫助管理人員輕松用手機掃描獲取構件相關信息，不斷積累設計、施工階段的信息，并用于后期運營管理。主要應用場景如下：①現場人員通過二維碼獲得該構件的詳細信息，并將其高亮顯示在模型中，輔助現場人員準確定位；②現場人員通過掃描二維碼調出對應構件質檢表單進行填寫，及時同步至管理平臺。

4 結論

本文依托BIM 技術，對下承式鋼箱系桿拱橋參數化模型建立方法進行研究，提出了一種基于BIM 的鋼箱拱橋參數化建模路線，以襄河大橋為例，對道路中心線+拱軸線、鋼箱拱、風撐、鋼箱梁及系桿的參數化過程提供了技術方案并驗證了參數化建模的可信性，并進一步的通過BIM模型進行了圖紙會審、深化出圖、安裝工序模擬、數字化加工及二維碼應用，發(fā)現設計問題20 余項，提高了設計質量，提升了生產精度及安裝質量，初步實現智能化管理應用。本鋼箱拱橋參數化建模技術適用于各類鋼箱拱橋，包括道路中心線+拱軸線、鋼箱拱、風撐橫梁、鋼箱梁及系桿，能夠依據不同鋼箱拱橋提升30%-50%的建模效率，之后可以在此基礎上深入探索適用于全類型橋梁的參數化建模技術，為實現橋梁智能設計、智能施工、智能運維創(chuàng)造基礎。